光電式傳感器原理.doc

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1、第10章光電式傳感器101光電式傳感器的工作原理及基本組成102光電式傳感器中的敏感元件103光電式傳感器的類(lèi)型及設(shè)計(jì)104光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置光電式傳感器工作時(shí)先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光量的變化然后通過(guò)光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化從而實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量其核心敏感元件是光電器件基礎(chǔ)是光電效應(yīng)光電式傳感器可用來(lái)測(cè)量光學(xué)量或測(cè)量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其它被測(cè)量然后輸出電信號(hào)測(cè)量光學(xué)量時(shí)光電器件是作為敏感元件使用而測(cè)量其它物理量時(shí)它作為變換元件使用光電式傳感器由光路及電路兩大部分

2、組成光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換常用的光電轉(zhuǎn)換元件有真空光電管充氣光電管光電倍增管光敏電阻光電池光電二極管及光敏三極管等它們的作用是檢測(cè)照射其上的光通量選用何種形式的光電轉(zhuǎn)換元件取決于被測(cè)參數(shù)所需的靈敏度響應(yīng)的速度光源的特性及測(cè)量環(huán)境和條件等102光電式傳感器中的敏感元件當(dāng)光照射在某些物體上時(shí)光能量作用于實(shí)測(cè)物而釋放出電子這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)所放出的電子叫光電子光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)根據(jù)這些效應(yīng)可以做出相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件簡(jiǎn)稱(chēng)光電元件或光敏器件光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時(shí)光子的能量傳給光

3、電材料表面的電子如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量電子會(huì)克服正離子對(duì)它的吸引力脫離金屬表面而進(jìn)入外界空間這種現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光子假設(shè)光子是具有能量的粒子每一光子的能量一個(gè)光子的全部能量是一次被一個(gè)電子所吸收無(wú)需積累能量的時(shí)間利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件一般都是真空的或充氣的光電器件如光電管和光電倍增管1光電管及其基本特性1結(jié)構(gòu)與工作原理光電管有真空光電管和充氣光電管或稱(chēng)電子光電管和離子光電管兩類(lèi)兩者結(jié)構(gòu)相似如圖所示它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上其上涂有光電發(fā)射材料陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩

4、形或圓形置于玻璃管的中央當(dāng)光照在陰極上時(shí)中央陽(yáng)極可收集從陰極上逸出的電子在外電場(chǎng)作用下形成電流I2主要性能1光電管的伏安特性在一定的光照射下對(duì)光電器件的陽(yáng)極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱(chēng)為光電管的伏安特性它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)2光電管的光照特性當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性其特性曲線如下圖所示3光電管的光譜特性由于光陰極對(duì)光譜有選擇性因此光電管對(duì)光譜也有選擇性保持光通量和陰極電壓不變陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管它們有不同的紅限頻率n0因此它們可用于不同的

5、光譜范圍除此之外即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率n0并且強(qiáng)度相同隨著入射光頻率的不同陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量也會(huì)不同即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同這就是光電管的光譜特性所以對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光應(yīng)選用不同材料的光電陰極2光電倍增管及其基本特性1結(jié)構(gòu)與工作原理當(dāng)入射光很微弱時(shí)普通光電管產(chǎn)生的光電流很小只有零點(diǎn)幾個(gè)微安很不容易探測(cè)這時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大下圖是光電倍增管的外形和工作原理圖光電倍增管由光陰極倍增電極以及陽(yáng)極三部分組成光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成次陰極是在鎳或鋼－鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的如果在光電陰極上由于入

6、射光的作用發(fā)射出一個(gè)電子這個(gè)電子將被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極設(shè)這時(shí)第一倍增極有δ個(gè)二次電子發(fā)出這δ個(gè)電子又轟擊第二倍增極而其產(chǎn)生的二次電子又增加δ倍經(jīng)過(guò)n個(gè)倍增極后原先一個(gè)電子將變?yōu)棣膎個(gè)電子這些電子最后被陽(yáng)極所收集而在光電陰極與陽(yáng)極之間形成電流i則iiΦδn式中n為二次發(fā)射極數(shù)δ為二次電子發(fā)射系數(shù)故輸出電壓UsciRiΦδnR光電倍增管的優(yōu)點(diǎn)是放大倍數(shù)很高可達(dá)106線性好頻率特性好缺點(diǎn)是體積大需數(shù)百伏至1kV的直流電壓供電光電倍增管一般用于微弱光輸入要求反映速度很快的場(chǎng)合2主要參數(shù)1倍增系數(shù)M倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δi的乘積

7、如果n個(gè)倍增電極的δi都一樣則陽(yáng)極電流I為　　　3暗電流一般在使用光電倍增管時(shí)必須把管放在暗室里避光使用使其只對(duì)入射光起作用但是由于環(huán)境溫度熱輻射和其它因素的影響即使沒(méi)有光信號(hào)輸入加上電壓后陽(yáng)極仍有電流這種電流稱(chēng)為暗電流暗電流主要是熱電子發(fā)射引起它隨溫度增加而增加不過(guò)暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路加以消除4光電倍增管的光譜特性光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性很相似內(nèi)光電效應(yīng)是指某些半導(dǎo)體材料在入射光能量的激發(fā)下產(chǎn)生電子－空穴對(duì)致使材料電性能改變的現(xiàn)象這種效應(yīng)可分為因光照引起半導(dǎo)體電阻值變化的光