第7章 光電式與光纖傳感器

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1、感測技術(shù)講義第7章光電式傳感器光電式傳感器(PhotoelectricSensor):以光電效應(yīng)為基礎(chǔ),將光信號(hào)(光量的變化)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電量的變化)的一種傳感器。7.1光電效應(yīng)(PhotoelectricEffect,Photoeffect)愛因斯坦光子學(xué)說:光是由一連串具有一定能量的粒子組成,其能量大小等于?!绽士顺?shù)—光的頻率()不同頻率的光具有不同的能量,光的頻率越高,其光子能量越大。光照射到物體表面后產(chǎn)生光電效應(yīng),分為兩類:1.外光電效應(yīng)(光電發(fā)射PhotoeletricEmission)在光線作用下,能使物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象?;谕夤怆娦?yīng)的光電器件(光敏元件)

2、:光電管、光電倍增管根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程:(能量守恒定律)A0—某物體的電子的逸出功V—電子的逸出速度。結(jié)論:(1)當(dāng)光子能量,即時(shí),才有光電子逸出物體表面,產(chǎn)生外光電效應(yīng)。當(dāng),即(紅限頻率)時(shí),光電子的。當(dāng)時(shí),不論光強(qiáng)度有多大,都不會(huì)使物體發(fā)射出光電子,不會(huì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)。(2)光電子的初動(dòng)能取決于光的頻率,。-80-感測技術(shù)講義1.內(nèi)光電效應(yīng)(InnerPhotoeffect)(1)光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下,某些物體(本征半導(dǎo)體)內(nèi)部的原子釋放電子,這些電子并不逸出物體表面,但使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的效應(yīng)被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?;诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件:光敏電阻為實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷,入射光的

3、能量必須滿足即:入射光的波長必須(波長限)(2)光生伏特效應(yīng)在光線作用下,物體(半導(dǎo)體)內(nèi)部的原子釋放電子,這些電子并不逸出物體表面,但使物體產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)被稱為光生伏特效應(yīng)?;诠馍匦?yīng)的光電器件:光電池、光敏二極管、光敏三極管-80-感測技術(shù)講義7.2外光電效應(yīng)的光電器件1.光電管(真空)2.光電倍增管-80-感測技術(shù)講義陽極電流I為:i—光電陰極的光電流;—各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù);n—光電倍增管極數(shù)。光電倍增管的電流放大倍數(shù)為7.3內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件1.光敏電阻(光電導(dǎo)管Photoconductor,PhotoconductiveTube)(1)工作原理基于光電導(dǎo)

4、效應(yīng)。無光照時(shí),RG很大,I很?。挥泄庹諘r(shí),RG急劇減小,I迅速增大。(2)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性①暗電阻、亮電阻、光電流暗電阻—在未受到光(某種波長)照射時(shí)的阻值稱為暗電阻,流過的電流為暗電流。亮電阻—在受到光(某種波長)照射時(shí)的阻值稱為亮電阻,流過的電流為亮電流。光電流=亮電流—暗電流暗電阻越大,亮電阻越小,則光敏電阻的性能越好。即暗電流要小,亮電流要大。一般,暗電阻>1MΩ,亮電阻<(1~10)KΩ。②光敏電阻的伏安特性③光敏電阻的光照特性光敏電阻的伏安特性光敏電阻的光照特性-80-感測技術(shù)講義④光敏電阻的光譜特性可見光區(qū)域紅外區(qū)域⑤光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間和頻率特性光電流的變化相

5、對(duì)于光的變化,存在滯后,這是光電導(dǎo)的“弛豫現(xiàn)象”。⑥光敏電阻的溫度特性隨著溫度的升高,它的暗電阻和靈敏度都下降。2.光電池(Photocell)在光線照射下,直接能將光能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)的光電元件(電壓源)。應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是:硅光電池、硒光電池(1)光電池的結(jié)構(gòu)原理(基于光生伏特效應(yīng))(2)光電池的主要特性(P140)①光電池的光譜特性②光電池的光照特性③光電池的頻率特性④光電池的溫度特性-80-感測技術(shù)講義3.光敏二極管和光敏三極管(1)光敏二極管無光照時(shí),光敏二極管反向電阻很大,反向飽和漏電流(暗電流)很小,處于截止?fàn)顟B(tài);受光照時(shí),產(chǎn)生光電流,光的照度越大,光電流越大,光敏二

6、極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。(2)光敏三極管1)工作原理①無光照時(shí),集電極反偏,反向飽和漏電流很小;②有光照時(shí),在PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì),在PN結(jié)內(nèi)電場作用下,做定向運(yùn)動(dòng),形成光電流(相當(dāng)于基極電流),輸出電流-80-感測技術(shù)講義2)基本特性(P143)①光敏三極管的光譜特性②光敏三極管的伏安特性③光敏三極管的光照特性④光敏三極管的溫度特性⑤光敏三極管的頻率特性7.4光電耦合器件光電耦合器件=發(fā)光元件+光電接收元件發(fā)光二極管光敏電阻、光敏二(三)極管1.光電耦合器實(shí)現(xiàn)電隔離,具有抗干擾性能和單向信號(hào)傳輸功能。廣泛應(yīng)用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼電器等。2.光電開關(guān)檢測

7、有無物體。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。-80-感測技術(shù)講義7.5光導(dǎo)纖維(光纖Opticalfiber)傳感器光纖:20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明光纖傳感器:始于1977年光纖傳感器光纖光纖通信技術(shù)與傳統(tǒng)的以電為基礎(chǔ)的傳感器相比有本質(zhì)的區(qū)別:1.光纖傳感器用光而不是用電來作為敏感信息的載體;2.光纖傳感器用光纖而不是用導(dǎo)線來作為傳遞敏感信息的媒介光纖傳感器的特點(diǎn):1.電絕緣,特別適用于高壓供電系統(tǒng)及

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