《光學》-第7章 光電式與光纖傳感器教案

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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（光量的變化）轉(zhuǎn)換為電信號（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

2、電器件（光敏元件）：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）當光子能量，即時，才有光電子逸出物體表面，產(chǎn)生外光電效應(yīng)。當，即（紅限頻率）時，光電子的。當時，不論光強度有多大，都不會使物體發(fā)射出光電子，不會產(chǎn)生外光電效應(yīng)。（2）光電子的初動能取決于光的頻率，。-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)。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件

3、：光敏電阻為實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須滿足即：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)生光生電動勢的效應(yīng)被稱為光生伏特效應(yīng)。基于光生伏特效應(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,Photo

4、conductiveTube）（1）工作原理基于光電導(dǎo)效應(yīng)。無光照時，RG很大，I很?。挥泄庹諘r，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

5、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)時間和頻率特性光電流的變化相對于光的變化，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)殡妱觿莸墓怆娫妷涸矗?。?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，光敏二極管反向電阻很大，反向飽和

6、漏電流（暗電流）很小，處于截止狀態(tài)；受光照時，產(chǎn)生光電流，光的照度越大，光電流越大，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。（2）光敏三極管1）工作原理①無光照時，集電極反偏，反向飽和漏電流很?。虎谟泄庹諘r，在PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對，在PN結(jié)內(nèi)電場作用下，做定向運動，形成光電流（相當于基極電流），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.光電耦合器實現(xiàn)電隔離，具有抗干

7、擾性能和單向信號傳輸功能。廣泛應(yīng)用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點開關(guān)及固態(tài)繼電器等。2.光電開關(guān)檢測有無物體。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動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：1．電絕緣，特別適用于高壓供電系統(tǒng)及