《光電型傳感器》PPT課件

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1、第六章光電型傳感器第一節(jié)外光電效應第二節(jié)光電管特性第三節(jié)光電倍增管第四節(jié)光敏電阻第五節(jié)光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管第六節(jié)光電型傳感器應用第七節(jié)光電型傳感器綜合訓練光電傳感器是將光信號轉換為電信號的一種傳感器。用這種傳感器測量其它非電量（如轉速、濁度）時，只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。測量方法具有：結構簡單、精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點。對光的認識，最早是有爭議的。牛頓論文之中提出，光的本質是微粒的，光是由許多球形微粒組成，微粒以高速作直線運動。當時的爭議：①法國的笛卡爾假說“微粒說”，但不以實

2、驗為根據，而是假說；②英國胡克和荷蘭的惠更斯“波動說”，宇宙間的物體內存在著一種看不見、摸不著的“以太”物質，把光與聲音類比，認為光是一種機械波，發(fā)光體在“以太”（不存在）中激起不同深度和大小的顫動，依靠“以太”傳播。牛頓偏向微粒，但他認為實驗不充分，一直在做實驗，牛頓環(huán)現象是光具有波動性的最好證明。一直到20世紀初，科學家已肯定光的波粒二象性。第一節(jié)外光電效應光的波粒二象性，光具有波動性和離子性的兩重性質，是一種電磁波。光是由一定能量的粒子（光子）所形成，每個光子具有的能量hг正比于光的頻率г（h為普朗克常

3、數）。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hг的光子所轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現象稱光電效應。光電效應分為三類：①在光線作用下能使電子逸出物體表面的現象稱外光電效應。例如：光電管、光電倍增管。②在光電作用下能使物體的電阻率改變的現象稱為內光電效應。例如：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管。③在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應。例如：光電池。一、光電管光電管結構如圖6-1所示。金屬陽極封裝在一個玻璃殼內，當入射光照射在陰極上時，光子的能

4、量傳遞給陰極表面的電子，當電子獲得的能量足夠大時，就有可能克服金屬表面對電子的束縛（稱逸出功）而逸出金屬表面形成電子發(fā)射。電子逸出金屬表面的初速度υ由能量守恒定律得出mυ=hг-A愛因斯坦光電方程。它揭示了光電效應之本質。根據光子假設，入射光的強度S的表達式：S=Nhг。其中：N—單位時間內通過單位垂直面積的頻率г的單色光的光電子數。由光電效應方程式可得出：①照射在物體上的光線（入射光）通常不是單色光，而是含有多種頻率的光。②光電子逸出物體表面時具有出速度。當入射光頻率г大于該金屬極限頻率г（紅限）時，光強度

5、再弱也能發(fā)射電子；當入射光頻率г小于г時，光強度再大也不能發(fā)射電子。二、光電管工作原理由于逸出功與材料的性質有關，當材料選定后，要使金屬表面有電子逸出，入射光的頻率г有一最低的限度，當hг小于A時，即使光通量很大，也不可能有電子逸出，這個最低限度的頻率稱為紅限。當hг大于A時光通量越大，逸出的電子數目也越多，光電流I就越大。光電管的陰極和陽極分別接電源的負極和正極。沒有光照射時，因光電管光陰極不發(fā)射電子，電路不通；有光照射時，光電陰極發(fā)射的光電子，在陽極高電位作用下形成光電流，可以在電阻R上取出與光電流成正比

6、的信號電壓。讓光（被測）照射在光電管的陰極上，可通過測量電路中光電流（或R上的電壓）的大小，來測量光電陰極發(fā)射的光電子數量。由這個數量在找出被測光強的大小。如圖6—2所示。第二節(jié)光電管特性單色入射光的波長與絕對靈敏度的關系。如圖6—3所示。光電陰極對光譜有選擇性，保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關系二、光電管伏安特性當入射光的頻譜及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關系稱做伏安特性。如圖6—4所示。當陽極電壓較小時，只有一部分到達陽極，其余受光子在真空中運動時所形成的負電場作用，回到陰極。

7、隨陽極電壓的增大，光電流也增大。當陰極發(fā)射電子全部到陽極時，陽極電流很穩(wěn)定，達到飽和三、光電管光電特性當陽極電壓一定時，陽極電流I與入射在光電陰極上的光通量Φ之間的關系。在陽極電壓足夠大時，使光電管工作在飽和電流條件下，光電管正常的光電特性是條直線。如圖6—5所示。用金屬做陰極基底的光電管的光電特性線性度好。對于玻璃殼上覆蓋銻銫陰極的光電管，當入射光太大時，會出現非線性。第三節(jié)光電倍增管當用光電管測量很微弱的入射光時，產生的光電流很小（小于幾微安）不易檢測，誤差很大。在光電管的陰極與陽極之間安裝若干個倍增極D

8、1、D2、D3…，構成光電倍增管。光電倍增管具有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。如圖6—6所示。從圖6—6可看出，光電倍增管也有一個陰極K，一個陽極A。與光電管不同的是，在它的陰極和陽極之間設置許多次發(fā)射電極D1、D2、D3…，它們又稱為第一倍增極、第二倍增極…，相鄰的電極間通常加上100伏左右的電壓，其電位逐級升高，陰極電位最低，陽極電位最高，兩者之差一般在（60