光電式傳感器-光電器

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1、第8章光電式傳感器概述光電器件光纖傳感器8.08.18.2光電效應(yīng)；光電器件工作原理、基本特性；光纖傳感器工作原理與應(yīng)用。本章重點本章難點CCD工作原理；光纖傳感器的應(yīng)用。8.0概述1.什么是光電傳感器光電傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，再通過光電元件把光量的變化轉(zhuǎn)換成電信號的一種測量裝置，它的轉(zhuǎn)換原理是基于光電效應(yīng)。光電式傳感器（簡稱光電傳感器）又稱為光敏傳感器；從目的上講，它是探測光電信號的器件，所以還可以稱為光電探測器。2.光電傳感器的組成光電傳感器是以光為媒介，以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳感器，其基本結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。它一般由光源、光學(xué)通路、光電

2、器件三部分組成。被測量作用于光源或者光學(xué)通路。從而引起光量的變化。光電傳感器4.光電傳感器的特點光電傳感器具有頻譜寬、響應(yīng)速度快、可靠性高、抗干擾能力強、非接觸測量、既不受電磁輻射影響，也不輻射電磁波的特點。3.光電傳感器的類型按照工作原理，光電傳感器主要分為以下四種：（1）光電效應(yīng)傳感器（2）固態(tài)圖像傳感器（3）光纖傳感器（4）紅外熱釋電傳感器光電效應(yīng)4.光電傳感器基礎(chǔ)知識----光電效應(yīng)1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，光量子的理論是現(xiàn)代物理學(xué)的基石，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。用光照射某一物體，可以看作物體受到一

3、連串能量為hv的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。E=hυ式中：h——普朗克常數(shù)=6.626×10-34(J·s)υ——光的頻率（s-1）。一束光是由一束以光速運動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有能量，每個光子具有的能量由下式確定：所以光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。1）外光電效應(yīng)光照射物體

4、，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒定理得：式中：m——電子質(zhì)量；v0——電子逸出速度。愛因斯坦光電效應(yīng)方程光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。紅限頻率為:v=A0/h紅限波長為：λ=ch/A0由愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知：光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光

5、，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。2.內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類：（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，對于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。導(dǎo)帶價

6、帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg半導(dǎo)體中的能帶：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到動能大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，從而使電導(dǎo)率變大。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg：材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。（2）光生伏特效應(yīng)在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。基于該

7、效應(yīng)的光電器件有光敏二極管、三極管、光電池。光敏電阻為純電阻元件，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。其常用的材料有硫化鎘（CdS）、硫化鉛（PbS）、銻化銦（InSb）等。8.1光電器件8.1.1光敏電阻（光電導(dǎo)器件）1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡單，圖8-2（a）為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。在頂部有兩片梳狀的金屬電極，從波紋狀梳齒縫隙里露出來的物質(zhì)為半導(dǎo)體光敏層。光敏電

8、阻的電極采用梳狀圖案，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面