第九章光电式传感器.ppt

第9章 光电式传感器 光的基本物理特性和常用光源 光的特性 光具有波粒二重性，既具有波动的本性，又具有粒子的特性。 光的粒子说可知，光是由具有一定能量、动量和能量的粒子所组成，这种粒子称为光子。每个光子都具有一定的能量，其大小与它的频率成正比，即 E=hf=hc/λ 式中h为普朗克常数，h=6.626×10-34（J.S）； f为光子的频率（S-1）； C为光速，C=3×108（m/S）； λ为光的波长（m）。 常用光源及特性 1、热辐射光源。 热辐射光源输出功率大，但电源的响应速度慢，调制频率一 般低于1KHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。 2、气体放电光源。 气体放电光源发出的热量少，对检测对象和光电探测器件 温度影响小，对电压恒定要求也比白炽灯低。 3、电致发光器件。 具有体积小、功耗低、寿命长（106~109h）、工作电压低 （1~2V）、响应速度快（几个纳秒至几十纳秒），便于与集 成电路相匹配等优点，因此得到广泛应用。 4、激光器。 按工作物质来分：（1）固体激光器； （2）气体激光器； （3）半导体激光器；（4）液体激光器 。 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。 光电传感器的定义及组成 光照射物体时，物体受到一连串具有一定能量光子的轰击，物体中的电子吸收了光子的能量，导致物体的电学性质发生了改变，这种现象称为光电效应。 光电效应分为： 1、外光电效应(光电发射效应)； 2、内光电效应（光电导效应和光生伏特效应）； 光电传感器是基于光电效应的转换原理,把光信号转换成电信号的传感器。 光电传感器由四部分组成：光源、光通路、光电元件和测量电路。如图 光电效应的实验规律为： （1）光电流的大小与入射光的强度成正比； （2）光电子的初动能只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关； （3）当入射光的频率低于某一极限频率时，不论光的强弱，照射时间的长短，均无光电流产生； （4）从光照开始到光电子被释放出来。整个过程所需的时间小于10-9S。 由爱因斯坦光电效应方程式知： 光电管是一种具有悠久历史的光传感器，是一个装有光电阴极K和阳极A的真空玻璃管，有很多种，图中左边的一种，光电阴极是在玻璃管内壁涂上阴极涂料构成的；右边的一种，光电阴极是在玻璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形极板构成的。 工作原理： 工作时阴极K接电源负极，阳极A通过负载电阻接电源正极。 当一定波长的光线透过玻璃窗照射到光电管的光电阴极时，电子从阴极发射到真空中，在电场的加速作用下，电子向阳极运动，形成空间电子流称为光电流。 对于真空的光电管，形成的空间电流∝光电阴极的光亮度。 当光通量一定时，电压与光电流的关系，叫光电管的伏安特性曲线, 当入射光比较弱时，由于光电子较少,只用较低的阳极电压就能收集到所有的光电子，而且输出电流很快就可以达到饱和；当入射光比较强时，使输出电流达到饱和，则需要较高的阳极电压。 光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域内。由于这部分动态阻抗(dU/dI)非常大，以致可以看作恒定电流源，能通过大的负载阻抗取出输出电压。 比较 充气光电管的优点是灵敏度高，但其灵敏度随电压显著变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差。所以在测试中一般选用真空光电管。 真空光电管的时间响应特性很好，从光子变换为光电子只需10-12s的时间，因此可以忽略不计 用光电管对微弱光进行检测时，光电管产生的光电流很小，由于放大部分所产生的噪声比决定光电管本身检测能力的光电流散粒效应噪声大得多，检测极其困难。若要解决对微弱光的检测，就要用光电倍增管。 光电倍增管是一种真空光电器件，是利用二次电子释放效应，将微弱的光输入转换成电流，并使