第8章光电式、光纤、红外及其他传感器资料.ppt

第8章 光电式传感器; 数码照相机、视频摄像头、扫描仪等是在我们生活中随处可见、经常使用的设备，但你知道它们是怎么实现图像采集的吗？ 以扫描仪为例，在扫描仪中装有线阵式CCD光电图像传感器，利用线光源的移动和光学成像系统，以扫描成像的方式将平面图像或文字逐行成像到CCD光敏面上，由它将图像、文字等光能变化信号转换成易于传输、存储、处理的电信号。; 光电传感器是一种常用的传感器，种类很多，应用领域广泛，可用来测量转速、位移、距离、温度、浓度、浊度等参量，也可用于生产线上产品的计数、做光电开关等；光电图像传感器还广泛用于扫描仪、传真机、内窥镜、数码照相机和摄像机等产品。 光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。;光电子发射效应{;◆在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管。;一、光电式传感器 ;◆由式（1）可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同物体具有不同的逸出功，每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。 ◆当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。 ◆光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。;●光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。 光照在半导体材料上，电子从 价带→禁带→导带，形成自由电子， 使导电性增强。 ;●光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。 ① 势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 ② 侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。 ;光电管 ;2．主要性能 （1）光电管的伏安特性 ◆在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。 ◆真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4（a）和（b）所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。 ;（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为光电管的光照特性。 ◆光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。 ◆光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比)称为光电管的灵敏度。;（3）光电管光谱特性 ◆一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。 ◆即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。 ◆所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。;光电倍增管 ◆由半透明的光电阴极、倍增极以及阳极三部分组成。当入射光子射到半透明的光电阴极K上时，将激发出光电子。光电子被第一倍增极D1与阴极K之间的电场所会聚并加速后，与倍增极D1碰撞，第一倍增极在高动能电子的作用下，将发射比入射电子数目更多的二次电子。光电倍增管 的倍增极可多达30极。产生的电子最后被阳极A收集，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~108倍。光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。;2．主要参数 （1）倍增系数M ◆倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子δi的乘积。如果n个倍增电极的δi都一样，则M=δi ，因此，阳极电流I为： ◆ M与所加电压有关，一般在10 ~10 之间。如果电压有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V－100V。;（2）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的放大倍数或总 灵敏度如图8-6所示。极间