第6章光检测传感器及应用案例 《传感器技术知识与应用》课件.pptVIP

第6章 光检测传感器及应用案例;第6章 光检测传感器及应用案例;6.1.1 光的基本知识 由光学知识可知，光具有波粒二象性。因而它不但具有波的特性，而且还具有颗粒特性。光有可见和不可见之分。其可见光的波长在380~780nm之间。波长在10~380nm之间的称作紫外线，在780~106nm之间的称作红外线。根据光的量子理论，光又是一种以光速运动的粒子流。这些粒子称作光子，光子具有能量，每个光子的能量E为 (6-1) 式中：h——为普朗克常数，υ——为光的频率。 由此可知，不同频率的光子具有不同的能量。光的能量就是所有光子能量的总和。 ; 光照度是衡量被照射物体表面明亮程度的一个参数，它表示被照射物体表面单位面积上受到的光通量，单位是勒克斯（lx），光通量是指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。光通量的单位是流明（lm），它们之间的关系是 1(lx) = 1(lm/m2) 为了测量光照的强弱，就需要光检测传感器。所谓光检测传感器，实际是将光信号转变成电信号的一种器件，通常人们把它称作光电转换器件，简称为光电器件。 ;6.1.2 光电效应 　 在光的照射下，物体吸收了光的能量而产生的电现象，称作光电效应。光电效应又分为外光电效应和内光电效应两大类。　 1. 外光电效应 当物体内的电子在光的照射下逸出物体表面向外发射的现象就称作外光电效应。向外发射的电子称作光电子。 2. 内光电效应 在光的照射下，物体的电阻率发生变化或产生光生电动势的现象称作内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应两种。 当物体的电阻率在光的照射下发生改变的现象称作光电导效应。 当物体在光的照射下产生一定方向电动势的现象称作光生伏特效应。 基于不同的光电效应就得到不同的光电元器件。下面就介绍几种常见的光电器件。;6.2.2 光电倍增管 1. 光电倍增管的结构及工作原理 在光线比较弱的时候，光电管能产生的光电流很小，为了克服这个缺点，人们又设计了光???倍增管。它主要由一个光电阴极、若干个倍增极和一个阳极等部分构成。倍增极个数在4~14个之间。四倍增极的光电倍增管结构如图6-2所示。; 当光线照射到光电阴极Ｋ时，阴极便被激发出光电子，由于D１电位高于K，这些光电子便被加速并轰击到第一倍增极D１上；使D１发射出更多的光电子。由于D2电位高于D１，第一倍增极发射的二次电子便加速轰击到第二倍增极D2上，使D2发射的二次电子数比D１发射的电子数还多。这样逐级下去，最后一个倍增极所发射的二次电子数比从阴极K发射的光电子数增加几个数量级。最后一个倍增极所发射的二次电子被阳极A收集，便形成信号电流。 ; 光电倍增管的伏安特性曲线与光电管的伏安特性图6-2相似，其他特性也基本相同，在此不再繁述。;6.3光敏电阻 1. 光敏电阻的结构及工作原理; 它的工作原理是基于半导体材料的光电导效应。即当无光照射时，光敏电阻的电阻值很大；当受到一定波长范围的光照射时，它的电阻值急剧下降。并且光照越强，它的电阻值就越小。光照停止，电阻值又恢复到原值。 光敏电阻无极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流电压，也可加交流电压。 2. 光敏电阻的基本特性; 这说明光敏电阻的阻值仅与光入射量有关，而与外加电压无关。但它的工作电压和工作电流也不能太大，否则，将把器件损坏。而工作电压和工作电流的大小一般由它的耗散功率和散热条件来决定。; (2) 光照特性 　 光敏电阻的光电流I和光照度E的关系曲线，称作光照特性。不同光敏电阻的光照特性是不同的。但大多数光敏电阻的光照特性是非线性的，硫化镉光敏电阻的光照特性曲线如图6-6所示。; 由图可知，为了获得较高的灵敏度，在选择光敏电阻时，应当把光敏电阻的材料和光源波长结合起来考虑。; (4) 响应时间和频率特性： 实验证明，当光强度突然改变时，光敏电阻的光电流不会立即变化到新的光强度所对应的光电流值，而是需要一定的过渡时间。并且这个时间通常都比较大。; (5) 光谱温度特性 　 因光敏电阻是半导体材料构成的，所以受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗阻，Kr都下降。同时温度的变化也影响它的光谱特性。;