传感器技术 教学课件作者 陈建元 第四章 光电式传感器3.pptVIP

第4章 光电式传感器 4．1 光源与光辐射体 光是电磁波谱中的一员，光的频率（波长）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一种频率的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为 g=hv 4．1．2 光源与光辐射体 白炽光源 气体放电光源 发光二极管 激光器 红外辐射 激光器 激光是新颖的高亮度光，它是由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光 激光的形成必须具备三个条件：（1）具有能形成粒子数反转状态的工作物质--增益介质；（2）具有供给能量的激励源；（3）具有提供反复进行受激辐射场所的光学谐振腔。 激光的特性 方向性强、亮度高 单色性好 相干性好 激光器种类 固体激光器 气体激光器 液体激光器 半导体激光器 光纤激光器 红外辐射 从紫光到红光热效应逐渐增大，而热效应最大的为红外光。在自然界中只要物体本身具有一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外光。例如电机、电器、炉火、甚至冰块都能产生红外辐射，又称热辐射。 红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。 热辐射体根据辐射体的光谱发射率的变化规律分为黑体、灰体、选择性辐射体三类。一个辐射体的发射率定义为该辐射体的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比，即 ε(t)=M(t)/Mb(t) 热辐射的基本规律 普朗克公式 4．2 光电效应及器件 所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。这里将紫外光、可见光和红外光做统一考虑，把光电探测器分为光子探测器和热探测器。在光子探测器中研究外光电效应和内光电效应两类。 4．2．1 外光电效应 在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比，即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。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，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。 4．2．2 内光电效应 光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即能量必须大于材料的禁带宽度△Eg（图4-7）才能产生内光电效应，因此叫内光电效应的临界波长λO＝1293／△Eg（mm）。通常纯净半导体的禁带宽度为 1eV 左右，例如锗的 △Eg ＝0.75eV，硅的△Eg＝1.2 eV。 内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。半导体受到光照时会产生光生电子-空穴对，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应，基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管；光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。 光敏电阻 4．2．3 热探测器 热探测器也通称为能量探测器，其原理是利用辐射的热效应，通过热电变换来探测辐射。入射到探测器光敏面的辐射被吸收后，引起响应元的温度升高，响应元材料的某一物理量随之而发生变化。利用不同物理效应可设计出不同类型的热探测器，其中最常用的有电阻温度效应（热敏电阻）、温差电效应（热电偶、热电堆）和热释电效应 4．3 光电器件的特性 光电传感器的光照特性、光谱特性以及峰值探测率、响应时间等几个主要参数，都取决于光电器件的性能。 4．3．1 光照特性 光电器件的灵敏度可用光照特性来表征，它反映了光电器件输入光量与输出光电流（光电压）之间的关系。 光敏电阻的光照特性呈非线性,光敏晶体管的灵敏度和线性度均好，因此在军事、工业自动控制和民用电器中应用极广，既可作线性转换元件，也可作开关元件。 4．3．2 光谱特性 光电器件的光谱特性是指相对灵敏度K与入射光波长λ之间的关系，又称光谱响应 为了提高光电传感器的灵敏度，对于包含光源与光电器件的传感器，应根据光电器件的光谱特性合理选择相匹配的光源和光电器件。对于被测物体本身可作光源的传感器，则应按被测物体幅射的光波波长选择光电器件。 4．3．3 响应时间 光电器件的响应时间反映它的动态特性，响应时间小，表示动态特性好。对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响应时间的限制。 光敏电阻的响应时间一般为 10－1～10－3s，光敏晶体管约为 2×10－5s，光敏二极管的响应速度比光敏三极管高一个数量级，硅管