傳感器與檢測技術(shù)8-1光電式傳感器.ppt

第八章光電式傳感器,光電傳感器的構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光電元件。應(yīng)用：1、光量變化的非電量；2、能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。特點：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。,被測量的變化,光信號的變化,電信號的變化,光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。,光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。,光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。,光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。,8.1概述,8.1.1光的特性,光波是波長為10106nm的電磁波。,1000,000nm,10nm,780nm,380nm,可見光,紅外光,紫外光,性質(zhì)：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。,1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)：光在空間傳播時，是不連續(xù)的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速運動的粒子流，愛因斯坦把這些不連續(xù)的量子稱為“光量子”。1926年，美國物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱為“光子”，并沿用至今。每個光子的能量為E=h,可見，光的頻率愈高，光子的能量愈大。,8.2.2光源（發(fā)光器件）,1.白熾光源,最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：320nm2500nm,所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。,2.氣體放電光源,利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈即氣體放電燈。,它的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。,汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/3。,構(gòu)成：由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成。特點：工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。,3.發(fā)光二極管（LEDLightEmittingDiode）,N,P,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,_,原理：,當加正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，和P區(qū)里的空穴復(fù)合；空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種電子空穴對的復(fù)合同時伴隨著光子的放出，因而發(fā)光。,電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量等于PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）Eg。所放出的光子能量用h表示，有,普朗克常數(shù)h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；hc=19.810-26mWs=12.410-7meV,Eg的單位為eV，1eV=1.610-19J?？梢姽獾牟ㄩL近似地認為在710-7m以下，所以制作可見光區(qū)的發(fā)光二極管，其材料的禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/=1.8eV,普通二極管是用硅或鍺制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為1.12eV和0.67eV，顯然不能使用。,通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當x0.35時，可得到Eg1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，使在550900nm間變化。,與此相似的可供制作發(fā)光二極管的材料見下表：,LED材料,發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵曲線有兩根，這是因為其材質(zhì)成分稍有差異而得到不同的峰值波長p。除峰值波長p決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（用描述）決定光的色彩純度，越小，其光色越純。,發(fā)光二極管的光譜特性,反向電壓應(yīng)在5V以下!,發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點燃）電壓略有差異。紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。,砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線,4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）是20世紀60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一。具有高方向性、高單色性、高亮度和高的相干性四個重要特性。激光波長一般從0.15m到遠紅外整個光頻波段范圍。X-射線激光器。,激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）液體激光器（染料激光器）。半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）,（1）固體激光器典型實例是紅寶石激光器，是1960年人類發(fā)明的第一臺激光器（T.Maiman）。,工作物質(zhì)為紅寶石-摻0.05%Cr+3的Al2O3棒。,Nd:YAG激光器,摻Nd+3離子的激光器有三種:玻璃釔鋁石榴石氟化釔鋰（YLF：LiYF4),Nd+3,Y3Al5O12,激活離子基質(zhì),釔鋁石榴石,（2）氣體激光器工作物質(zhì)是氣體。種類：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。波長覆蓋了從紫外到遠紅外的頻譜區(qū)域。,（3）液體激光器種類：螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器，其中較為重要的是有機染料激光器。它的最大特點是發(fā)出的激光波長可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。,（4）半導(dǎo)體激光器與前幾種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶。其缺點是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。,8.2.1外光電效應(yīng),在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。,8.2光電效應(yīng),兩類：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。,1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動理論實驗中首次發(fā)現(xiàn)的；1902年，勒納（Lenard)也對其進行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當時的理論加以解釋；1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)。,愛因斯坦光電效應(yīng)方程：,1.光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A。,2.一定時，產(chǎn)生的光電流和光強成正比。,3.逸出的光電子具有動能。,基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。,8.2.2內(nèi)光電效應(yīng)當光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。,1光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。,自由電子所占能帶,不存在電子所占能帶,價電子所占能帶,hEg,當光照射到光電導(dǎo)體上時，若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強,光電材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。,基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。,勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）光照射PN結(jié)時，若hEg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，電子偏向N區(qū)外側(cè)，空穴偏向P區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光生電動勢。,光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。基于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管。,側(cè)向光電效應(yīng)當半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，光照部分產(chǎn)生電子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現(xiàn)了載流子濃度梯度，引起載流子擴散，如果電子比空穴擴散得快，導(dǎo)致光照部分帶正電，未照部分帶負電，從而產(chǎn)生電動勢，即為側(cè)向光電效應(yīng)。,8.3.1光電管及其基本特性,結(jié)構(gòu)與工作原理,8.3外光電效應(yīng)器件,主要性能,（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。,真空光電管充氣光電管,（2）光電管的光照特性當光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系。,光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。,圖8-5光電管的光照特性,1-氧銫陰極2-銻銫陰極,(3)光電管的光譜特性一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。另外，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限c=700nm，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。,對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。,國產(chǎn)光電管的技術(shù)參數(shù),