光电式传感器原理课件

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1、第10章光电式传感器101光电式传感器的工作原理及基本组成102光电式传感器中的敏感元件103光电式传感器的类型及设计104光电式传感器的应用光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置光电式传感器工作时先将被测量转换为光量的变化然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化从而实现非电量的测量其核心敏感元件是光电器件基础是光电效应光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其它被测量然后输出电信号测量光学量时光电器件是作为

2、敏感元件使用而测量其它物理量时它作为变换元件使用光电式传感器由光路及电路两大部分组成光路部分实现被测信号对光量的控制和调制电路部分完成从光信号到电信号的转换常用的光电转换元件有真空光电管充气光电管光电倍增管光敏电阻光电池光电二极管及光敏三极管等它们的作用是检测照射其上的光通量选用何种形式的光电转换元件取决于被测参数所需的灵敏度响应的速度光源的特性及测量环境和条件等102光电式传感器中的敏感元件当光照射在某些物体上时光能量作用于实测物而释放出电子这种现象称为光电效应所放出的电子叫光电子光电效

3、应一般分为外光电效应和内光电效应两大类根据这些效应可以做出相应的光电转换元件简称光电元件或光敏器件光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时光子的能量传给光电材料表面的电子如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量电子会克服正离子对它的吸引力脱离金属表面而进入外界空间这种现象称为外光电效应爱因斯坦的光子假设光子是具有能量的粒子每一光子的能量一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收无需积累能量的时间利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件一般都是真空的或充气的光电器件如光电管和光电

4、倍增管1光电管及其基本特性1结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类两者结构相似如图所示它们由一个阴极和一个阳极构成并且密封在一只真空玻璃管内阴极装在玻璃管内壁上其上涂有光电发射材料阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央当光照在阴极上时中央阳极可收集从阴极上逸出的电子在外电场作用下形成电流I2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阳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

5、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性其特性曲线如下图所示3光电管的光谱特性由于光阴极对光谱有选择性因此光电管对光谱也有选择性保持光通量和阴极电压不变阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的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n0因此它们可用于不同的光谱范围除此之外即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率n0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也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

6、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2光电倍增管及其基本特性1结构与工作原理当入射光很微弱时普通光电管产生的光电流很小只有零点几个微安很不容易探测这时常用光电倍增管对电流进行放大下图是光电倍增管的外形和工作原理图光电倍增管由光阴极倍增电极以及阳极三部分组成光阴极是由半导体光电材料锑铯做成次阴极是在镍或钢－铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的阳极是最后用来收集电子的如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极设这时第一倍增极有δ个二次

7、电子发出这δ个电子又轰击第二倍增极而其产生的二次电子又增加δ倍经过n个倍增极后原先一个电子将变为δn个电子这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流i则iiΦδn式中n为二次发射极数δ为二次电子发射系数故输出电压UsciRiΦδnR光电倍增管的优点是放大倍数很高可达106线性好频率特性好缺点是体积大需数百伏至1kV的直流电压供电光电倍增管一般用于微弱光输入要求反映速度很快的场合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系数δi的乘积如果n个倍增电极的δi

8、都一样则阳极电流I为　　　3暗电流一般在使用光电倍增管时必须把管放在暗室里避光使用使其只对入射光起作用但是由于环境温度热辐射和其它因素的影响即使没有光信号输入加上电压后阳极仍有电流这种电流称为暗电流暗电流主要是热电子发射引起它随温度增加而增加不过暗电流通常可以用补偿电路加以消除4光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性很相似内光电效应是指某些半导体材料在入射光能量的激发下产生电子－空穴对致使材料电性能改变的现象这种效应可分为因光照引起半导体电阻值变化的光