光电阴极灵敏和光电倍增管的总灵敏实用版课件.pptx
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1、2023-2-91第7章 光电式传感器2023-2-92引言 光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成光信号的变化,然后再通过光电转换元件把光信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感器的测量方法灵活多样,并且具有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应快等一系列优点,因而发展十分迅速,而且随着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继问世,光电传感器在检测及自动控制领域中得到了更广泛的应用。2023-2-93光电效应 所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧化物或半导体材料释放电子的现象。光子是具有一定能量的微粒,是以光速运动的粒子流。每一个光子都具有一定的能量,它的能量大小E与其
2、频率 成正比。hchE7.1 光电传感器2023-2-94光电效应 光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物体表面,而只在物体的内部运动并使物体的电学特性发生变化的现象叫做内光电效应,内光电效应多产生于半导体材料内。当物体在光的作用下使物体中的电子从物体表面逸出的现象,叫做外光电效应,外光电效应多发生于金属或金属氧化物内。2023-2-95特点 光的波长越短,即频率越高,其光子的能量也越大;反之,光的波长越长,其光子的能量也就越小。不同颜色的光子由于其光波频率不同其能量也是不同的,绿光光子比红光光子具有更多的能量,照射在物体上可看作是一连串具有能量为E的粒子
3、轰击在物体上。光子与物质间的连接体是电子。2023-2-96外光电效应器件 光电管2023-2-97外光电效应器件 光电管的伏安特性曲线UA(V))(AI6010002040801234lm1.00.050.02lmlm2023-2-98外光电效应器件 光电管的光照特性银 氧 铯 阴 极 光 电 管光 通 量 (lm)04812160.20.40.60.81.0)(AI光电流锑 铯 阴 极 光 电 管2023-2-99外光电效应器件 光电管的光谱特性曲线2023-2-910外光电效应器件 光电倍增管2023-2-911外光电效应器件 光电倍增管的工作原理基于外光电效应、二次电子发射和电子光学基
4、础上。在光电倍增管的各倍增电极D1、D2、D3和阳极上,依次有逐渐增高的正电压,即阴极电位最低,从阴极开始,各个倍增电极的电位依次升高,阳极电位最高,而且相邻两极之间电压应使二次发射系数大于1。在入射光作用下,光电阴极发射的光电子在D1电场作用下,以高速向倍增电极D1打去,产生二次发射,于是更多的二次发射电子又在D2电场作用下,射向第二倍增电极,激发更多的次发射电子,如此下去,一个光电子将激发更多的二次发射电子,如此不断倍增,最后阳极收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105106倍,即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万倍。因此,在很微弱
5、的光照下,光电倍增管也能产生很大的光电流。2023-2-912外光电效应器件 光电倍增管的主要参数(1)倍增系数M。(2)光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。极 间 电 压(V)251035075100125150104105106放大倍数2023-2-913内光电效应器件 光电倍增管的主要参数(1)倍增系数M。(2)光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。极 间 电 压(V)251035075100125150104105106放大倍数2023-2-9141光敏电阻 光敏电阻又称光导管,是一种均质半导体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过
6、载能力强和寿命长等特点 2023-2-915(1)光敏电阻的原理和结构。光敏电阻受到光照时,由于内光电效应,因而其导电性能增强而电阻R0值下降,所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压会发生变化。一般而言,光线越强,电流越大。当光照停止时,光电效应会立即消失,电阻又恢复原值。2023-2-916光敏电阻 当光敏电阻受到光照时,阻值减小。光敏晶体管的光照特性光电效应分为内光电效应和外光电效应。光电倍增管的主要参数光电池在人造卫星上的应用光导纤维简称为光纤,目前基本上还是采用石英玻璃,其结构如图所示。在入射光作用下,光电阴极发射的光电子在D1电场作用下,以高速向倍增电极D1打去,产生二次发射,于是更
7、多的二次发射电子又在D2电场作用下,射向第二倍增电极,激发更多的次发射电子,如此下去,一个光电子将激发更多的二次发射电子,如此不断倍增,最后阳极收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105106倍,即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍。光电池的工作原理是基于光生伏特效应,当光照射到光电池上时,可以直接输出光电流。光电式传感器的测量方法灵活多样,并且具有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应快等一系列优点,因而发展十分迅速,而且随着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继问世,光电传感器在检测及自动控制领域中得到了更广泛的应用。不同颜色的光子由于其光波频率不同其能量也是不同的,
8、绿光光子比红光光子具有更多的能量,照射在物体上可看作是一连串具有能量为E的粒子轰击在物体上。因安装场地窄小,不能使用其它传感器的场合;红外发射、接收对管外形光纤的传输是基于光的全内反射。1光纤传感器工作原理可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。光敏晶闸管(LCR)又称为光控晶闸管1光纤传感器工作原理物体峰值辐射波长 与物体的自身的绝对温度 成反比,即光纤与电光转换元件耦合时,两者的轴心必须严格对准并固定,可使用专用的连接头及光纤插座来完成。光敏电阻的光谱特性。可以利用光通讯技术组成遥测网。2023-2-917(2)光敏电阻的基本特性和主要参数
9、。光敏电阻的伏安特性。光敏电阻的伏安特性 2023-2-918光敏电阻的频率特性光敏电阻的光谱特性。Sr(%)(A)2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉灵敏度波长2023-2-919光敏电阻的频率特性暗电阻、亮电阻与光电流。光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。在没有受到光照射时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流被称为暗电流。10080604020010100100010000S(%)(H z)硫 化 镉硫 化 铅频 率灵敏度2023-2-920光敏电阻的温度特性。1.02.03.04.0020406080100(%)-20+20波 长(m)灵敏度202
10、3-2-9212光敏晶体管 光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管,它们的工作原理是基于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高,但频率特性较差,目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。光敏晶闸管主要应用于光控开关电路 2023-2-922(1)光敏晶体管结构与工作原理 光敏二极管。通常处于反向偏置状态。当没有光照射时,其反向电阻很大,反向电流很小,这种反向电流称为暗电流。1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引脚 6N型衬底 7SiO2保护圈8SiO2透明保护层 9铝引出电极 10P型扩散层 11PN结 12金属引
11、出线2023-2-923光敏二极管外形 光敏二极管阵列光敏二极管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件的线性光电元件的线性光电二极管阵列,可用于分光镜。二极管阵列,可用于分光镜。2023-2-924红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管2023-2-925 光敏三极管 集电极电流是原始光电电流的倍。因此,光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高许多倍。光敏三极管 2023-2-926光敏三极管外形 当光纤发出的光穿过标志孔时,若无反射,说明电路板方向放置正确。光子是具有一定能量的微粒,是以光速运动的粒子流。光纤传感器的工作原理及类型特点可见这里的光线“转弯”实际上是由光的
12、全反射所形成的红外探测器的种类很多,按探测机理的不同,分为热探测器和光子探测器两大类。物体峰值辐射波长 与物体的自身的绝对温度 成反比,即光敏电阻的光谱特性。光电倍增管的主要参数(2)光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。集电极电流是原始光电电流的倍。发光二极管产生多种颜色的光线,通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。光敏晶闸管(LCR)又称为光控晶闸管用光电开关检测物体时,大部分只要求其输出信号有“高低”之分即可。在没有受到光照射时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流被称为暗电流。光敏晶闸管(LCR)又称为光控晶闸管光敏电阻的光谱特性。(1)光敏电阻的原理和结构。当没有光照射时,其反向电阻很大,
13、反向电流很小,这种反向电流称为暗电流。1光纤传感器工作原理常用的光电池有两种,一种是金属半导体型,另一种是PN结型,如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。2023-2-927 光敏晶闸管 光敏晶闸管(LCR)又称为光控晶闸管 光敏晶闸管的特点是工作电压很高,有的可达数百伏,导通电流比光敏三极管大得多,因此输出功率很大,在自动检测控制和日常生活中应用会越来越广泛。2023-2-928光敏晶闸管外形光敏面2023-2-929(2)光敏晶体管的基本特性。光谱特性。相对灵敏度100806040200入 射 光锗硅波 长(m)(%)0.421.61.20.82023-2-930 伏安特性 2023-2-93
14、1 光敏晶体管的光照特性2023-2-932 光敏晶体管的温度特性2023-2-933 光敏晶体管的频率特性2023-2-934.电池 光电池的工作原理是基于光生伏特效应,当光照射到光电池上时,可以直接输出光电流。常用的光电池有两种,一种是金属半导体型,另一种是PN结型,如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。2023-2-935硅光电池的结构及工作原理 用导线连接P区和N区,电路中就有电流流过 2023-2-936光电池外形光敏面光敏面红外发射、接收对管外形光纤传感器可以分为两大类:一类是功能型(传感型)传感器;物体温度越高,它辐射出来的能量就越大,公式表示为。(1)光敏电阻的原理和结构。因安装场
15、地窄小,不能使用其它传感器的场合;因光纤传感器具有传输损耗小、灵敏度高、体积小、抗干扰能力强等特点。光敏电阻受到光照时,由于内光电效应,因而其导电性能增强而电阻R0值下降,所以流过负载电阻RL的电流光敏晶闸管的特点是工作电压很高,有的可达数百伏,导通电流比光敏三极管大得多,因此输出功率很大,在自动检测控制和日常生活中应用会越来越广泛。只要满足全反射条件,光线仍继续前进。红外传感器是用来检测物体红外辐射的敏感器件。包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列,可用于分光镜。用导线连接P区和N区,电路中就有电流流过因此,在很微弱的光照下,光电倍增管也能产生很大的光电流。1光纤传感器工作原理物
16、体峰值辐射波长 与物体的自身的绝对温度 成反比,即不同颜色的光子由于其光波频率不同其能量也是不同的,绿光光子比红光光子具有更多的能量,照射在物体上可看作是一连串具有能量为E的粒子轰击在物体上。物体温度越高,它辐射出来的能量就越大,公式表示为。中心的圆柱体叫做纤芯,围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。红外发射、接收对管外形(2)光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。2023-2-937能提供较大电流的大面积光电池外形2023-2-938光电池在动力方面的应用(续)光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用2023-2-939典型的光电开关结构 1发光元件 2接收元件 3壳体 4导线 5反射物 6
17、窗体 2023-2-940 光电开关外形2023-2-941应用范围 用光电开关检测物体时,大部分只要求其输出信号有“高低”之分即可。2023-2-942 光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。2023-2-943光电传感器的应用 1、烟尘浊度监测仪 烟囱里的烟尘浊度是通过光在烟囱里传输时的变化大小来检测的。如果烟尘浊度增加,那么光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射就会增加,使到达接收端的光减少,因而光检测器输出的信号就会减弱;反之,烟尘浊度减少,光检测器输出的信号就会增
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