光電陰極靈敏和光電倍增管的總靈敏

光電陰極靈敏和光電倍增管的總靈敏第1頁/共77頁2023/3/252引言光電式傳感器是把被測物理量的變化先轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后再通過光電轉(zhuǎn)換元件把光信號變換成電信號的一種傳感器。光電式傳感器的測量方法靈活多樣，并且具有使用方便、非接觸、高精度、高分辨力、高可靠性和反應(yīng)快等一系列優(yōu)點，因而發(fā)展十分迅速，而且隨著激光、光柵、光導(dǎo)纖維、CCD等器件的相繼問世，光電傳感器在檢測及自動控制領(lǐng)域中得到了更廣泛的應(yīng)用。第2頁/共77頁2023/3/2537.1.1光電效應(yīng)所謂光電效應(yīng)是指在光的照射下一些金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料釋放電子的現(xiàn)象。光子是具有一定能量的微粒，是以光速運動的粒子流。每一個光子都具有一定的能量，它的能量大小E與其頻率

成正比。7.1光電傳感器第3頁/共77頁2023/3/2547.1.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。當(dāng)物體在光的作用下所釋放的電子沒有逸出物體表面，而只在物體的內(nèi)部運動并使物體的電學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)多產(chǎn)生于半導(dǎo)體材料內(nèi)。當(dāng)物體在光的作用下使物體中的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象，叫做外光電效應(yīng)，外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬或金屬氧化物內(nèi)。第4頁/共77頁2023/3/255特點光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。不同顏色的光子由于其光波頻率不同其能量也是不同的，綠光光子比紅光光子具有更多的能量，照射在物體上可看作是一連串具有能量為E的粒子轟擊在物體上。光子與物質(zhì)間的連接體是電子。第5頁/共77頁2023/3/2567.1.2外光電效應(yīng)器件光電管第6頁/共77頁2023/3/2577.1.2外光電效應(yīng)器件光電管的伏安特性曲線第7頁/共77頁2023/3/2587.1.2外光電效應(yīng)器件光電管的光照特性第8頁/共77頁2023/3/2597.1.2外光電效應(yīng)器件光電管的光譜特性曲線第9頁/共77頁2023/3/25107.1.2外光電效應(yīng)器件光電倍增管第10頁/共77頁2023/3/25117.1.2外光電效應(yīng)器件光電倍增管的工作原理

基于外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)基礎(chǔ)上。在光電倍增管的各倍增電極D1、D2、D3…和陽極上，依次有逐漸增高的正電壓，即陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高，而且相鄰兩極之間電壓應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于1。在入射光作用下，光電陰極發(fā)射的光電子在D1電場作用下，以高速向倍增電極D1打去，產(chǎn)生二次發(fā)射，于是更多的二次發(fā)射電子又在D2電場作用下，射向第二倍增電極，激發(fā)更多的次發(fā)射電子，如此下去，一個光電子將激發(fā)更多的二次發(fā)射電子，如此不斷倍增，最后陽極收集到的電子數(shù)將達到陰極發(fā)射電子數(shù)的105～106倍，即光電倍增管的放大倍數(shù)可達到幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬到幾百萬倍。因此，在很微弱的光照下，光電倍增管也能產(chǎn)生很大的光電流。第11頁/共77頁2023/3/25127.1.2外光電效應(yīng)器件光電倍增管的主要參數(shù)

（1)倍增系數(shù)M。（2)光電陰極靈敏度和光電倍增管的總靈敏度。第12頁/共77頁2023/3/25137.1.3內(nèi)光電效應(yīng)器件光電倍增管的主要參數(shù)

（1）倍增系數(shù)M。（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管的總靈敏度。第13頁/共77頁2023/3/25141．光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電元件。它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等特點第14頁/共77頁2023/3/2515（1）光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)。光敏電阻受到光照時，由于內(nèi)光電效應(yīng)，因而其導(dǎo)電性能增強而電阻R0值下降，所以流過負載電阻RL的電流及其兩端電壓會發(fā)生變化。一般而言，光線越強，電流越大。當(dāng)光照停止時，光電效應(yīng)會立即消失，電阻又恢復(fù)原值。第15頁/共77頁2023/3/2516光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到光照時，阻值減小。第16頁/共77頁2023/3/2517（2）光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)。光敏電阻的伏安特性。光敏電阻的伏安特性第17頁/共77頁2023/3/2518光敏電阻的頻率特性光敏電阻的光譜特性。第18頁/共77頁2023/3/2519光敏電阻的頻率特性暗電阻、亮電阻與光電流。光敏電阻在受到光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。在沒有受到光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流被稱為暗電流。第19頁/共77頁2023/3/2520光敏電阻的溫度特性。第20頁/共77頁2023/3/25212．光敏晶體管光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，目前廣泛應(yīng)用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機轉(zhuǎn)速的檢測、光電讀出裝置等場合。光敏晶閘管主要應(yīng)用于光控開關(guān)電路第21頁/共77頁2023/3/2522（1）光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理①光敏二極管。通常處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)沒有光照射時，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。1—負極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡5—正極引腳6—N型襯底7—SiO2保護圈

8—SiO2透明保護層9—鋁引出電極10—P型擴散層11—PN結(jié)12—金屬引出線第22頁/共77頁2023/3/2523光敏二極管外形

光敏二極管陣列

包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。第23頁/共77頁2023/3/2524紅外發(fā)射、接收對管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管第24頁/共77頁2023/3/2525②光敏三極管集電極電流是原始光電電流的β倍。因此，光敏三極管比光敏二極管的靈敏度高許多倍。光敏三極管第25頁/共77頁2023/3/2526②光敏三極管外形

第26頁/共77頁2023/3/2527③光敏晶閘管光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管光敏晶閘管的特點是工作電壓很高，有的可達數(shù)百伏，導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，因此輸出功率很大，在自動檢測控制和日常生活中應(yīng)用會越來越廣泛。第27頁/共77頁2023/3/2528光敏晶閘管外形光敏面第28頁/共77頁2023/3/2529（2）光敏晶體管的基本特性。①光譜特性。

第29頁/共77頁2023/3/2530②伏安特性第30頁/共77頁2023/3/2531③光敏晶體管的光照特性第31頁/共77頁2023/3/2532

④光敏晶體管的溫度特性第32頁/共77頁2023/3/2533⑤光敏晶體管的頻率特性第33頁/共77頁2023/3/2534.電池光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)，當(dāng)光照射到光電池上時，可以直接輸出光電流。常用的光電池有兩種，一種是金屬—半導(dǎo)體型，另一種是PN結(jié)型，如硒光電池、硅光電池、鍺光電池等。第34頁/共77頁2023/3/2535硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就有電流流過第35頁/共77頁2023/3/2536光電池外形光敏面第36頁/共77頁2023/3/2537能提供較大電流的大面積光電池外形第37頁/共77頁2023/3/2538光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用第38頁/共77頁2023/3/2539典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)1—發(fā)光元件2—接收元件3—殼體

4—導(dǎo)線5—反射物6—窗體第39頁/共77頁2023/3/2540

光電開關(guān)外形第40頁/共77頁2023/3/2541應(yīng)用范圍用光電開關(guān)檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高—低”之分即可。第41頁/共77頁2023/3/2542光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中用作物體檢測、產(chǎn)品計數(shù)、料位檢測、尺寸控制、安全報警及計算機輸入接口等用途。第42頁/共77頁2023/3/25437.1.4光電傳感器的應(yīng)用1、煙塵濁度監(jiān)測儀煙囪里的煙塵濁度是通過光在煙囪里傳輸時的變化大小來檢測的。如果煙塵濁度增加，那么光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射就會增加，使到達接收端的光減少，因而光檢測器輸出的信號就會減弱；反之，煙塵濁度減少，光檢測器輸出的信號就會增強。第43頁/共77頁2023/3/25447.1.4光電傳感器的應(yīng)用吸收式煙塵濁度檢測儀框圖第44頁/共77頁2023/3/25457.1.4光電傳感器的應(yīng)用2、光電轉(zhuǎn)速傳感器

如圖所示為在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達由光敏晶體管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。第45頁/共77頁2023/3/25467.1.4光電傳感器的應(yīng)用光電脈沖轉(zhuǎn)換電路第46頁/共77頁2023/3/25477.2紅外傳感器紅外傳感器是用來檢測物體紅外輻射的敏感器件。所謂紅外輻射就是紅外光，紅外光是太陽光譜的一部分，其波長范圍為0.76～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分：近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外。第47頁/共77頁2023/3/25487.2.1紅外輻射的基本定律1、斯忒藩—玻爾茲曼定律物體溫度越高，它輻射出來的能量就越大，公式表示為。第48頁/共77頁2023/3/25497.2.1紅外輻射的基本定律2、希爾霍夫定律

若幾個物體處于同一溫度場中，各物體的熱發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)，這就是希爾霍夫定律。其表示公式為第49頁/共77頁2023/3/25507.2.1紅外輻射的基本定律3、維恩位移定律

熱輻射發(fā)射的電磁波中包含著各種波長。物體峰值輻射波長

與物體的自身的絕對溫度

成反比，即第50頁/共77頁2023/3/25517.2.2紅外傳感器的組成及原理紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件（也叫探測器）、前置放大器和信號調(diào)制器等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物體相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。第51頁/共77頁2023/3/25527.2.3紅外傳感器的應(yīng)用1、紅外測溫儀第52頁/共77頁2023/3/25537.2.3紅外傳感器的應(yīng)用2、紅外線氣體分析儀根據(jù)紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對氣體成分進行分析。第53頁/共77頁2023/3/2554

7.3光纖傳感器7.3.1光纖傳感器概述20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來

優(yōu)點，如不受電磁干擾、體積小、重量輕、可撓曲、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、易與微機連接、便于遙測等。它能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和pH值等各種物理量的測量，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。第54頁/共77頁2023/3/2555分類光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器。單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為2～12μm，很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。第55頁/共77頁2023/3/2556各種裝飾性光導(dǎo)纖維第56頁/共77頁2023/3/2557

發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計算機控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。上海東方明珠第57頁/共77頁2023/3/25587.3.1光纖的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維簡稱為光纖，目前基本上還是采用石英玻璃，其結(jié)構(gòu)如圖所示。中心的圓柱體叫做纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。1．光纖的結(jié)構(gòu)第58頁/共77頁2023/3/2559光纖的結(jié)構(gòu)第59頁/共77頁2023/3/2560光纖的結(jié)構(gòu)

第60頁/共77頁2023/3/2561光纖傳感器外形

第61頁/共77頁2023/3/25627.3.2光纖的分類(1)按光纖的折射率可分為階躍型和梯度型。(2)按傳輸模數(shù)可分為單模光纖和多模光纖第62頁/共77頁2023/3/25637.3.3光纖的傳光原理光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。第63頁/共77頁2023/3/2564只要滿足全反射條件，光線仍繼續(xù)前進?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實際上是由光的全反射所形成的光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA

NA=sinθc=數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。第64頁/共77頁2023/3/25657.3.4光纖傳感器的工作原理及類型特點光纖傳感器是將光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖再送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光。已調(diào)制的信號光再經(jīng)光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，最終獲得被測量的參數(shù)。1．光纖傳感器工作原理第65頁/共77頁2023/3/25667.3.4光纖傳感器的工作原理及類型特點按光纖在傳感器中功能的不同，光纖傳感器可分為兩種類型，即非功能型(或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型)光纖傳感器（又稱光纖式光電傳感器）和功能性(或稱物性型、傳感型)光纖傳感器。前者常使用多模光纖，而后者常使用單模光纖。2、光纖傳感器的類型及組成第66頁/共77頁2023/3/2567光纖傳感器組成示意圖第67頁/共77頁2023/3/25687.3.4光纖傳感器的工作原理及類型特點（1）抗電磁干擾能力強。常用光纖主要是由電絕緣、耐腐蝕的SiO2做成，工作時利用光子傳輸信息，因而不怕電磁場干擾，加之電磁干擾噪聲的頻率與光頻相比很低，對光波沒有干擾；此外，光波易于屏蔽，外界光頻性質(zhì)的干擾也很難進入光纖。（2）靈敏度高。（3）重量輕、體積小。（4）適于遙測?？梢岳霉馔ㄓ嵓夹g(shù)組成遙測網(wǎng)。3、光纖傳感器的特點第68頁/共77頁2023/3/25697.3.5