第7章-光電檢測課程輔導課件

第7章光電檢測技術7.1概述7.2光電效應7.3光電器件7.4光電檢測應用實例1光電檢測的原理圖被測量通過對輻射源或者光學通路的影響將待測信息調制到光波上，通常改變光波的強度、相位、空間分布和頻譜分布等，光電器件將光信號轉換成電信號。電信號經過后續(xù)電路的解調分離出被測信息，從而實現(xiàn)對被測量的測量任務。輻射源光學通路光電器件輸出被測量被測量2光電效應是指物體吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的能量，從而產生的電效應。光電傳感器的工作原理基于光電效應。光電效應分為：外光電效應內光電效應3外光電效應在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦墓怆娖骷汗怆姽芄怆姳对龉?內光電效應當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內光電效應，它多發(fā)生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為：光電導效應光生伏特效應51.光電導效應在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻。6外光電效應器件利用物質在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應而制成的光電器件。一般都是真空的或充氣的光電器件。光電管光電倍增管9光電管1.結構與工作原理光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。光電管的結構示意圖光陽極光電陰極光窗102.主要性能伏安特性*光照特性*光譜特性*響應時間峰值探測率溫度特性11光電倍增管當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，只有零點幾μA，很不容易探測，即使光電流能被放大，但噪聲也同時被放大了。為了克服這個缺點，就要采用光電倍增管對電流進行放大。12結構和工作原理由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。次陰極是在鎳或銅-鈹的襯底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達30級；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數是陰極發(fā)射電子數的105~106倍。入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極131.結構和工作原理光電倍增管的放大倍數可達幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產生很大的光電流。14內光電效應器件利用物質在光的照射下電導性能改變或產生電動勢的光電器件稱內光電效應器件。光敏電阻光電池光敏晶體管15光敏電阻光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。優(yōu)點靈敏度高，光譜響應范圍寬，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。不足需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。

16光敏電阻的結構RG1234567(a)結構(b)電極(c)符號CdS光敏電阻的結構和符號1光導層2玻璃窗口3金屬外殼4電極5陶瓷基座6黑色絕緣玻璃7電阻引線172.光敏電阻的工作原理光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。RGRLEI18主要參數光敏電阻在室溫條件下，全暗后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，稱為暗電流。光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差，稱為光電流。19主要參數光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流要小，光電流要大，這樣的光敏電阻靈敏度就高。實際上，大多數光敏電阻的暗電阻往往超過1M，甚至高達100M，而亮電阻既使在正常白晝條件下也可降到1k以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度是相當高的20光電池光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)電式有源元件。21光電池的結構和工作原理硅光電池的結構如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(如硼)形成PN結。光電池的示意圖+光PN－SiO2RL(a)光電池的結構圖I光(b)光電池的工作原理示意圖PN22IUIdUIRLIΦ(a)表示符號(b)基本電路(c)等效電路光電池符號和基本工作電路光電池的結構和工作原理23光敏二極管和光敏三極管1.光敏二極管光電二極管和光電池一樣，其基本結構也是一個PN結。它和光電池相比，重要的不同點是結面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾μA到幾十μA。241.光敏二極管光敏二極管的結構與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)。PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線

251.光敏二極管光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流。當光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。光敏二極管的光電流與照度之間呈線性關系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應用。262.光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。其結構與一般三極管很相似，具有電流增益，只是它的發(fā)射極一邊做的很大，以擴大光的照射面積，且其基極不接引線。當集電極加上正電壓，基極開路時，集電極處于反向偏置狀態(tài)。PPNNNPeb

bcRLEec27光電檢測應用實例光電比色高溫計轉速表煙塵濁度監(jiān)測儀太陽能電池電源28光電比色高溫計光電比色高溫計，根據普朗克定律通過測量在兩個波長下的輻射強度之比而確定物體的溫度。圖光電比色高溫計的結構原理1物鏡2平面玻璃3光闌4光導棒5分光鏡6濾光片7硅光電池8濾光片9硅光電池10瞄準反射鏡11圓柱反射鏡12目鏡13多夫棱鏡14、15硅光電池負載電阻16可逆電機17電子電位差計29轉速表在被測轉速的電機上固定一個調制盤，將光源發(fā)出的恒定光調制成隨時間變化的調制光。光線每照射到光電器件上一次，光電器件就產生一個電信號脈沖，經放大器整形后記錄。231在待測轉速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當轉軸轉動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉換為電脈沖信號。30煙塵濁度監(jiān)測儀防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。31煙塵濁度監(jiān)測儀平行光源光電探測放大顯示刻度校正報警器吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖煙道32光電池應用光電池主要有兩大類型的應用：將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉換成電能，即太陽能電池。將光電池作光電轉換器件應用，需要光電池具有靈敏度高、響應時間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉換