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1、关于光电式传感器关于光电式传感器第1页，讲稿共41张，创作于星期一光电传感器的构成：光源、光学通路、光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。光电元件。应用：应用：1 1、光量变化的非电量；、光量变化的非电量；2 2、能转换成光量变化的其他非电量。、能转换成光量变化的其他非电量。特点：非接触、响应快、性能可靠。特点：非接触、响应快、性能可靠。被测量被测量的变化的变化光信号光信号的变化的变化电信号电信号的变化的变化第2页，讲稿共41张，创作于星期一 光光电电式式传传感感器器的的应应用用可可归归纳纳为为四四种种基基本本形形式式，即即辐辐射射式式(直直射射式式)、吸吸收收式式、遮遮光光式式、反射式
2、、。反射式、。第3页，讲稿共41张，创作于星期一第4页，讲稿共41张，创作于星期一第5页，讲稿共41张，创作于星期一第6页，讲稿共41张，创作于星期一8.1 8.1 概概 述述8.1.1 光的特性光的特性光波是波长为光波是波长为10106nm的电磁波。的电磁波。1000,000 nm1000,000 nm10 nm10 nm780 nm780 nm380 nm380 nm可见光可见光可见光可见光红外光红外光红外光红外光紫外光紫外光紫外光紫外光性质：性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。干涉和吸收等性质。第7页，讲稿共41张，创作于星期一1905
3、1905年年，爱爱因因斯斯坦坦提提出出了了光光子子假假设设：光光在在空空间间传传播播时时，是是不不连连续续的的，也也具具有有粒粒子子性性，即即一一束束光光是是一一束束以以光光速速运运动动的的粒粒子子流流，爱爱因因斯斯坦坦把把这这些些不不连连续续的的量量子子称称为为“光光量量子子”。19261926年年，美美国国物物理理学学家家刘刘易易斯斯把把这这一一名名词词改改称称为为“光子光子”，并沿用至今。，并沿用至今。每个光子的能量为每个光子的能量为 E E=h h 可见，光的频率愈高，可见，光的频率愈高，光子的能量愈大。光子的能量愈大。第8页，讲稿共41张，创作于星期一8.2.2 光源（发光器件）光源
4、（发光器件）1.白炽光源白炽光源最为普通的是最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射白炽灯的辐射光谱是连续的光谱是连续的。发光范围：发光范围：320 nm2500 nm320 nm2500 nm,所以任何光敏元件所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。都能和它配合接收到光信号。特点：特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。处。第9页，讲稿共41张，创作于星期一2.气体放电光源气体放电光源利用电流通过气体产生发光现
5、象制成的灯即利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电灯。气体放电灯。它的光谱是它的光谱是不连续不连续的，的，光谱与气体的种类及放光谱与气体的种类及放电条件有关电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。谱范围的辐射。第10页，讲稿共41张，创作于星期一汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光源，统称为光谱灯光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为，钠灯的辐射波长为58
6、9nm，可被用作单色，可被用作单色光源。光源。如果光谱灯涂以荧如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。日光灯。气体放电灯消耗的能气体放电灯消耗的能量为白炽灯量为白炽灯1/2-1/3。第11页，讲稿共41张，创作于星期一构成：构成：由由半导体半导体PNPN结结构成。构成。特点：特点：工作电压低、响应速度快、寿命长、体工作电压低、响应速度快、寿命长、体积
7、小、重量轻，因此获得了广泛的应用。积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。3.发光二极管（发光二极管（LEDLight Emitting Diode）第12页，讲稿共41张，创作于星期一R RU UNP+-UiD+_原理：原理：当加正向电压时当加正向电压时，势垒降低，电子由，势垒降低，电子由N N区注入到区注入到P P区，和区，和P P区里的空穴复合；空穴则由区里的空穴复合；空穴则由P P区注入到区注入到N N区，区，和和N N区里的电子复合，这种电子空穴对的区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时复合同时伴随着光子的放出伴随着光子的放出，因而发光。，因而发光。第13页，讲稿共41张，创作于星期一
8、 电电子子和和空空穴穴复复合合，所所释释放放的的能能量量等等于于PNPN结结的的禁禁带带宽宽度度（即即能能量量间间隙隙）E Eg g。所所放放出出的的光光子子能能量量用用hh表示，有表示，有普朗克常数普朗克常数h h=6.610=6.610-34-34J.sJ.s；光速光速c c=310=3108 8m/sm/s；hc=19.810-26mWs=12.410-7meV第14页，讲稿共41张，创作于星期一Eg的单位为的单位为eV，1eV=1.6 10-19J。可见光的波长可见光的波长 近似地认为在近似地认为在710-7m以下，以下，所以制作可见光区的发光二极管，其材料所以制作可见光区的发光二极管
9、，其材料的禁带宽度至少应大于的禁带宽度至少应大于 h c/=1.8 eV 普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度禁带宽度E Eg g分别为分别为1.12eV1.12eV和和 0.670.67 eVeV，显然，显然不能使用。不能使用。第15页，讲稿共41张，创作于星期一通通常常用用的的砷砷化化镓镓和和磷磷化化镓镓两两种种材材料料固固溶溶体体，写写作作GaAsGaAs1-x1-xP Px x，x x代代表表磷磷化化镓镓的的比比例例，当当x x0.350.35时时，可可得得到到Eg1.8eVEg1.8eV的的材材料料。改改变变x x值值还还可可以以决
10、决定定发发光光波波长长，使使 在在550550900nm900nm间间变化。变化。第16页，讲稿共41张，创作于星期一与与此此相相似似的的可可供供制制作作发发光光二二极极管管的的材材料料见见下下表：表：材料材料波长波长/nm/nm材料材料波长波长/nm/nmZnSZnS340340CuSe-ZnSeCuSe-ZnSe400400630630SiCSiC480480ZnZnx xCdCd1-x1-xTeTe590590830830GaPGaP565,680565,680GaAsGaAs1-x1-xP Px x550550900900GaAsGaAs900900InPInPx xAsAs1-x1-
11、x91091031503150InPInP920920InInx xGaGa1-x1-xAsAs85085013501350 LED LED材料材料第17页，讲稿共41张，创作于星期一 发发光光二二极极管管的的光光谱谱特特性性如如图图所所示示。图图中中砷砷磷磷化化镓镓曲曲线线有有两两根根，这这是是因因为为其其材材质质成成分分稍稍有有差差异异而而得得到到不不同同的的峰峰值值波波长长 p p。除除峰峰值值波波长长 p p决决定定发发光光颜颜色色之之外外，峰峰的的宽宽度度（用用 描描述述）决定光的色彩纯度，决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。越小，其光色越纯。第18页，讲稿共41张，创作于星期一发光
12、二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性0.20.20.40.40.60.60.80.8 1.01.0 0 060060070070080080090090010001000GaAsPGaAsPp=670nmp=670nmp=670nmp=670nmp=655nmp=655nmp=655nmp=655nmGaAsPGaAsPp=565nmp=565nmp=565nmp=565nmGaPGaPp=950nmp=950nmp=950nmp=950nmGaAsGaAs/nmnmnmnm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度 第19页，讲稿共41张，创作于星期一U U U U/V/V/V/V I I I
13、 I/mA/mA/mA/mA -10-10-10-10 -5-5-5-5 0 0 0 0 1 1 1 12 2 2 2GaAsP(GaAsP(GaAsP(GaAsP(红红红红)GaAsP(GaAsP(GaAsP(GaAsP(绿绿绿绿)反向电压应反向电压应在在5V5V以下以下!发发光光二二极极管管的的伏伏安安特特性性与与普普通通二二极极管管相相似似，但但随随材材料料禁禁带带宽宽度度的的不不同同，开开启启（点点燃燃）电电压压略略有有差差异异。红红色色约为约为1.7V1.7V开启，绿色约为开启，绿色约为2.2V2.2V。砷磷化镓发光二极管的伏安曲线砷磷化镓发光二极管的伏安曲线砷磷化镓发光二极管的伏安
14、曲线砷磷化镓发光二极管的伏安曲线第20页，讲稿共41张，创作于星期一4 4、激光器、激光器激光（激光（Laser:Light amplification by stimulated emission of radiation）是是2020世纪世纪6060年代出现的最重大科技成就之一。具有年代出现的最重大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度和高的相干高方向性、高单色性、高亮度和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从性四个重要特性。激光波长一般从0.15m0.15m到远红外整个光频波段范围。到远红外整个光频波段范围。X-X-射射线激光器。线激光器。第21页，讲稿共41张，创作于星期一激光器
15、种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：u固体激光器固体激光器（如红宝石激光器）（如红宝石激光器）u气气体体激激光光器器（如如氦氦-氖氖气气体体激激光光器器、二二氧氧化化碳激光器）碳激光器）u液体激光器液体激光器（染料激光器）。（染料激光器）。u半导体激光器半导体激光器（如砷化镓激光器）（如砷化镓激光器）第22页，讲稿共41张，创作于星期一（1 1）固体激光器）固体激光器 典典型实例是红宝石激光器，是型实例是红宝石激光器，是19601960年人类发明年人类发明的第一台激光器（的第一台激光器（T.Maiman）。）。工作物质为工作物质为红宝石红宝石-掺掺0.05%Cr+3 的的
16、Al2O3棒。棒。第23页，讲稿共41张，创作于星期一Nd:YAG激光器 掺掺 Nd+3 离子的激光器有三种离子的激光器有三种:玻璃玻璃钇铝石榴石钇铝石榴石氟化钇锂氟化钇锂（YLF：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12激活离子激活离子激活离子激活离子 基质基质基质基质钇铝石榴石钇铝石榴石第24页，讲稿共41张，创作于星期一（2 2）气体激光器）气体激光器工作物质是气体。工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子氪离子激
17、光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器激光器等，其形状像普通的放电管一样，能等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖了从紫外连续工作，单色性好。波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。到远红外的频谱区域。第25页，讲稿共41张，创作于星期一第26页，讲稿共41张，创作于星期一（3 3）液体激光器）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是机染料激光器，其中较为重要的是有机染料有机染料激光器激光器。它的最大特点是发出的激光波长。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降可在一段范围内调
18、节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。用。第27页，讲稿共41张，创作于星期一（4 4）半导体激光器）半导体激光器与与前前几几种种相相比比出出现现较较晚晚，其其成成熟熟产产品品是是砷砷化化镓镓激激光光器器。特特点点：效效率率高高、体体积积小小、重重量量轻轻、结结构构简简单单，适适宜宜在在飞飞机机、军军舰舰、坦坦克克上上应应用用以以及及步步兵兵随随身身携携带带。其其缺缺点点是是输输出出功功率率较较小小。目目前前半半导导体体激激光光器器可可选选择择的的波波长长主主要要局局限限在在红光和红外区域。红光和红外区域。第28页，讲稿共41张，创作于
19、星期一8.2.1 外光电效应外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外发射的现象叫做外光电效应。外光电效应。8.2 光电效应光电效应两类：外光电效应和内光电效应。两类：外光电效应和内光电效应。第29页，讲稿共41张，创作于星期一1887年，首先是赫兹（年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波）在证明波动理论实验中首次发现的；动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法
20、根光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释据当时的理论加以解释；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。年，爱因斯坦提出了光子假设。第30页，讲稿共41张，创作于星期一爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程：1.1.光电子能否产生，取决于光子的能量是光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功否大于该物体的表面电子逸出功A A。2.2.一定时，产生的光电流和光强成正比。一定时，产生的光电流和光强成正比。3.3.逸出的光电子具有动能。逸出的光电子具有动能。基于外光电效应的光电器件有光电管、光基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。电倍增管。第31页，讲稿共
21、41张，创作于星期一8.2.2 内光电效应内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）光生伏特效应（光伏效应）。1光电导效应光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。的变化。第32页，讲稿共41张，创作于星期一自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带禁带禁带禁带禁带导带
22、导带导带导带价带价带价带价带 Eg电子能量电子能量E Eh Eg g当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。率变大。第33页，讲稿共41张，创作于星期一基于这种效应的光电器件有光敏电阻。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。第34页，讲稿共41张，创作于星期一势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）光照射光照射PNPN结时，若结时，若h h EgEg，使价带中的，使价
23、带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡阻挡层内电场层内电场的作用下，电子偏向的作用下，电子偏向N N区外侧，空穴区外侧，空穴偏向偏向P P区外侧，使区外侧，使P P区带正电，区带正电，N N区带负电，区带负电，形成光生电动势。形成光生电动势。光生伏特效应：光生伏特效应：在光作用下能使物体产在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。有光电池和光敏二极管、三极管。P PN N第35页，讲稿共41张，创作于星期一侧向光电效应侧向光电效应 当当半半导导体体光光电电器器件件
24、受受光光照照不不均均匀匀时时，光光照照部部分分产产生生电电子子空空穴穴对对，载载流流子子浓浓度度比比未未受受光光照照部部分分的的大大，出出现现了了载载流流子子浓浓度度梯梯度度，引引起起载载流流子子扩扩散散，如如果果电电子子比比空空穴穴扩扩散散得得快快，导导致致光光照照部部分分带带正正电电，未未照照部部分分带带负负电电，从从而而产生电动势，即为产生电动势，即为侧向光电效应侧向光电效应。第36页，讲稿共41张，创作于星期一8.3.1光电管及其基本特性光电管及其基本特性 结构与工作原理结构与工作原理8.3外光电效应器件外光电效应器件第37页，讲稿共41张，创作于星期一主要性能主要性能（1 1）光电管
25、的）光电管的伏安特性伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与在一定的光照射下，对光电器件的阴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。阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。真空光电管真空光电管 充气光电管充气光电管15015010010050502 20 020lm20lm40lm40lm60lm60lm80lm80lm100lm100lm120lm120lm4 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/A/A/A/A2 20 01001005050弱光弱光弱光弱光强光强光强光强光150
26、1504 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/A/A/A/A第38页，讲稿共41张，创作于星期一（2 2）光电管的）光电管的光照特性光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的光照特性曲线的斜率称为光电管斜率称为光电管的灵敏度。的灵敏度。图图8-5 8-5 光电管的光照特性光电管的光照特性2525505075751001002 20 00.50.51.51.5 2.02.0/1m/1mI IA A/A/A1.0
27、1.02.52.51 11-1-氧铯阴极氧铯阴极氧铯阴极氧铯阴极2-2-锑铯阴极锑铯阴极锑铯阴极锑铯阴极第39页，讲稿共41张，创作于星期一(3)(3)光电管的光谱特性光电管的光谱特性 一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。频率，因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。同。以以GD-4型光电管为例，阴极是用型光电管为例，阴极是用锑铯锑铯材料制成，材料制成，其其红限红限c=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。自动检测仪表中。第40页，讲稿共41张，创作于星期一感感谢谢大大家家观观看看第41页，讲稿共41张，创作于星期一