第10章光电式传感器.pptx
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1、第第1010章章 光电式传感器光电式传感器概述 指纹锁指纹锁门禁门禁光光电电鼠鼠标标第1页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器概述 料位自动控制光电开关第2页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器概述 光栅光栅光纤光纤光电管光电管光敏电阻光敏电阻第3页/共57页 10.1 10.1 光电效应 第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 传传统统的的光光敏敏器器件件利利用用各各种种光光电电效效应应,光光电电效应可分为:效应可分为:外外光光电电效效应应:在在光光线线作作用用下下能能使使电电子子逸逸出出物物体体表表面面的的现现象象
2、称称为为外外光光电电效效应应,基基于于外外光光电电效效应应的的光光电电元元件件有有光光电电管管,光光电倍增管电倍增管等。等。内光电效应内光电效应 光电导效应:在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为光电导效应,基于内光电效应的光电元件有光敏电阻,光敏晶体管等。光生伏特效应:在光线作用下物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应,基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。第4页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器 10.1 10.1 光电效应 工作原理工作原理工作原理工作原理 (1)(1)外光电效应外光电效应 在光线作用下,电子逸出物体表面向外发射称外在光线作用下,电子逸出物体表
3、面向外发射称外光电效应。光电效应。光照射物体时,电子吸收入射光子的能量,每个光照射物体时,电子吸收入射光子的能量,每个光子具有的能量是:光子具有的能量是:普朗克常数普朗克常数()光的频率(光的频率(Hz),波长短,频率高,能量),波长短,频率高,能量大第5页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器 10.1 10.1 光电效应 工作原理工作原理工作原理工作原理 如果光子的能量E大于电子的逸出功A,超出的能量表现在电子逸出的功能,电子逸出物体表面,产生光电子发射。能否产生光电效应,取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。由能量守恒定律有:由能量守恒定律有:第6页/共57页第第1
4、010章章 光电式传感器光电式传感器u光电导效应:入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有,为使电子从价带激发到导带,入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。10.1 10.1 光电效应工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应第7页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器 10.1 10.1 光电效应工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应u光生伏特效应:光生伏特效应是半导体材料吸收光能后,在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢?
5、有下面两种情况:不加偏压的不加偏压的PNPN结结 处于反偏的处于反偏的PNPN结结第8页/共57页第10章 光电传感器不加偏压的PN结当光照射在PN结时,如果电子能量大于半导体禁带宽度(E0Eg),可激发出电子空穴对,在PN结内电场作用下空穴移向P区,而电子移向N区,使P区和N区之间产生电压,这个电压就是光生电动势.基于这种效应的器件有光电池 10.1 10.1 光电效应工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应第9页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器 处于反偏的PN结:无光照时,反向电阻很大,反向电流很小;有光照时,光子能量足够大产生光生电子空穴对,
6、在PN结电场作用下,形成光电流,电流方向与反向电流一致,光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有:光敏二极管、光敏晶体管.10.1 10.1 光电效应工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应第10页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件 (1 1)光电管)光电管 当光线照射在光敏材料上时,如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时,如果光子的能量E E大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A(E EA A),会有电子逸出产生),会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引,电子发射。电子被带有正电的阳极吸引,在光电管内形成电子
7、流,在光电管内形成电子流,电流在回路电阻电流在回路电阻R R上产生上产生正比于电流大小的压降。正比于电流大小的压降。因此因此第11页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件 (1 1)光电管)光电管第12页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件 (1 1)光电管)光电管第13页/共57页光电管器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。1.光电管的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阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如3图所示。
8、它是应用光电传感器参数的主要依据。(光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的区域内)图3a真空光电管的伏安特性图3b充气光电管的伏安特性第14页/共57页2.光电管的光照特性通常指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4图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性,光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性,它成非线性关系。光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之间比)称为光电管的灵敏度。图4光电管的光照特性第15页/共57页3.光电管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
9、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,它们有不同的极限频率,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极限频,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还会不同,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。第16页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件 (2 2)光电倍增管)光电倍增管 光照很弱时,光电管产生光照很弱时,光电管产生的电流很小,为提高灵敏度的电流很小,为提高灵敏度常常
10、使用光电倍增管。如核常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元是光电倍增管做光电转换元件。件。光电倍增管是利用二次电光电倍增管是利用二次电子释放效应,在外接电场的子释放效应,在外接电场的作用下高速电子撞击固体表作用下高速电子撞击固体表面,发出二次电子,将光电面,发出二次电子,将光电流在管内进行放大。流在管内进行放大。第17页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件(2 2)光电倍增管)光电倍增管第18页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极(
11、10个左右),在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压,每个倍增极间有100200V高压,电流增益在105数量极。倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为:式中:K常数N光电倍增管倍增极数 10.2 10.2 光电器件(2 2)光电倍增管)光电倍增管第19页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器上式可见,外加电压Ud的变化引起光电倍增管增益的变化,因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高,必须有极好的稳定性 10.2 10.2 光电器件(2 2)光电倍增管)光电倍增管增益变化为:增益变化为:第20页/共57页u光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做
12、光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm,极间电压越高,灵敏度越高;但极间电压也不能太高,太高反而会使阳极电流不稳。另外,由于光电倍增管的灵敏度很高,所以不能受强光照射,否则将会损坏。第21页/共57页u光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子,在很宽的光通量范围之内,这个关系是线性的,即入射光通量小于lm时,有较好的线性关系。光通量大,开始出现非线性,如图6所示。光电倍增管的光照特性第22页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传
13、感器 10.2 10.2 光电器件 (3 3)光敏电阻)光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应,其结构光敏电阻的工作原理是基于光电导效应,其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质,两是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质,两端有梳状金属电极,然后在半导体上覆盖一层漆膜。端有梳状金属电极,然后在半导体上覆盖一层漆膜。光敏电阻结构及符号第23页/共57页其优点是灵敏度高,光谱响应范围宽,体积小、重量轻、机械强度高,耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足有需要外部电源,有电流时会发热。第第1010章章 光电式传感器光电式传感器 10.2 光电器件 (3)光敏电阻第24页/共57页
14、第第1010章章 光电式传感器光电式传感器光敏电阻主要参数:暗电阻无光照时的电阻;暗电流无光照时的电流;亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流;光电流亮电流与暗电流之差称光电流。10.2 光电器件(3)光敏电阻光敏电阻要求:暗电阻要大(暗电流要小),亮电阻要小,光电流要大。第25页/共57页第第1010章章 光电式传感器光电式传感器 伏安特性:在一定照度下,光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。给定偏压 光照越大光电流越大;给定光照度 电压越大光电流越大;光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和,但受最大功耗限制。10.2 光电器件(3)光敏电阻基本特性光敏电阻伏安特性第26页/共57页第第10
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