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1、8-1概述X1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式，X2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。光，可以直接作为被检测量X1，亦可作为被测量X2的中间媒介第1页/共54页硅光电池硅光电池反反射射型型光光电电传传感感器器光电管光电管第2页/共54页冲床安全保护器 光电保护响应时间20ms，光电保护工作寿命106次，紧急制动时间200ms，第3页/共54页光的特性常用光源光电导效应光的调制频率能量光电转换元件光源光通路光电阻光电管光电池第4页/共54页8-2光源8-2-1对光源的要求1、必须有足够的照度2、应保证均匀、无遮挡或阴影3、照射方式应符合测量方式4、发热量尽可能小5、必需具有合适的
2、光谱范围第5页/共54页8.2-2光的特性波长、频率、能量一、波长光是电磁波谱中一员，按波长划分：波长：10纳米1毫米电磁波微波短波长波波长：1毫米1米波长：1米10米波长：10米100米波长：100米1000米波长：1000米波长：10纳米射线第6页/共54页电磁波波谱分布图第7页/共54页光波：波长为10纳米1毫米的电磁波可见光：波长380780纳米红外线：波长780纳米1毫米近红外线：波长3微米的近紫外远紫外可见光近红外远红外极远紫外0.01（10nm）0.11100.050.55波长/m紫外线：波长38010 纳米 近紫外线：波长380300 纳米 远紫外线：波长300200 纳米 极
3、远紫外线：波长20010 纳米第8页/共54页二、光波的频率：C/，与波长成反比其中：C光速，C3108m/s 300GHz30MGHz电磁波短波300MHz300GHz30MHz300MHz3MHz30MHz300KHz3MHz30KHz 300KHz30MGHz第9页/共54页三、光的能量1、光子的能量：h hC/，h普朗克常数，频率，波长光是由能量相同的一束粒子(光子)组成，2、光的能量光子数光子能量光的能量与频率成正比近紫外远紫外可见光近红外远红外极远紫外0.01m（10nm）0.11100.050.55波长/m第10页/共54页8.2.3常用光源及特性1.热辐射光源温度越高，光越亮常
4、用：白炽灯、卤素灯发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，辐射光谱是连续；任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：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，是可取之处。第11页/共54页2.气体放电光源定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。光谱与气体的种类及放电条件有关。特点：光谱是不连续的，可用作单色光源。消耗能量仅为白炽灯1/21/3。如涂以荧光剂，可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。第12页/共54页3.发光二极管（LED）发光范围：与材料有关，有可见光、红外光。参数：峰值波长p决定发光颜色，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度。特点：
5、其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。p=565nm0.20.40.60.81.0 06007008009001000p=670nmp=655nmGaAsPp=950nmGaAs 发光二极管的光谱特性/nm相对灵敏度GaPp=655nmGaAsP第13页/共54页*白光LED发光原理：单晶型和多晶型两类单晶型：单色的LED发光二极管加上相应的荧光粉单晶型通常采用两种方式：蓝光LED发光二极管激发黄色荧光粉产生白光，紫外光LED激发RGB三波长萤光粉来产生白光。第14页/共54页4.激光器激光的三个重要特性：高方向性、高单色性、高亮度发光范围：波长从0.24m到
6、远红外整个光频波段范围。激光器种类（按工作物质分）：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器。第15页/共54页全固化固体激光器大功率激光二极管取代闪光灯泵浦优点：（1）转换效率高；（2）性能可靠、寿命长；（3）输出光束质量好第16页/共54页8.3光电效应及器件v光电传感器的工作原理基于光电效应。v光电效应：指物体将吸收的光能转换为该物体中某些电子的能量，而产生的电效应。分为外光电效应和内光电效应。第17页/共54页8.3.1外光电效应及器件一、外光电效应：在光的照射下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。v为使电子从物体表面逸出，光子的能量应大于该物体的表面逸出功
7、A0。超过部分的能量表现为逸出电子的动能。第18页/共54页光电效应产生的条件二、红限频率与临界波长红 限 频 率 f0：对 应某一种物质的光频阀值,f0A0/h红限波长：对应红限频率的波长称为临界波长，0 hC/A0第19页/共54页三、基于外光电效应原理工作的光电器件1、构成：装有光电阴极和阳极的真空玻璃管，（一）光电管2、工作原理:光阴极受到适当光照射后发射电子，电子被阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。第20页/共54页3、光电管的光照特性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。光电管的灵敏度：光照特性曲线的斜率光电管的光照特性2550751
8、00200.51.52.0/1mIA/A1.02.51与光照有关的单位制与光照有关的单位制辐射度学辐射度学光度学光度学光子学光子学光通量光通量瓦瓦 W流明流明 lm光子光子/s能量能量焦耳焦耳 J流明流明 lm光子光子第21页/共54页（二）光电倍增管PhotoMultiplierTube，简称PMT入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流只有零点几A，很不容易探测。常用光电倍增管对电流进行放大。1.结构和工作原理构成：由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的。第22页/共54页工作原理利用二次电子释放效应,将光电流放大。阳极收集到的电子数是
9、阴极发射电子数的105106倍，即光电倍增管的放大倍数、光电倍增管的灵敏度因此在很微弱的光照时，能产生很大的光电流。第23页/共54页2.主要参数（1）倍增系数MMn二次电子发射系数；n倍增级数阳极电流I 为：I=ini光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数=I/i =MM与所加电压有关，M在105108之间，稳定性为1左右，加速电压稳定性要在0.1以内。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好。第24页/共54页（2）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光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子
10、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25页/共54页（3）暗电流和本底电流即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。第26页
11、/共54页（4）光电倍增管的光照特性对于较好的管子，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10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。光电倍增管的光照特性与直线最大偏离是3%10131010109107105103101在45mA处饱和10141010106102光通量/1m阳极电流/A光照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。第27页/共54页光电倍增管产品1：侧窗型光电倍增管（R105R105）技术指标：直径（28mm28mm）、九级倍增、，硼硅玻壳、锑铯光阴极、300300650nm650nm谱响应，最大
12、响应波长：400nm400nm阴极与阳极间电压：1250Vdc1250Vdc光照灵敏度：阴极：40 40 A/lmA/lm 阳极：400 A/lm400 A/lm阳极暗电流(最大)：50nA第28页/共54页光电倍增管产品2：端窗型光电倍增管（CR110CR110）技术指标：直径（28mm28mm）、1111级倍增、，硼硅玻壳、锑铯光阴极、300300650nm650nm谱响应，最大响应波长：420nm420nm阴极与阳极间电压：1500Vdc1500Vdc光照灵敏度：阴极：95 95 A/lmA/lm 阳极：200 A/lm200 A/lm阳极暗电流(最大)：10nA第29页/共54页光电倍
13、增管产品3：高温光电倍增管 （CR162CR162）技术指标：直径（28mm28mm）、盒栅式1111级倍增、，硼硅玻壳、锑钾钠光阴极 、耐高温铜铍倍增极三种温度可供选择：125/150/175125/150/175300300650nm650nm谱响应，最大响应波长：42020 nm42020 nm阴极与阳极间电压：1800Vdc1800Vdc光照灵敏度(最小)：阴极：20 20 A/lmA/lm 阳极：8 A/lm8 A/lm阳极暗电流(最大)：10nA第30页/共54页光电倍增管电源输入电压：12V2V输出电压：0+1500V输出电流：1mA外形：503825(mm)重量：100g第31
14、页/共54页CPM端窗式光电倍增管ChannelPhotomultipliers第32页/共54页CPM工作原理：通过安装在端窗式光窗口内表面的一个半透明的光电阴，接收非常微弱的入射光，并转换成光电子。然后光电子从阴极到阳极,穿过一个窄的半导体通道，光电子每次撞击弯曲通道的内表面时，产生类似于光电倍增管的雪崩效应，发射出倍增的二次电子。这个效应沿着整个倍增通道，发生许多次，导致雪崩效应，增益达到108。弯曲的玻璃管形状加强了倍增效应。第33页/共54页与传统PMT比较尺寸紧凑，最小的端窗式探测器，包括外壳直径10.5mm，有1/3、1/2、3/4等尺寸规格；只需要一个3000伏的电源，无外部电
15、压分配网络要求，第34页/共54页特点：超高的阳极灵敏度，比传统PMT超过一到两个数量级，比雪崩二极管APD超过5个数量级；（在3000伏最大偏置电压下，增益达到108A/W；在2400伏时，典型增益为3x106A/W）极低的暗电流，比传统的PMT降低了一到两个数量级，扩展了动态探测范围，典型值3pA、106增益非常高稳定的暗电流，CPM半导体内表面没有充电效应，不会产生突变脉冲电流；非常低的等效输入噪声(低于10-17W)；多种光电阴极窗口材料，响应光谱范围：115nm900nm；第35页/共54页典型应用：荧光、紫外、可见、红外分光光度计，色度光度计高精度、高效率光子探测和闪烁计数应用荧光
16、探测分析，荧光分光光度计微弱光探测精密分析仪器和生化分析、医疗仪器生物发光和化学发光研究环境射线剂量监测射线和射线探测高能物理第36页/共54页高压电源高度稳定的高压电源，可调电压范围0(-)3000V，最大输出电流为100uA，5V工作电压，150us门控时间，短路电流保护。第37页/共54页8.3.2内光电效应及其器件当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应（结光电效应）两类第38页/共54页半导体光电器件光敏光敏电阻电阻光电耦合光电耦合器器光光电池电池光电导效应光电光电三
17、极管三极管结光电效应光电光电二极管二极管第39页/共54页一、光电导效应及其器件1、光电导效应：半导体材料受到光照时，导电性增强，阻值减低的现象。过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，由价带越过禁带跃入导带，导带 价带 禁带 自由电子所占能带 价电子所占能带 Eg使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。第40页/共54页为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，禁带宽度取决于材料的光导性能一种光电导材料，总存在一个照射光波长限c，只有波长小于c的光照射在上面，才能产生电子能级间的跃进，从而使其电导率增加。
18、基于光电导效应的光电器件：光敏电阻 导带 价带 禁带 Eg第41页/共54页2、光敏电阻1）工作原理没有极性，为纯粹的电阻器件。光照引起的附加电导十分明显，表现出较高的灵敏度。在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小RGRLEI第42页/共54页2）光敏电阻结构特点电极一般采用梳状图案，减小电极间的距离以提高灵敏度Cd S第43页/共54页3）光敏电阻封装金属封装的硫化镉光敏电阻的结构1.玻璃底板2.半导体光导层。3.金属电极与引出线，为减小潮湿的影响，必须有严密的外壳封装第44页/共54页环氧树脂封装的光敏电阻暗电阻：0.6M 亮电阻：510k 100/100.5第45页/共54
19、页3、光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻不受光照射时的阻值，一般在兆欧量级。此时流过的电流称为暗电流。亮电阻受光照射时的电阻（越小越好），此时流过的电流称为亮电流。光电流亮电流与暗电流之差（其值越大越好）。光电流大，其相应的灵敏度增大。第46页/共54页光敏电阻的暗电阻与亮电阻的比值 值 lg(暗电阻/亮电阻)/lg(亮光照度值/暗光照度值)实用的光敏电阻的暗电阻为M级，而亮电阻则为k级。一般：最小 lg(R10/R100)/lg(100/10)lg(R10/R100)0.50.9第47页/共54页4、光电器件的特性光照特性光谱特性响应时间峰值探测率温度特性伏安特性
20、第48页/共54页（1）光照特性不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx10002000在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。第49页/共54页（2）光谱特性相对灵敏度K与入射光波长之间的关系光谱特性与光敏电阻的材料有关。选用时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004008001200160020002400/n m123相对灵敏度1硫化铅在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；2硫化镉、
21、3硒化镉的峰值在可见光区域。第50页/共54页（3）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同 多数光敏电阻的时延都比较大，所以不能用在要求快速响应的场合。比较上图，硫化铅的使用频率比硫化镉高得多。20406080100I/%010102103104硫化铅硫化镉入射光调制频率入射光调制频率/Hz相对光电流相对光电流第51页/共54页（4）稳定性初制成的光敏电阻，性能是不够稳定的。经一至二周的老化，性能可达稳定。老化过程中，开始一段时间有些样品阻值上升，有些样品阻
22、值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。I/%408012016021T/h120016001、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。第52页/共54页（5）温度特性光敏电阻的性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C光谱特性曲线的峰值向可见光波长方向移动硫化镉I/A100150200-50-1030 5010-30T/C暗电阻和灵敏度随温升下降，第53页/共54页谢谢您的观看！第54页/共54页