第7章光电式传感器-公开课件.ppt

第7章 光电式传感器 光电式传感器是先把被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件将光信号的变化转换为电量变化的装置。 光电式传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度和气体成分等，也可用于检测能间接转换成光量变化的非电量，如几何尺寸、位移、振动、速度等。 第7章 光电式传感器 光电式传感器的主要特点是能实现非接触测量、精度高、响应快、性能可靠，广泛用于军事、通讯、检测和工业自动化等领域。 第7章 光电式传感器 被测量可能直接作用于光源，使它发出的光发生变化，也可能作用在光通过的路径上，使通过后的光发生变化。 第7章 光电式传感器 7.1 光电效应和光电器件 7.2 新型光电器件 7.3 光栅式传感器 7.4 激光式传感器 7.5 光电式传感器应用举例 7.1 光电效应和光电器件 光电器件的物理基础是光电效应。光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。 7.1 光电效应和光电器件 7.1.1 外光电效应 7.1.2 内光电效应 7.1.3 外光电效应器件 7.1.4 内光电效应器件 7.1.5 光电器件的特性 7.1.1 外光电效应 在光线作用下，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。向外发射的电子称为光电子。它是1887年由德国科学家赫兹发现的。 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体。每个光子的能量等于hn。 7.1.1 外光电效应 根据爱因斯坦假设，一个光子的能量只能给一个电子。而要使电子逸出物体表面，至少需对其做功A0，以克服物体对电子的约束，A0称为逸出功，也称功函数，其值与材料有关，还和材料的表面状态有关。于是，按照能量守恒与转换定律，有 7.1.1 外光电效应 由上式可知 (1)光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功 这意味着每一种物质都有一个对应的光频阈值，称为红限频率(对应的光波长称为临界波长)，用n0表示。根据上式得 7.1.1 外光电效应 (2)当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比 光愈强，意味着入射的光子数目越多，逸出的光电子数也就越多。 (3)光电子逸出物体表面时的初动能决定于入射光的频率 对于一定的物质，A0是一定的，光子的能量hn越大，电子的初动能越大。 另外，从光开始照射到金属释放光电子几乎在瞬时发生，所需时间不超过10－9 s。 7.1 光电效应和光电器件 7.1.1 外光电效应 7.1.2 内光电效应 7.1.3 外光电效应器件 7.1.4 内光电效应器件 7.1.5 光电器件的特性 7.1.2 内光电效应 当光照射到半导体材料上时，处于价带的电子将吸收光子能量跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴浓度增加，即激发出光生电子—空穴对，从而使半导体材料产生电效应，这种光电效应称为内光电效应。显然，光子能量必须大于材料的禁带宽度DEg才能产生内光电效应。产生内光电效应的临界波长为 7.1.2 内光电效应 内光电效应按其工作原理可分为：光电导效应和光生伏特效应。 1.光电导效应 在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量，从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料载流子浓度增加、电阻率变小，这种现象称为光电导效应。 2.光生伏特效应 在光照射下，能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。 7.1.2 内光电效应 以PN结为例，没有光照射时，在过渡区会形成阻挡层，阻止孔穴和电子的进一步扩散。当光线照射PN结产生电子—空穴对时，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，在PN结两端形成光电动势。 7.1 光电效应和光电器件 7.1.1 外光电效应 7.1.2 内光电效应 7.1.3 外光电效应器件 7.1.4 内光电效应器件 7.1.5 光电器件的特性 7.1.3 外光电效应器件 基于外光电效应的器件主要有光电管、光电倍增管等。 1.光电管 7.1.3 外光电效应器件 (1)真空光电管 真空光电管由一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K与电源负极相联，阳极A通过负载电阻与电源正极相接，因此管内形成电场。 7.1.3 外光电效应器件 (2)充气光电管 如果在玻璃管内充入少量的惰性气体(如氩、氖等)，即构成充气光电管