第6章光敏传感器及工程应用

《第6章光敏传感器及工程应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章光敏传感器及工程应用（79页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第6章 光敏传感器及工程应用第第6章章 光敏传感器及工程应用光敏传感器及工程应用6.1 6.1 光光的基本知识的基本知识6.2 6.2 常见光电元件常见光电元件6.3 6.3 光电传感器光电传感器6.4 6.4 光光纤传感器纤传感器6.5 6.5 光敏传感器工程应用案例光敏传感器工程应用案例返回主目录第6章 光敏传感器及工程应用6.1 光的基本知识光的基本知识6.1.1 光的光的基本特性基本特性 由光学知识可知，光具有波粒二象性。因而它不但具有波的特性，而且还具有颗粒特性。光有可见和不可见之分。其可见光的波长在380780nm之间。波长在10380nm之间的称作紫外线，在780106nm之间的

2、称作红外线。根据光的量子理论，光又是一种以光速运动的粒子流。这些粒子称作光子，光子具有能量，每个光子的能量E为 式中，h为普朗克常数；为光的频率。 由此可知，不同频率的光子具有不同的能量。 hE (6-1)第6章 光敏传感器及工程应用 光照度是衡量被照射物体表面明亮程度的一个参数，它表示被照射物体表面单位面积上受到的光通量，单位是勒克斯（lx），光通量是指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。光通量的单位是流明（lm），它们之间的关系是 1(lx) = 1(lm/m2) 为了测量光照的强弱，就需要光检测传感器。所谓光检测传感器，实际是将光信号转

3、变成电信号的一种器件，通常人们把它称作光电转换器件，简称为光电器件。第6章 光敏传感器及工程应用6.1.2 光电效应光电效应 在光的照射下，物体吸收了光的能量而产生的电现象，称作光电效应。光电效应又分为外光电效应和内光电效应两大类。 1. 外光电效应外光电效应 当物体内的电子在光的照射下逸出物体表面向外发射的现象就称作外光电效应。向外发射的电子称作光电子。 2. 内光电效应内光电效应 在光的照射下，物体的电阻率发生变化或产生光生电动势的现象称作内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应两种。第6章 光敏传感器及工程应用1) 光电导效应当物体的电阻率在光的照射下发生改变的现象称作光电

4、导效应。2) 光生伏特效应当物体在光的照射下产生一定方向电动势的现象称作光生伏特效应。 基于不同的光电效应就得到不同的光电元器件。下面就介绍几种常见的光电器件。第6章 光敏传感器及工程应用光电管的结构如图6-1所示，它是在一个真空玻璃泡内装有两个电极的器件。一个是光电阴极，有的贴在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上。另一个是阳极，通常是装在光电阴极前面的一根金属丝或金属环。6.2 常见光电元件常见光电元件6.2.1 光电管光电管1. 光电管的结构及工作原理光电管的结构及工作原理第6章 光敏传感器及工程应用 它的工作原理是基于外光电效应：即当阴极受到适当波长的光线照射时便向外发射电子，电子

5、被带正电位的阳极所吸引，在管内就产生光电子流，在外电路中便产生电流。 2. 光电管的伏安特性光电管的伏安特性 实验证明，光电管产生的光电子流大小与光通量有关，当光通量一定时，阳极电压U与阳极电流 I 的关系曲线如图6-2所示。第6章 光敏传感器及工程应用6.2.2 光电倍增管光电倍增管 1. 光电倍增管的结构及工作原理光电倍增管的结构及工作原理 在光线比较弱的时候，光电管能产生的光电流很小，为了克服这个缺点，人们又设计了光电倍增管。它主要由一个光电阴极、若干个倍增极和一个阳极等部分构成。倍增极个数在414个之间。四倍增极的光电倍增管结构如图6-2所示。其中K为光电阴极，电位最低，D1D4为倍增

6、极，电位逐次升高，即UD1UD2UD3n2，则当角增加时，角也增加。当角增加到某一角度时，可使=90，此时，折射光完全消失，只剩下反射光。继续增大入射角，仍然如此。这种现象称作全反射。使折射角=90 的入射角叫做临界角，记作c。则结论：当光线从折射率大的介质射入折射率小的介质时，如果入射角大于或等于临界角，即： 就发生全反射现象。c12arcsinnnc 1sinsin12即nn(6 4)第6章 光敏传感器及工程应用3. 光纤的传光原理光纤的传光原理设有一段圆柱形光纤如图6-32所示。当一束光以入射角从光纤芯的一个端面射入时，将会在端面发生折射角为的光线射入光纤芯，并照射到纤芯与包层的交界面上

7、；在该界面上有一部分光返射回纤芯，还有一部分光以折射角射入包层。图图6-32 光纤的传光原理示意图光纤的传光原理示意图第6章 光敏传感器及工程应用根据斯涅耳折射定律可知，只要n1n2，并适当选择光的入射角，就能使光在纤芯与包层的交界面上发生全反射，使光在光纤内无限的传播下去，而不会有光线射入包层。下面来推导光纤的传光条件。根据斯涅耳折射定律得：式中，n0为端面外部的折射率。联立式(6-5)和(6-6)得 sinsin10nnsinsin21nn21201201010101)sin(1sin1cos)90sin(sinsinnnnnnnnnnnnn(6 5)(6 6)第6章 光敏传感器及工程应用

8、若要使光在光纤芯和包层的界面上发生全反射，必须满足 。设当 时， ，则显然，当光照射到光纤端面的入射角满足光在光纤内就发生全反射。式(6-9)又称作光纤的传光条件。一般光纤所处的环境为空气，而空气的折射率n0=1，这时传光条件(6-9)式可写成22210212011)(1sinnnnnnnnc90c90)1arcsin(22210nnnc(6 8)(6 9)arcsin(2221nnc(6-10)第6章 光敏传感器及工程应用 由上分析可知，光在光纤内是以锯齿波形状向前传播的，所以，只要光纤弯曲不大，不会破坏它的全反射条件，也就不会影响光的传播。这就是光纤可以转弯的原因。6.4.2 光纤的主要参

9、数光纤的主要参数1. 数值孔径数值孔径 由前面分析可知，c是光纤实现全反射的临界入射角，它是由组成光纤物质的折射率唯一确定的，它的大小反映了光纤的集光本领的大小。为了定量的描述光纤的这种本领，引入了数值孔径这个概念，用NA来表示，它定义为222101sinnnnNAc(6 11)第6章 光敏传感器及工程应用 其物理意义是无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2c范围内的光才能在光纤内无损耗的传播下去。光纤的数值孔径越大，表明光纤对光的集光能力越强。2. 光纤的传输损耗光纤的传输损耗 光在光纤内传播，由于种种原因将会产生损耗，损耗的程度可用衰减率来衡量。假设光纤的入射光强为I0，经过1000m传