第6章(2) 光电式传感器

《第6章(2) 光电式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章(2) 光电式传感器（73页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第第6 6章章 光电式传感器光电式传感器资料来自互联网，由宋玉宏整理资料来自互联网，由宋玉宏整理 第第6 6章章 光电式传感器光电式传感器 概述 外光电效应器件 内光电效应器件 新型光电传感器 光敏传感器的应用举例 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。二、二、 外光电效应器件外光电效应器件（一）光电管及其基本特性（一）光电管及其基本特性光电管的结构示意图 光阳极光电阴极光窗1. 1. 结构与工作原理结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极

2、构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。 光电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2. 2. 主要性能主要性能 在一定的光照射在一定的光照射下，对光电器件的阴下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所极所加电压与阳极所产生的电流之间的关产生的电流之间的关系称为光电管的伏安系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是特性如图所示。它是应用光电传感器参数应用光电传感器参数的主要依据。的主要依据。光电管的伏安特性502

3、0lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/ A（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。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极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。 光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.51（3）光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此

4、光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，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，它们有不同的红限频率0，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红限频率0，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。 国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%30%。它适用于白光光源白光光源，因而被广泛地应

5、用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。 一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。（二）光电倍增管及其基本特性 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几A，很不容易探测。这时常用光电倍增管对

6、电流进行放大，下图为其内部结构示意图。1. 1. 结构和工作原理结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。（1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果n个倍增电极的都相同，则M= 因此，阳极

7、电流 I 为 I = i i 光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数为 = I / i =M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。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。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，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。 2. 2. 主要参数主要参数ninini 103 104 105 106255075100125极间电压/V 放大倍数光电倍增管的特性曲线（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

8、叫做光电倍增管的阴极灵敏度阴极灵敏度。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。 （3）暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，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。 如果光电倍增管与闪烁体放在

9、一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流本底电流，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，本底本底电流电流具有脉冲形式脉冲形式。 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（4）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10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如

10、图所示。 利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻光电池和光敏晶体管等。三、内光电效应器件三、内光电效应器件（一）光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：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：需要外部电源，有电流时会发热。 1. 1. 光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴

11、增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 h= = Eg(eV) 式中和入射光的频率和波长。 ch24.1h= = Eg(eV) 式中和入射光的频率和波长。 一种光电导体，存在一个照射光的波长限C，只有波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。ch24.1 光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电