传感器与检测技术光电式传感器

1、传感器与检测技术光电式传感器第1页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。应用：1、光量变化的非电量；2、能转换成光量变化的其他非电量。特点：非接触、响应快、性能可靠。被测量的变化光信号的变化电信号的变化第2页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日 光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。 第3页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日 光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。 第4页，共44页，2022年，5月2

2、0日，16点22分，星期日 光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。 第5页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。第6页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日8.1 概 述8.1.1 光的特性光波是波长为10106nm的电磁波。1000,000 nm10 nm780 nm380 nm可见光红外光紫外光性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。第7页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日1905年，爱因

3、斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。每个光子的能量为 E=h可见，光的频率愈高，光子的能量愈大。第8页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日8.2.2 光源（发光器件）1. 白炽光源最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：320 nm2500 nm, 所以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

4、高，是可取之处。 第9页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日2. 气体放电光源利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电灯。它的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。 第10页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。 如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选

5、择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。 气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3。第11页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日构成：由半导体PN结构成。特点：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。 3. 发光二极管（LEDLight Emitting Diode） 第12页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日RUNP+-UiD+_原理：当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。第13页，共

6、44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日第14页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日 电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）Eg。所放出的光子能量用h表示，有普朗克常数h=6.610-34J.s； 光速c=3108m/s；hc=19.810-26mWs=12.410-7meV第15页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日Eg的单位为eV，1eV=1.610-19J。可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大于 h c / =1.8 eV 普通二极管是用硅或锗制造的，这

7、两种材料的禁带宽度Eg分别为1.12eV和 0.67 eV，显然不能使用。第16页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使 在550900nm间变化。 第17页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaA

8、s900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350 LED材料第18页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日 发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。第19页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日发光二极管的光谱特性0.20.40.60.8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs/nm

9、相对灵敏度第20页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日U/V I/mA -10 -5 0 12GaAsP(红)GaAsP(绿)反向电压应在5V以下!发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。砷磷化镓发光二极管的伏安曲线第21页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日4、激光器激光（Laser: Light amplification by stimulated emission of radiation）是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高

10、亮度和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从0.15m到远红外整个光频波段范围。X-射线激光器。第22页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）液体激光器（染料激光器）。半导体激光器（如砷化镓激光器）第23页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日（1）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器（T.Maiman ）。工作物质为红宝石-掺0.05%Cr+3 的Al2O3棒。第24页，共44页，2022年，5月20日，16点22分

11、，星期日Nd:YAG激光器 掺 Nd+3 离子的激光器有三种: 玻璃钇铝石榴石氟化钇锂（ YLF ：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12激活离子 基质钇铝石榴石第25页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。 第26页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日（3）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激

12、光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。 第27页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日（4）半导体激光器与前几种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。 第28页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日8.2.1 外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。8.2

13、光电效应两类：外光电效应和内光电效应。第29页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释 ；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。第30页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日第31页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日爱因斯坦光电效应方程： 1.光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A。 2. 一定时，产生的

14、光电流和光强成正比。3.逸出的光电子具有动能。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。第32页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日8.2.2 内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。1光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。 第33页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带禁带导带价带 Eg电子能量EhEg当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又

15、足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。第34页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日第35页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日基于这种效应的光电器件有光敏电阻。第36页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日势垒效应（结光电效应） 光照射PN结时，若hEg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。PN

16、第37页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。第38页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日光电管及其基本特性 结构与工作原理8.3外光电效应器件第39页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日第40页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日主要性能（1）光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器

17、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。真空光电管 充气光电管150100502020lm40lm60lm80lm100lm120lm4681012阴极电压/VIA/A2010050弱光强光1504681012阴极电压/VIA/A第41页，共44页，2022年，5月20日，16点22分，星期日（2）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。图8-5 光电管的光照特性255075100200.51.52.0/1mIA/ A1.02.511-氧铯阴极2-锑铯阴极第42页，共44页，2022年，5月20日，16点22分