光电测量技术演示文稿

光电测量技术演示文稿当前1页，总共36页。优选光电测量技术当前2页，总共36页。

物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电发射效应或外光电效应。

E=h·fh普朗克常数，h=6.63×10-34J·S；f是光的频率。光子的能量E与它的频率成正比(爱因斯坦光量子理论)光电效应分两大类型：外光电效应和内光电效应10.2外光电效应当前3页，总共36页。物体表面受光照射，表面内的电子与光子碰撞，光子把全部能量转移给电子。如电子的能量超过逸出功A0时，电子就逸出物体表面产生光电发射。如果不考虑电子热运动的能量，产生光电发射的条件是：光子能量h·f超过表面逸出功A0。mv2/2=hf-A0v-电子逸出时的速度；m-电子的质量。爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律：1）物体表面发射的电子数(光电流)与光强成正比；2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关；3）光电子逸出物体表面，h·f>A0。对于每种物体都存在一个极限频率（红限频率f0）否则不会有光电子发射出来。当前4页，总共36页。在真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。(1)结构和工作原理

(真空光电管)光电管光电阴极贴附在玻璃泡内壁或涂在半圆筒形的金属片上，当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。

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充气光电管在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子，使其电离，使阳极电流急剧增加，提高了光电管的灵敏度。缺点:灵敏度随电压显著变化、稳定性、频率特性等比真空光电管差。

当前6页，总共36页。光电倍增管

在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这种情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，为克服这个缺点，要采用光电倍增管。(1)光电倍增管的结构和工作原理当前7页，总共36页。由光电阴极、若干个倍增极和阳极三部分组成。光电倍增极上涂有电子轰击下能够发射更多电子的材料。倍增极数目在4~14个不等。当前8页，总共36页。光照

半导体

电子在物体内部运动内光电效应光电导效应、光生伏特效应光电导：入射光子的能量如果大于禁带宽度，即hf≥Eg,电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带，载流子数增多使其电阻下降。10.3内光电效应当前9页，总共36页。

光电导效应--光敏电阻(1)结构和原理又称光导管。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。

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光敏电阻利用光电导效应制成，一般选用禁带宽度较宽的半导体材料。

原理：光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻RG值下降，流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值。当前11页，总共36页。1:硫化镉、2:硫化铊、3:硫化铅。光敏电阻的光电特性

在一定电压作用下，光电流I与照射光通量Φ的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性具有非线性。光敏电阻的光谱特性当前12页，总共36页。2光电池---光生伏特效应

光电池基于阻挡层的光电效应工作的。在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件。实质上它就是电压源。光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。其中硅光电池和硒光电池用途广泛。当前13页，总共36页。

本课程介绍硅和硒两种光电池.(1)结构原理硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质（例如硼）形成PN结。

入射光照射在PN结上时，若光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在PN结内产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，因而PN结产生电势。当前14页，总共36页。硒光电池是在铝片上涂硒，再用溅射的工艺，在硒层上形成一层半透明的氧化硒。在正反两面喷上低溶合金作为电极。在光线照射下，镉材料带负电，硒材料上带正电，形成光电流或光电势。(2)主要特性①光电池的光谱特性不同光电池的光谱峰值位置不同。如硅光电池在8000附近，硒光电池在5400附近。硒光电池的结构0.2

0.40.60.81.01.210080

60

4020

0当前15页，总共36页。

硅光电池的光谱范围广，即为4500~11000之间，硒光电池的光谱范围为3400~7500。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。②光电池的光照特性光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。当前16页，总共36页。

光电池的短路电流：是反映外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。而光电池的内阻是随着照度增加而减小的，所以在不同照度下可用大小不同的负载电阻为近似“短路”条件。从实验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好，且线性范围越宽。

对于不同的负载电阻，可在不同的照度范围内，使光电流与光强保持线性关系，所以应用光电池作测量元件时，所用负载电阻的大小，应根据光强的具体情况而定。总之，负载电阻越小越好。当前17页，总共36页。③光电池的频率特性光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照。光电池的频率特性：反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。硅光电池可以有很高的频率响应当前18页，总共36页。

开路电压随温度升高而下降的速度较快;

短路电流随温度升高而缓慢增加。当用光电池作测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。④光电池的温度特性

当前19页，总共36页。3光敏二极管光敏二极管又称光电二极管。管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。当前20页，总共36页。

光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子及光生空穴，因此使PN结的反向电流增大。当前21页，总共36页。4光敏三极管光敏三极管:PNP型和NPN型。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，会产生电子-空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极和发射极间的电压升高，便有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍。当前22页，总共36页。(2)光敏三极管的主要特性光敏三极管的光谱特性光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。

光敏三极管的伏安特性当前23页，总共36页。光敏三极管的光照特性光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系，它们之间呈近似线性关系。当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关转换元件。当前24页，总共36页。光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。

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光纤：光导纤维，70年代发展新兴光电材料—光电子学领域光纤传感技术：光通信，受外界环境因素影响外界因素光纤传输光波量外界因素：压力、温度、电场、磁场、光波量：光强、相位、频率、偏振态——可测量70多个物理量10.4光纤传感器特点：灵敏度高、结构简单、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、遥测——多学科性：纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术、微机应用光纤传感器当前26页，总共36页。

光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为2~12μm，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。

当前27页，总共36页。1、光纤的结构涂敷层：硅铜、丙烯酸盐——增加机械强度塑料套管：保护、不同颜色——区分纤芯：、掺杂包层：、掺杂（）

——降低光折射率、100~200um多层介质结构的对称圆柱体¯2n当前28页，总共36页。2、光纤波导原理临界角全反射光折射与反射的snell定律当前29页，总共36页。数值孔径NA:描述集光的能力(反映纤芯接受光量的多少)NA意义：无论光源发射功率多大，只有入射光处于2θc的光角内，光纤才能导光。NA是光纤的一个重要参数。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变，所以要适当选择数值孔径的数值。一般光线所处环境为空气，n0=1。光纤产品一般只给NA，石英光纤0.2—0.4。当前30页，总共36页。3、光纤传感器基本原理及类型组成：光纤、光源、光探测器传光型：非功能型、多模光纤（传输更多光量）传感型：功能型、单模光纤（被测对象调制光纤特性）1）、传光型光纤传感器调制器光纤：传输光波、不连续（入射、出射光纤）、多模光纤调制器：敏感元件、被测量作用下使光路遮断、光穿透率变化当前31页，总共36页。光纤：“传”—传输光波“感”—外界作用下光学特性变化光纤连续2）、传感型光纤传感器特点：（1）传光性好、损耗小（2）频带宽、超高速测量（3）灵敏度、线性好（4）非接触、非破坏性、远距测量（5）体积小、重量轻当前32页，总共36页。几种常用的光纤传感器1光纤加速度传感器

当前33页，总共36页。

2光纤位移传感器

光纤位移传感器是利用光导纤维传输光信号的功能，根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。当前34页，总共36页。光电转换放大器A/D单片机显示利用光导纤维传输光信号的功能，根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。当前35页，总共36页。1.光纤探头端部紧贴被测部件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，因而就不能产生光电流信号；2.被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测