35310光电传感器.ppt
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1、,3.5 光电式传感器,光电传感器的原理与组成,被测量 光信号的变化 电信号 光电器件或光电元件 能够将光量转换为电量的一种器件。 光电传感器一般由辐射源、光学通路和光电器件三部分组成 。,光电元件,光电传感器优点,频谱宽、不受电磁干扰的影响、非接触测量、体积小、重量轻、造价低等。,光 源,热辐射光源 气体放电光源 电致发光器件 激光器,常用的光源,热辐射光源,热物体都会向空间发出一定的光辐射,基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高,辐射能量越大,辐射光谱的峰值波长也就越短。 白炽灯一种典型的热辐射光源 卤钨灯一种特殊的白炽灯,气体放电光源,电流通过气体会产生发光现象,利用这种原理制成
2、的光源称为气体放电光源。 光谱灯是光电检测仪器中常用的单色光源,如低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氮灯。 光谱灯涂以荧光剂照明日光灯,电致发光器件发光二极管,固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光,利用这种现象制成的器件称为电致发光器件,如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。,在N型半导体上扩散或者外延生长一层P型半导体,PN结两边掺杂浓度呈递减分布。,激光器,具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。 激光器的突出优点是单色性好、方向性好和亮度高。,分类,按 工 作 物 质 分 类,固体激光器 气体激光器 半导体激光器砷化镓激光器,具有体积小、能量高的特 点,特别是它对供电电源的
3、要求极其简 单,使之在很多科技领域得到了广泛 应用。,红宝石激光器是人类发明的第一种激光器, 诞生于1960年。采用强光灯作泵浦。 Nd:YAG激光器与红宝石激光器相比,对 光泵的要求较低,可见光甚至近红 外都可以作其光泵。,氦氖气体激光器具有连续输出激光的能 力,输出波长从红外到可见光。 二氧化碳激光器,一. 光电测量原理,光电效应:光子与物体的能量交换过程中产生的电效应。,内光电效应,可分为,外光电效应,/光导效应,光生伏打效应,1.外光电效应,1) 定义:在光照作用下,物体内的电子从物体表面逸出的现象。亦称光电子发射效应。,2) 原因: (1) 光子具有能量:hv,(2) 金属受到照射时
4、,其内部的电子吸收光子的能量。,(3) 光子的能量hv大于电子的逸出功A时,电子就会离开金属表面而逸出。,h为普朗克常数,V为光的频率。,电子逸出表面的必要条件:,光电器件的“红限”:能够导致光电子逸出效应的光子的最大波长0。,由于h为常数,对某一种材料,有一个能引起光电子逸出效应的最低频率v0。,单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比。,反向截止电压U0,U0只与入射光频率成正比。,外光电效应器件,光电管,光电倍增管,2.光导效应,1) 定义:在光照作用下,物体的导电性能(如电阻率)发生改变的现象。,2) 原因:半导体材料在光照下禁带中的电子受到能量不低于禁带宽度的光子的激发而跃迁到导
5、带,从而增加电导率的现象 。,3) 光导效应器件有光敏电阻和光导管,3.光生伏打效应,1) 定义:在光照作用下物体产生一定方向的电动势,3) 原理:电子受光子的激发脱离禁带的束缚而产生电子空穴对,在PN结电场的作用下电子移向 N区,空穴移向 P区,形成光生电动势 。,2) 光生伏打应器件有光电池。,4) 灵敏度:nAmm-2lx-1,流明(lm): 光通量的单位,是纯铂在熔化温度(约1770)时,其1/60平方米的表面面积在1球面度的立体角内所辐射的光量。,勒克斯(lx):光照度单位, 等于 1 流明的光通量均匀分布于 1m2 面积上的光照度。,光电器件按探测原理分类,热探测型首先将光信号的能
6、量变为自身的温度变化,然后再依赖于器件某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号。 探测器对波长没有选择性,只与接收到的总能量有关。 光子探测型基于光电效应原理,即利用光子本身能量激发载流子。 这类探测器有一定的截止波长,只能探测短于这一波长的光线,但它们响应速度快,灵敏度高,使用最为广泛。,光电器件按光电效应分类,外光电效应 在光线作用下能使物体的电子逸出表 面的现象, 如:光电管、光电倍增管 内光电效应 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象, 如:光敏电阻、光电二极管 阻挡层光电效应 在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象,也称光生伏特效应 , 如:光电池,二、光电元件(光敏元件
7、),光电管 具有外光电效应,光电阴极 阳极 单根金属丝 或环状,组成,光电管,二、光电元件(光敏元件),当入射光线穿过光窗照到光阴极上时,由于外光电效应,光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下,光电子在极间作加速运动,最后被高电位的阳极接收,在阳极电路内就可测出光电流,其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。,真空光电管或光电管,1)光电特性(图3-46a) 工作压力和入射光频率恒定条件下,光电管入射光通量与其输出光电流之间的关系。,2)伏安特性(图3-46b) 入射光频率和强度恒定条件下,光电管的输出光电流与阳极电压之间的关系。,工作点:光电流饱和区。,2. 光电倍增管,光电倍增管特
8、点:灵敏度高,稳定性好,频响很快,且线性好,频率特性好,但体积大,需要高压供电。,光电阴极 半导体光电材料锑-铯制造 若干倍增极 414个不等,并加上一定的电压 阳极 收集电子,外电路形成电流输出,倍增极 :在电子轰击下能反射出个电子。,3. 光敏电阻 具有内光电效应,利用半导体材料的光导效应即由于光照强弱而导致半导体阻值变化的现象而工作的,这种具有光导效应的半导体材料就称为光敏电阻。,光敏电阻就像一个电阻元件,只是阻值随光照变化。 无光照时,暗电阻很大,电流很小。 受一定范围的光照时,亮电阻急剧减小,电流迅速增加。,优点:具有很高的灵敏度,很好的光谱特性,光谱响应从紫外区到红外区,体积小,重
9、量轻,性能稳定,价格便宜。,光敏电阻的特征参数,(1) 暗电阻、亮电阻、暗电流、亮电流、光电流。,(2) 光照特性:电压一定时,光电流与光通量之间的关系。呈非线性,与材料有关。,(3) 伏安特性:光照一定时,电压与光电流之间的关系。无饱和现象。,(4) 光谱特性:对不同波长的入射光,具有不同的灵敏度。,(5) 响应时间特性:材料不同,时间常数不同。,(6) 光谱温度特性:温度升高,暗电流和灵敏度下降;光谱特性也会变化。,4. 光敏二极管 具有内光电效应,PN结光敏二极管,有光照时,二极管导通;无光照时,二极管截止。,2).雪崩二极管,雪崩二极管是一种具有内部电流倍增放大作用的光电二极管,它通常
10、工作在几百伏的反向偏压下,放大原理类似于光电倍增管。,3). PIN结构光电二极管,特点:具有较高灵敏度和响应速度,且对红外波长有较好的响应。,2).光敏晶体管/光电三极管,结构与普通三极管没有本质区别,只不过将集电结做成光电二极管的形式,该集电结既是一个光电二极管,又是三极管的一个组成部分。,光敏二极管和光敏晶体管的特点:,光敏二极管特点:灵敏度一般,稳定性好,频响快(=10-7s),体积小,频率特性快。 光敏三极管特点:灵敏度比二极管高,线性度比二极管好;但稳定性差,响应速度较二极管差,其它与二极管相同。,5. 光电池 具有阻挡层光电效应,特点:灵敏度低,稳定性好,频响较慢,受光面积大,不
11、需外加电源,频率特性差。,二、具有特殊外在形式的探测器,电荷耦合器件(CCD) 将MOS光敏单元阵列和读出移位寄存器集成位一体,构成具有自扫描功能的图像传感器。 位置敏感器件(PSD) 一种对其感光面上入射点位置敏感的器件,也称为坐标光电池。,1.电荷耦合器件(CCD),电荷耦合器件Charge-Coupled Devices MOS光敏单元 在半导体基片上生长一种具有介质作用的氧化物(二氧化硅),又在其上沉积一层金属电极,形成金属-氧化物-半导体结构元(MOS)。 读出移位寄存器 电荷图像的输出电路,MOS光敏单元结构原理,人们称这样一个MOS结构元为MOS光敏元或叫做一个象素,把一个势阱所
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