传感器第二章2011.ppt
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1、第二章,光敏传感器 PHOTOSENSORS,1、光敏传感器-用光照射材料后材料本身的电学性质发生变化制成的器件。 感应光信号的材料称为-光电材料 对光信号的变化反应迅速,并将光信号转变为电信号; 2、光信号具有粒子性,光子具有一定的能量(h), 光敏传感器是将光能变换为相应电能的装置,又称光电式传感器; 3、 它们还是探测光信号的器件,也称为光电探测器。,定义:,-通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量,并能将光能转化成电信号的器件。其原理是基于一些物质的光电效应。,-是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。,光谱: 光波:
2、波长为10106nm的电磁波 可见光:波长380780nm 紫外线:波长10380nm, 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线, 红外线:波长780106nm 波长3m(即3000nm)以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。,远紫外,近紫外,可见光,近红外,远红外,极远紫外,0.01,0.1,1,10,0.05,0.5,5,波长/m,波数/cm-1,频率/Hz,光子能量/eV,106,105,104,103,5105,5104,5103,1015,51014,1014,51013,100,10,
3、1,50,5,0.5,51015,1016,31018,光的波长与频率的关系由光速确定,真空中的光速c=2.997931010cm/s,通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz,的单位为cm。,=31010cm / s,二、红外热释电探测器: 对光谱中长波(红外)敏感的器件。 红外光电器件-光电效应红外器件和热释电器件,三、固态图像传感器:结构上分为两大类, 一类-用CCD的光电转换和电荷转移功能制成的CCD图像传感器, 一类-用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS图像传感器,又称自扫描光电二极管列阵(SSPA)。,四、光纤传感器:是唯一的有光
4、源的光敏传感器,一、光电效应传感器:用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。 分为外光电效应和内光电效应器件,按工作原理将光敏传感器分为四类:,CCD传感器,光敏传感器,反射式光敏传感器,光敏传感器(Photosensors),2.1 外光电效应及器件 photoemissive effect and its devices,2.2 光电导效应器件及其应用 Photoconductor and its apllication,2.3 光生伏特效应器件 Photovoltaic effect device,2.4 红外热释电器件 Infrared discharge device,2.5 固态图像传
5、感器 Solid image sensors,2.6 光纤传感器 Fiber optic sensors,2.7 新型光传感器 New-typle photosensors,2.1 外光电效应及器件 photoemissive effect and its devices,2.1.1 外光电效应 photoemissive effect,2.1.2 光电发射二极管 photoemissive cell,2.1.3 光电倍增管 photoemissive multiplier,2.1.4 光电倍增管在闪烁计数器中的 应用Application of photoemissive multiplie
6、r to scintillation countor,2.1.1 外光电效应,一、原理:在光照下某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射的现象-称为外光电效应(光电发射效应)。,爱因斯坦假设:一个电子只能吸收一个光子,一部分能量用以克服物质对电子的束缚(表面逸出功),一部分转化为电子的能量,且此过程必须满足能量守恒定律:,若电子得到的能量全都变为电子的动能,光电子的最大动能为:,表明,光电子的最大动能与入射光的频率成正比,而与入射光的强度无关,?,二、实验总结,2、光电流随光强的变化曲线: 在足够的外加E下,若入射光的频率一定或频谱成分不变时,饱和光电流(IL)与光强成正比。 入射光强越大,光
7、子数越多,发射的电子数越多,即单位时间内通过单位面积的电量越大。,1、检测装置: 发射材料上放一电子接收板连成一光电发射检测装置,测定逸出电流随光强度和光频率的变化。,3、存在一个极限频率0 :若入射光子能量h小于h0,即0时,无论光强多大都无光电子发射,光电流为0。 证明爱因斯坦假设,电子吸收h0后能量完全用于克服表面逸出功,此波长为阈波长:,4、逸出电子的最大能量:给光电发射材料加反压,以阻止电子运动到吸收板上,测出无电子到达时的电压。 若光子的波长或频率不变,光强增加只是照射材料的光子数目增多,逸出电子的最大能量保持不变。,光电子能否产生,取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功
8、A0。不同的物质逸出功不同,即每一个物体都有一个对应的光频阈值,称为红限频率或波长限。 光线频率低于红限频率,光子能量不足以使物体内的电子逸出,因而小于红限频率的入射光,光强再大也不会产生光电子发射; 反之,入射光频率高于红限频率,即使光线微弱,也会有光电子射出。,当入射光的频谱成分不变时,产生的光电流与光强成正比。即光强愈大,意味着入射光子数目越多,逸出的电子数也就越多。,光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ,因此外光电效应器件(如光电管)即使没有加阳极电压,也会有光电子产生。为了使光电流为零,必须加负的截止电压,而且截止电压与入射光的频率成正比。,2.1.2 光电发射二极管 ph
9、otoemissive cell,光电二极管-把检测装置中发射电子的极板(阴极)和吸收电子的极板(阳极)封于同一壳内,连上电极。 按照原理可分真空光电二极管 和充气光电二极管两类。,一、真空光电二极管,-将阳极和阴极同装于一真空玻璃壳内,两个电极。,阴极:为有效地吸收最大光强一般具有一定的几何形状(球面或半圆筒状),其凹面上镀有光电发射材料。 阳极:既吸收阴极发射的电子,又不妨碍照射到阴极上的光线,用细金属丝(或棒)做阳极。,真空光电二极管结构示意图,同一光强下曲线在020V范围内,电压增大达到阳极的光电子数目也增大,阳极电流急剧增大; 当电压大于20V后,几乎全部发射电子都巳到达阳极,电压再
10、增大,电流几乎不变,曲线平坦(饱和区)。 一般工作电压选择在饱和区但要尽可能小一些,而随着光强的增加,产生的光电子数就增多,所以光电流与光强成正比。,真空光电二极管测量电路图,其伏安特性曲线图,光电管: 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。 由一个阴极和一个阳极构成,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。,二、充气光电二极管,结构:与真空光电二极管类似,只是管壳内充有低压惰性气体(氩气和氖气)。,V,a,比较:充气光电二极管的灵敏度高,但其灵敏度随电压而显著变化,使
11、其稳定性和频率特性都比真空光电二极管差,所以在实际应用中应选择合适的电压。,光线照到阴极上产生光电子,阳极电压使其加速,加速的电子使气体分子电离,形成更多的电子和离子,又被加速与另外气体分子碰撞使其电离产生更多电子,即发生了倍增效应, 此外,气体电离的正离子又与阴极碰撞产生光电子,因此达到阳极的电子数目增大很多,相当于具有一定的放大倍数,可达10倍左右。,三、实用光电阴极的光电材料应该具备三个基本条件,1、光吸收系数大 2、光电子在体内传输到体外的过程中能量损失小, 使逸出深度大,即一旦产生就能够逸出 3、电子亲和势较低,使表面的逸出几率提高。,纯金属反射强,吸收少,且逸出功大,光电发射效率低
12、, 大多数金属只适于做紫外灵敏的光电器件。 半导体光电材料,逸出功较小,对可见光、红外光都很敏感, 如Ge 、CdSe、(Ag-O-Cs),(Cs3Sb)、Bi -Cs、 AgBi-O-Cs、Na-K-Cs-Sb、Na2KSb、GaAs:Cs-O、 GaP:Cs和GaAs:Cs等负电亲和势的材料。,光电管光谱特性: 由于光阴极对光谱有选择性,因此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,且强度
13、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。 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,阴极是锑铯材料制成的。其红限0=7000,对可见光范围的入射光灵敏度比较高,转换效率:25%30%。适用于白光光源,被广泛用于各种光电式自动检测仪表中。 对红外光源,常用银氧铯阴极,构成红外传感器。 对紫外光源,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; 但有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性
14、有很大差异,在测量和控制技术中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。,2.1.3 光电倍增管 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。常用光电倍增管对电流进行放大,1、基本原理:光照到阴极上产生光电子,在真空电场作用下被加速投射到第一个“打拿极”上,一个光电子可以产生多个电子,多次被加速而激发打拿极后电子数目得到倍增。,一、工作原理,2、工作电压:一般有11个左右的打拿极,工作时,电极电位从阴极到阳极经过各个打拿极逐级升高,即每个打拿极电压应满足:V11
15、V3V2V1,,3、二次电子发射-当具有足够动能的电子轰击打拿极时,该打拿极表面将有电子发射出来的现象。 一次电子:轰击打拿极的电子 二次电子发射系数表示为:,ns为发射出的二次电子数,np为打在物体上的电子数。,3、光电倍增管基本特性,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的,收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。 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,能产生很大
16、的光电流。,4 光电管的伏安特性,光电管的伏安特性,在一定的光照射下,光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系,5、总增益G: 若第一打拿极对光电子收集效率为f-收集到的光电子数与光照产生光电子数的比率 n个打拿极的分别为n、3、2、1, 若极间传递效益分别为gng3、g2、g1, 则总增益G为:,如各个打拿极的增益均为,极间传递效益均为g,总增益G为:,三、光电倍增管的实例结构,据工作原理分为两大类:聚焦型、非聚焦型。 所谓聚焦-不是指电子束聚焦成一点,而是指由前一级倍增极的电子被加速后会聚在下一级倍增极上,在两个倍增极之间可能发生电子束轨迹的交叉。 聚焦型倍增系统: 有圆环瓦片式
17、(或鼠笼式) 和直线瓦片式。 非聚焦型倍增系统:电子轨迹多是平行的, 有盒栅式和百叶窗式。,1. 直线瓦片式倍增系统,其电极形似半圆柱状的瓦片,电子轨迹在极间会聚,交叉点落在下一级靠近中心处。 其几乎能使全部二次电子得到利用,放大倍率很高。 通过电极形状的调整-使较长路径的轨迹和较短路径的轨迹在极间交错行进,到达收集极的总渡越时间近于一致。,入 射 光,2. 圆环瓦片式倍增系统,各瓦片倍增极排列为圆环状,侧窗式结构是入射光通过栅网打在不透明光电阴极0上,倍增极共九个,第十级是收集极。,3盒栅式倍增系统,1-2-4-3-5-6-8-7-9-10-A,倍增极是一个圆柱面的1/4 为提高入射倍增极的
18、收集效率,防止二次电子往入射方向逸散,在电子入口处加一个与盒子具有相同电位的金属栅网。 优点是收集效率高可达95%结构紧凑,多用于噪声较低、增益较高的光电倍增管中。,三、光电倍增管的性能参数,1.灵敏度,分为阴极灵敏度SK和阳极灵敏度SA , 有时标出阴极的蓝光、红光或红外光灵敏度。测量时所用的光源是钨丝白炽灯,,SK-光电阴极本身的积分灵敏度。指一个光子在阴极上能够打出的平均电子数 测量时给光电阴极K和阳极A间加一定电压,照在阴极上的光通量选在10-2-10-5lm范围。,式中iK为阴极电流,K为到阴极上的光通量, 单位取Alm。,光电倍增管阳极灵敏度-即总灵敏度 SA-是一个光子在阳极上产
19、生的平均电子数,即在一定工作电压下阳极输出电流与照射到阴极面上光通量的比值,包括了放大倍数的贡献,表示为: 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。,式中iA为阳极电流,K为光通量,2.放大倍数G (电流增益G),-一定工作电压下,阳极电流和阴极电流的比值。主要由倍增系统的能力决定。 可由一定工作电压下,阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值,即:,式中iA是阳极电流,iK是阴极电流,倍增系数M =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,
20、则M=n 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,M也要波动, 因此,M具有一定的统计涨落。 一般阳极和阴极间电压为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。,103,104,105,106,25,50,75,100,125,极间电压/V,放大倍数,光电倍增管的特性曲线,3.暗电流,-在全暗条件下工作时,阳极上收集到的输出电流的直流成分。它决定了光电倍增管可测光通量的最小值。 形成主要原因:, 欧姆漏电, 热电子发射, 反馈效应, 场致发射, 其它因素,所
21、以,一般在使用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; 但由于环境温度、热辐射和其它因素的影响,造成的这种暗电流通常可以用补偿电路消除。,光电倍增管使用时,一般即使没有光信号输入,加上电压后阳极 仍有电流,此电流称为暗电流,本底电流: 指如果光电倍增管与闪烁体放在一处,在完全蔽光情况下出现的电流,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。 本底电流具有脉冲形式。,光电倍增管的光照特性,与直线最大偏离是3%,1013,1010,109,107,105,103,101,在45mA处饱和,1014,1010,106,102
22、,光通量/1m,阳极电流/ A,4. 光电倍增管的光谱特性 -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,是线性的关系, 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,如图所示。,四、光电倍增管的偏置bias voltage与放大电路,工作电压要保证阳极电流与光照在线性范围,电流放大倍数要满足系统的要求。 总阳极电压一般在9002000V间,打拿极间电压在80150V间,光电倍增管的电路图,1.分压电阻RL的确定,当工作时,各打拿级之间的内阻随信号电流的增加而减小,对分压电阻链RL有分流作用,
23、会引起极间电压变小,电流放大倍数降低。 为减小分流作用, RL取值要适当地减小,RL:R1Rn的电压就大,通常极间分压电阻取值为20K1M。,2.光电倍增管与前放的耦合,其输出电压或电流从其阳极取出,而阳极与阴极间一般有9002000V的直流高压,存在电源接地的问题。,正高压供电,负端接地。 优点:光、磁和电的屏蔽罩电压很低,可直接接近管子外壳,暗电流和噪声较低,但因阳极的正电压必须通过耐高压的隔直电容才能与前放耦合,只能输出交流信号。,负高压供电,阳极电位近于0,从阳极取出电压或电流可与前放直接耦合。但由于阴极有负高压存在,屏蔽罩应离开管子玻璃壳12cm,否则阳极输出的暗电流和噪声增大。,1
24、、原理 闪烁计数器是一种通用的精密核辐射探测器 核辐射的粒子能量被闪烁体(荧光体)吸收转换为闪光(光子),闪光传输到倍增管的光阴极转换为光电子,经倍增放大后输出电脉冲信号至记录设备中。 只要探测出脉冲信号的数目及幅度,可测出射线的强弱与能量的大小。,闪烁计数器原理图,2.1.4 在闪烁计数器中的应用,采用两种放大器图。左图中180K的负载电阻将倍增管的电流脉冲变为电压脉冲,送入射随器。右图共基极电路特点是输入阻抗很小(约为几十欧姆)。,高输入阻抗的电压放大器电路图,低输入阻抗的电流放大器电路图,2、输出的脉冲信号放大,2.2 光电导效应器件及其应用 Photoconductor and its
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