本第六章物理传感器3(光电式光纤激光式).ppt

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本第六章物理传感器3(光电式光纤激光式)

第六章 物理传感器3 (光电式、光纤、激光式传感器) 张麒 上海大学 通信与信息工程学院 光电式传感器 概念 光电式传感器 光学传感器 光敏传感器 物理基础:光电效应 光信号转换成电信号 优点 反应速度快、灵敏度高、可靠性好、抗干扰能力强、结构简单 6.1 光电效应 光照射到物体上时,物体受到一连串具有能量的光子的轰击,于是物体中的电子吸引了光子的能量而产生电效应 发射电子 产生电动势 改变电导率 外光电效应(光电子发射效应) 光照射某种物质时,光子具有的能量E正比于光的频率 h为普朗克常数 光子与物质中的电子相互作用,致使电子逸出物质表面,向外发射电子 能量转换公式 入射光子的能量必须大于逸出功,才能使电子有足够的动能逸出表面,产生光电子发射 基于外光电效应的器件 光电管、光电倍增管 内光电效应 光电导效应 光电导体在光作用下,其电导率(电阻)发生变化的现象 光激发的载流子变化将会引起导体电导率变化 当给光电导体两端加一恒定电压时,电导率变化将会产生一个与光辐射度有关的电信号 基于此效应的光电导体:光敏电阻 内光电效应 光生伏特效应 某些半导体或电介质材料,在光线作用下,产生一定方向的电动势的现象 半导体PN结具此效应 当光照射半导体PN结时,产生光激发,形成电子-空穴对;在结电场作用下,电子和空穴分别向N区和P区移动,在PN结的两端将产生一定的电位差(光电动势),并将在外回路中产生电流 基于此效应的光电导体: 光电池 光敏晶体管 光敏场效应管 6.2 光电器件的基本特性参数 响应度 单位入射光功率作用下器件的输出电压 表征光敏器件输出信号的能力 光谱特性 光敏器件对不同波长的同强度 辐射所产生的响应度不一样 横轴表示入射光波长, 纵轴表示归一化的响应度 截止波长:响应度下降为一半 噪声等效功率(NEP) 入射到光敏器件光敏面上的辐射功率所产生的响应电压恰好等于该器件的噪声电压值时,该辐射功率称为噪声等效功率 由于噪声存在,一个光敏器件在检测信号时有一个阈值,低于这个阈值的辐射信号是无法检测到的 响应时间 表征光敏器件对入射光辐射响应的快慢 对不同频率的光响应时间不同 线性度 光敏器件输出光电流(电压)与输入光功率成线性比例的程度与范围 6.3 光电子发射效应型器件 (1) 光电管 在真空玻璃泡内有两个电极 阴极:在半圆形的金属片上涂上感光材料 不同的感光材料光谱特性不同,常用银、钙、锑 阳极:由环状的单根金属丝构成 没有受到光照时电路无电流 如果阴极受到光照,将发射电子,在阳极正电势吸引下形成电子流,并在输出负载上形成电压降 (2)光电倍增管 高真空管中装入光电阴极、阳极,以及多个倍增电极 在阴极与阳极之间加入1000-2500V高压 通过电压分配器使各电极的电位从阴极到阳极逐渐升高,一般每相邻倍增电极间电位相差100V左右 倍增电极用次极发射材料制成,在受到一个电子轰击后能释放数个电子 当有微弱光线时,光子打在阴极上发射一个电子,极间电压差使此电子加速飞入第一倍增极,引起倍增极二次电子发射,释放δ个次极电子;依次类推 经n个倍增极后,一个电子变成了δn个电子 设δ=4, n=10,则放大约100万倍 说明光电倍增管对很微弱的光能产生很大的电流 光电倍增管的主要特征参数 电流放大倍数M(电流增益) 阳极信号电流IA与阴极电流IK的比值 一般为:104-108 与加在光电倍增管上的电压(阴-阳极电压)成正比 灵敏度 照射的单位光通量使阳极产生的光电流值 也可理解为:入射一个光子后在阳极上能收集到的平均电子数 暗电流 当光电倍增管加有一定的工作电压,但完全没有光照时,仍有阳极电流输出,此电流的直流分量称为暗电流 与工作电压和温度有关,但主要取决于材料本身 欧姆漏电 热发射 光电子发射效应型器件的应用 探测光学信号 探测仪器 生化仪器 医用射线仪器 光电管成本低、要求直流电压低,但灵敏度低,因此多用于光信号较强的光学分析仪器 光电倍增管灵敏度高、放大倍数高、性能稳定,多用于弱光线的测量,尤其是对各种射线的探测 两者在分光光度计中都得到应用 6.4 光电池 借助内光电效应 优点:体积小、质量轻、结构简单、寿命长、性能稳定、灵敏度较高、光谱响应频带较宽 常用于小型化与微功耗仪器 分类 PN结类 又称光电二极管 硅光电池、锗光电池 金属-半导体类 在半导体材料上蒸镀一层半透明的金属薄层 硒光电池、氧化亚铜光电池 光电池的基本性能 光谱特性 硅光电池 波长:0.4-1.2um;最大灵敏峰0.8um 硒光电池 波长:0.3-0.7um;最大灵敏峰0.5um 响应时间 硅光电池快很多,可用于高速计数仪器 伏安特性 为了使光电池的输出电压U或电流I与入射光强度E之间保持良好的线性关系,必须正确地选择负载电阻 线

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