第6章 光电式传感器传感器.ppt

第6章 光电式传感器传感器 6.1 光电检测器件 6.2 光电式编码器 6.3 光纤传感器 6.4 光栅式传感器 6.5 激光探测器（传感器） 6.1光电检测器件 光电检测器件按探测原理可分为： 热探测型 首先将光信号的能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，应用在一些特殊场合，尤其是远红外区域。 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L波长的光线，但其响应速度快，灵敏度高，使用广泛。 6.1.1热释电探测器 1.热释电效应 一些晶体材料受热时温度升高，在晶体两端产生数量相等符号相反的电荷，晶体冷却，则电荷符号与温度升高时相反。这种由于热变化产生的电极化现象称作热释电效应。 由于热释电晶体内部结构，在某方向上正负电荷重心不重合而产生自发极化，在单位体积内由自发极化产生的电偶极矩叫做自发极化强度，通常用PS表示 。 温度升高时，晶体内热运动加剧，阻止电偶极子的正常取向，尽管场强不变，但Ps下降。当温度升至一定值时，铁电体要发生相变，即从极性晶体变为没有极性的晶体，Ps为零，这一定值称为居里温度。因此，只能在居里点以下的温度使用热释电晶体。 2．热释电探测器 当光辐射到铁电材料上，电偶极矩的有序排列会有所减弱，表现为表面电荷的减少，这相当于释放一部分电荷。释放的电荷可用放大器转变为输出电压。 热释电传感器的结构型式很多，根据固定方式可分为有衬底结构和无衬底悬空结构；根据电极位置，可分为面电板结构和边电极结构；另外按照有无吸收层又可分为两种结构。由上述几种结构相互组合可构成许多结构型式。但每种结构型式通常由热释电晶体片、电极、导热体、窗口及管壳5部分构成。 对大功率器件需用导热体，而对弱辐射测量则不要导热体，这样还可提高灵敏度。 热释电探测器由于响应波段宽，从紫外线到红外线都有着均匀的光谱响应特性。响应速度快，不需要加偏压电源，可在室温下工作等优点，故在许多技术领域中得到应用。如用于热成像、测量目标和背景温度。如热释电器件构成的红外电视摄像机，结构简单、价格低廉、温度分辨率较好，很受重视。另外，由于热释电陶瓷熔点高．即使在强脉冲激光下也不会受到损伤，所以可用于快速光脉冲测量、激光测量、光语测量等。此外，如对热释电探测器装不同光学波长特性的滤波器，则可作火焰检测器、人体探测等。 6.1.2 光电效应 1、外光电效应 光线照射在某些物体上，使逸出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。 一束光是一束以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子，每个光子具有一定的能量E E = hv 式中，h为普朗克常数，h=6.626 x 10—34J·s；v为光的频率(s-1)。 2、内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两类。 （1）光电导效应 光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 当光照射到光电导体上时，若这种光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光电导体的电导率增大。光线越强，阻值越低。为了实现能级的跃迁，入射光子的能量hv必须大于光导电材料的禁带宽度Eg，由此入射光能导出光电导效应的临界波长λ0为 λ0＝hc/Eg （2）光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。 1）势垒效应(结光电效应)。接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 2）侧向光电效应。当半导体光电