传感器原理 孟立凡蓝金 辉cgq10课件.ppt

第10章 光电式传感器 10.1 光电式传感器的工作原理及基本组成 10.2 光电式传感器中的敏感元件 10.3 光电式传感器的类型及设计 10.4 光电式传感器的应用 光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置，光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。其核心（敏感元件）是光电器件，基础是光电效应。 光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其它被测量，然后输出电信号。 测量光学量时，光电器件是作为敏感元件使用；而测量其它物理量时，它作为变换元件使用。 光电式传感器由光路及电路两大部分组成，光路部分实现被测信号对光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到电信号的转换。 常用的光电转换元件有真空光电管、充气光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光电二极管及光敏三极管等，它们的作用是检测照射其上的光通量。选用何种形式的光电转换元件取决于被测参数所需的灵敏度、响应的速度、光源的特性及测量环境和条件等。 10.2光电式传感器中的敏感元件 当光照射在某些物体上时，光能量作用于实测物而释放出电子，这种现象称为光电效应，所放出的电子叫光电子。光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类。根据这些效应可以做出相应的光电转换元件，简称光电元件或光敏器件。 光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。 爱因斯坦的光子假设：光子是具有能量的粒子，每一光子的能量: 一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收，无需积累能量的时间. 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。 1.光电管及其基本特性 (1)结构与工作原理 光电管有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，如图所示。它们由一个阴极和一个阳极构成，并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。当光照在阴极上时，中央阳极可收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流I。 (2)主要性能 1)光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电传感器参数的主要依据。 2)光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如下图所示。 3)光电管的光谱特性 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n0，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n0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量也会不同，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。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。 2.光电倍增管及其基本特性 1）结构与工作原理 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测，这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图是光电倍增管的外形和工作原理图。光电倍增管由光阴极、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。次阴极是在镍或钢－铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的。阳极是最后用来收集电子的。 如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子,这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极。设这时第一倍增极有δ个二次电子发出,这δ个电子又轰击第二倍增极。而其产生的二次电子又增加δ倍。经过n个倍增极后,原先一个电子将变为δn个电子。这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流i,则  i=iΦδn  式中：