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47光电式传感器会计学第1页/共60页 光源（发光器件）1、钨丝白炽灯钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。 在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。第2页/共60页2、气体放电灯如：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯，是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。第3页/共60页3、发光二极管LED（Light Emitting Diode）由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。不同材料发光二极管有不同的光谱特性。第4页/共60页4、激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器第5页/共60页§1 光电效应及光电器件光电传感器的物理基础是光电效应。当光照射到某些物质上时，使该物质的电特性发生变化，这种现象就是光电效应。光电效应通常分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。 外光电效应及其器件? 内光电效应及其器件 光生伏特效应及其器件第6页/共60页1) 外光电效应及其器件当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，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。第7页/共60页光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率ν的关系为 νλ=3×1010cm / sν的单位为Hz，λ的单位为cm。 第8页/共60页根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功A，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理 式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。可见：光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。即入射光波长小于波长限时才能产生外光电效应第9页/共60页根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。光电管光电管是装有光阴极和阳极的真空玻璃管，其阴极受到适当的光照后发射光电子，这些光电子被具有一定电位的阳极吸引，并在管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在光电管的外电路上接适当电阻，电阻上的电压降将和管内空间电流成正比，或与照射到光电管阴极上的光有函数关系，从而实现光电转换。 第10页/共60页由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。光电倍增管光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成。因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流。第11页/共60页Siemens原装光电管QRA2