重庆科创学院光电式传感器.ppt

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
第9章光电传感器
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一、概述
光波是波长为10~106nm的电磁波。其中可见光的波长范围在380~780nm,紫外线的波长范围是10~380nm,红外线的波长范围是780~106nm。
光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知,光是由一定能量的粒子(光子)所形成,每个光子的能量为
h——普朗克常数,×10-34J·s;
ν——光的频率(单位s-1)。
可见,光的频率愈高(即波长愈短),光子的能量愈大。
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1、外光电效应
物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。
二、光电效应
当物质受光照后,物质的电子吸收了光子的能量所产生的电现象称为光电效应
根据爱因斯坦假设:一个光子的能量只能给一个电子。因此,如果一个电子要从物体中逸出表面,必须使光子能量E大于表面逸出功A,这时逸出表面的电子就具有动能EK。
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爱因斯坦光电效应方程:
(1)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电子逸出功A0。
(2)在入射光的频谱不变时,产生的光电流和光通量成正比。
(3)光电子逸出物体表面具有初始动能。
m——电子质量;
v——电子逸出初速度
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。
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2、内光电效应
当光照在物体上,使物体的电导率发生变化的现象。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
3、光生伏特效应
在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。
基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。
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1、光电管及其基本特性
(1)结构与工作原理
三、外光电效应器件
①结构
半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内。
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②工作原理
当入射光照射在阴极上时,光子的能量传递给阴极表面的电子,从而使电子的能量增加。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功时,它就可以克服金属表面束缚而逸出形成电子发射,被具有正电位的阳极所吸引,在光电管中形成电流,称为光电流。(此时若光通量增大,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。)从而实现光电转换。
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(2)主要性能
①光电管的伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时,阳极与阴极之间的电压与光电流的关系。
真空光电管充气光电管
150
100
50
2
0
20μlm
40μlm
60μlm
80μlm
100μlm
120μlm
4
6
8
10
12
电压/V
IA/μA
2
0
100
50
弱光
强光
150
4
6
8
10
12
电压/V
IA/μA
8
②光电管的光照特性
当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时,光通量与光电流之间的关系。
光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度
图光电管的光照特性
25
50
75
100
0



Φ/1m
IA/ μA


9
③光电管的光谱特性
指对不同波长的光,光谱灵敏度不同
*一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率,因此它们可用于不同的光谱范围。另外,同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。
要使物体表面有电子逸出,入射光的频率有一最低的限度,这个最低限度的频率称为红限频率
0 500 1000 1500 2000 2500
20
40
60
80
100
入射光波长/nm
相对灵敏度/%
10