光纤传感器的发展.ppt

第8章光电式传感器
光电器件
光纤传感器
光电传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化,再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。
光电器件
光子:一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的,这些粒子称为~。光子具有能量,每个光子具有的能量由下式确定:
E=hυ
(8-1)
h——普朗克常数=×10-34(J·s) 
υ—光的频率(s-1)。
所以光的波长越短,即频率越高,其光子的能量也越大; 反之,光的波长越长,其光子的能量也就越小。
1. 外光电效应
光电器件是将光信号的变化转换为电信号的一种传感器,是光电传感器的
核心部件。光电效应分为外光电效应和内光电效应。
外光电效应:在光线作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为~。向外发射的电子叫光电子。
光电管、光电倍增管—基于外光电效应的光电器件。
光照射物体,可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体,物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时,电子就会逸出物体表面,产生光电子发射, 超过部分的能量表现为逸出电子的动能。
(8-2)
m——电子质量; 
v0—电子逸出速度。
光电子逸出物体表面时具有初始动能 ,因此对于外光电效应器件, 即使不加初始阳极电压,也会有光电流产生,为使光电流为零, 必须加负的截止电压。
根据能量守恒定理
—爱因斯坦光电效应方程式
光子能量必须超过逸出功A0,才能产生光电子;
入射光的频谱成分不变,产生的光电子与光强成正比;
2. 内光电效应
内光电效应:在光线作用下,物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为~。
内光电效应分类: 
(1) 光电导效应: 在光线作用下,当半导体材料吸收了入射光子能量,若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度→就激发出电子-空穴对,使载流子浓度增加→半导体的导电性增加,阻值减低,这种现象称为~。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。光敏二极管,光敏晶体管也是基于内光电效应的。
(2) 光生伏特效应: 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为~。基于该效应的光电器件有光电池。
光敏电阻
1. 光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻(光导管):用半导体材料制成的光电器件。
原理,特点:①无极性, 纯电阻器件,可加交、直流电压。
②无光照时,电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)很小。
③在一定波长范围的光照时,阻值(亮电阻)急剧减小→电路中电流(亮电流)迅速增大。
对光敏电阻的要求:一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好, 此时光敏电阻的灵敏度高。
实际暗电阻值在兆欧量级, 亮电阻值在几千欧以下。
结构:金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。
光导层—在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质,称为~。
金属电极—装于半导体的两端,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。
漆膜—为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。
光敏电阻的电极一般采用梳状图案→以提高灵敏度,。
图 8-1 光敏电阻结构
光敏电阻结构
梳状电极
接线图
2. 光敏电阻的主要参数

(1) 暗电阻与暗电流光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。
(2) 亮电阻与亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。
(3) 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。
3. 光敏电阻的基本特性
(1) 伏安特性在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为~。由图 8-2可见,光敏电阻在一定的电压范围内,其I-U曲线为直线。说明其阻值与入射光量有关,而与电压电流无关。
(2)光照特性描述光电流I和光照强度之间的关系,不同材料的光照特性是不同的,绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图8-3为硫化镉光敏电阻的光照特性。
图 8-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性
图8-3硫化镉光敏电阻的光照特性
(3) 光谱特性(光谱响应)---光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用,即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长λ的关系称为光敏电阻的光谱特性。
图8-4 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长,光敏电阻的灵敏度是不同的,而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。
从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域,常被用作光度量测量(照度计)的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头。
图8-4 光敏电阻的光谱特性