第十章 光电式传感器.ppt

第十章光电式传感器
光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件,它的物理基础是光电效应。
在光线的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。如光电管,光电倍增管。
当光照射在物体上,使物体的电阻率ρ发生变化,或产生光生电动势的现象叫做内光电效应,它多发生于半导体内。根据工作原理的不同,内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。如光敏电阻等器件。

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. 光电管结构与工作原理
光电管的结构示意图
光
阳极
光电阴极
光窗
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。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。
光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。
(1) 光电管的伏安特性
2. 主要性能
在一定的光照射下,对光电器件的阴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。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。
光电管的伏安特性
50
20μlm
40μlm
60μlm
80μlm
100μlm
120μlm
100
150
200
0
2
4
6
8
10
12
阳极与末级倍增极间的电压/V
IA/ μA
(2) 光电管的光照特性
通常指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。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电
管的光照特性,光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性,它成非线性关系。光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之间比)称为光电管的灵敏度。
光电管的光照特性
25
50
75
100
2
0



Φ/1m
IA/ μA


1
(3)光电管光谱特性
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υ0,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υ0,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还会不同,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。
国产GD-4型的光电管,阴极是用锑铯材料制成的。其红限λ0=7000Å,它对可见光范围的入射光灵敏度比较高,转换效率:25%~30%。它适用于白光光源,因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源,常用银氧铯阴极,构成红外传感器。对紫外光源,常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外,锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽,为3000~8500Å,灵敏度也较高,与人的视觉光谱特性很接近,是一种新型的光电阴极;但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异,因而在测量和控制技术中,这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作,如坦克和装甲车的夜视镜等。
一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时,光电流将有下降趋势,频率愈高,下降得愈多。

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μA,很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大,下图为其内部结构示意图。
1. 结构和工作原理
由光阴极、次阴极(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;次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的,次阴极多的可达30级;阳极是最后用来收集电子
入射光
光电阴极
第一倍增极
阳极
第三倍增极
的,收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时,它就能产生很大的光电流。
(1)倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同,则M= 因此,阳极电流 I 为
I = i · i —光电阴极的光电流
光电倍增管的电流放大倍数β为
β= I / i =
M与所加电压有关,M在105~108之间,稳定性为1%左右,%以内。如果有波动,倍增系数也要波动,因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为10