第6章光电式传感器及应用1

《第6章光电式传感器及应用1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章光电式传感器及应用1（93页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第6章光电式传感器及应用1引言v 光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将被测非电量光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将被测非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。通过光量的变化再转化成电量的传感器。v 光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件3部分组部分组成。成。v 光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。v 光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此在自动检测，计算机和控制系统中，应用非常靠性，因此在自动检测，计算机和控制系统中，应用

2、非常广泛。广泛。v 光电式传感器的物理基础是光电效应。光电式传感器的物理基础是光电效应。2主要内容v6.1光电效应及光电元器件光电效应及光电元器件 v6.2光电式传感器的实用电路光电式传感器的实用电路 v6.3光纤传感器光纤传感器 v6.4红外传感器红外传感器36.1光电效应及光电元器件v光电式传感器的工作原理是基于不同形式的光电光电式传感器的工作原理是基于不同形式的光电效应。效应。根据光的波粒二象性，光是一种以光速运根据光的波粒二象性，光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。具有的能量动的粒子流，这种粒子称为光子。具有的能量h正比于光的频率正比于光的频率（h普朗克常数）。每个光子具普朗

3、克常数）。每个光子具有的能量为有的能量为 E= h 6.1.1 光电效应及分类4v对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为看作物体受到一连串能量为h的光子所轰击，组的光子所轰击，组成该物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应成该物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。的物理现象称为光电效应。 光电效应通常分为三类：光电效应通常分为三类： 1) 1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称

4、为称为外光电效应外光电效应，光电元件有光电管、光电倍增管，光电元件有光电管、光电倍增管等。等。 2) 2)在光线作用下能使物体的导电性能发生变化在光线作用下能使物体的导电性能发生变化的现象称为的现象称为内光电效应内光电效应。光电元件有光敏电阻、光。光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶体管等。敏二极管、光敏三极管、光敏晶体管等。 3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为现象称为光生伏特效应光生伏特效应，光电元件有光电池等。，光电元件有光电池等。2022年6月1日6.1.2 光电元器件及基本测量电路 v 它们是利用外光电效应制成的光电元

5、件。它们是利用外光电效应制成的光电元件。（1）光电管的结构如图）光电管的结构如图6-1所示。所示。半圆筒形金属制成阴极半圆筒形金属制成阴极K K、阴极轴心的阳极阴极轴心的阳极A A封装在真空玻壳内，当入射光照射在封装在真空玻壳内，当入射光照射在K K上时，上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加子，从而使自由电子的能量增加hvhv。v 1光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管图6-1 光电管的结构 6光电子的能量v当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，时，自由

6、电子就可以克服金属表面束缚而逸出，形成自由电子就可以克服金属表面束缚而逸出，形成逸出电子。这种逸出的电子称为逸出电子。这种逸出的电子称为光电子光电子，光电子，光电子逸出金属表面的初速度逸出金属表面的初速度可由爱因斯坦光电效应可由爱因斯坦光电效应方程确定。方程确定。 v（1/2）m2= hA 7当阴极金属材料选定后，要使阴极金属表面有电当阴极金属材料选定后，要使阴极金属表面有电子逸出，入射光的频率子逸出，入射光的频率要大于某一最低限度，否要大于某一最低限度，否则当则当h小于小于A时，不管光通量有多大，都不可能有时，不管光通量有多大，都不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为电子逸出，这个最低限度

7、的频率称为红限红限。当。当h大大于于A时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流电流I就越大。就越大。 8光电管符号及测量电路 v光电管正常工作时，阳极电位高于阴极电位。光电管正常工作时，阳极电位高于阴极电位。v在入射光频率大于在入射光频率大于“红限红限”的前提下，当光电管的前提下，当光电管阳极加上适当电压（几十伏）时，从阴极表面逸阳极加上适当电压（几十伏）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为中形成电流，称为光电流光电流。 9图6-2 光电管符号及测量电路（2）光电倍增管）

8、光电倍增管 光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子，并使电子获光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子，并使电子获得倍增的电真空器件。得倍增的电真空器件。它有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线它有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。性好，多用于微光测量。光电倍增管由两个主要部分光电倍增管由两个主要部分构成构成：阴极室和若干光电倍阴极室和若干光电倍增极组成的二次发射倍增系统增极组成的二次发射倍增系统 ，结构示意图如图结构示意图如图6-3所示。所示。10v 在它的阴极与阳极之间设置许多二次倍增极在它的阴极与阳极之间设置许多二次倍增极D1、D2、D3、，它们又称为第

9、，它们又称为第1倍增极、第倍增极、第2倍增极倍增极，相邻电极之间通常加上相邻电极之间通常加上100V左右的电压，其电位逐左右的电压，其电位逐级提高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差级提高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差一般在。一般在。6001 200V左右。左右。 图6-3 光电倍增管结构示意图 11原理v 当微光照射阴极当微光照射阴极K时，从阴极时，从阴极K上逸出的光电子在上逸出的光电子在D1-的电的电场作用下，以高速向倍增极场作用下，以高速向倍增极D1射去，产生二次发射，于射去，产生二次发射，于是更多的二次发射的电子又在是更多的二次发射的电子又在D2电场作用下，射向第二电场作用下

10、，射向第二倍增极，激发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电倍增极，激发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所收集。若每子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所收集。若每级的二次发射倍增率为级的二次发射倍增率为m，共有，共有n级（通常可达级（通常可达911级），级），则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大mn倍，倍，因此光电倍增管的灵敏度极高。因此光电倍增管的灵敏度极高。 12 图6-3 光电倍增管结构示意图 光电倍增管的稳定性v 各倍增极的电压是用分压电阻各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、Rn获得的，阳

11、极电流流获得的，阳极电流流经电阻经电阻RL得到输出电压得到输出电压Uo。v (1)当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容C-1、C2、Cn和输出隔离电容和输出隔离电容C0都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接。并且输出可以直接与放大器输入端连接。(2)当入射光通量为脉冲量当入射光通量为脉冲量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接入隔离电容，同时各倍增极的并联