光電式傳感器

關(guān)于光電式傳感器第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月光電傳感器的構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光電元件。應(yīng)用：1、光量變化的非電量；

2、能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。特點(diǎn)：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。被測量的變化光信號的變化電信號的變化第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、。第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1概述8.1.1光的特性光波是波長為10~106nm的電磁波。1000,000nm10nm780nm380nm可見光紅外光紫外光性質(zhì)：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)：光在空間傳播時，是不連續(xù)的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速運(yùn)動的粒子流，愛因斯坦把這些不連續(xù)的量子稱為“光量子”。1926年，美國物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱為“光子”，并沿用至今。每個光子的能量為E=hν可見，光的頻率愈高，光子的能量愈大。第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2光源（發(fā)光器件）1.白熾光源最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：320nm~2500nm,

所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.氣體放電光源利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈即氣體放電燈。它的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/3。第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)成：由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成。特點(diǎn)：工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。

3.發(fā)光二極管（LED——LightEmittingDiode）第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月RUNP++++++++++++++++----------------UiD++__原理：當(dāng)加正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，和P區(qū)里的空穴復(fù)合；空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種電子空穴對的復(fù)合同時伴隨著光子的放出，因而發(fā)光。第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量等于PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）Eg。所放出的光子能量用hν表示，有普朗克常數(shù)h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eV第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月Eg的單位為eV，1eV=1.6╳10-19J?？梢姽獾牟ㄩL近似地認(rèn)為在7×10-7m以下，所以制作可見光區(qū)的發(fā)光二極管，其材料的禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/=1.8eV普通二極管是用硅或鍺制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為1.12eV和0.67

eV，顯然不能使用。第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當(dāng)x＞0.35時，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，使

在550～900nm間變化。第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月與此相似的可供制作發(fā)光二極管的材料見下表：材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵曲線有兩根，這是因?yàn)槠洳馁|(zhì)成分稍有差異而得到不同的峰值波長p。除峰值波長p決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（用Δ描述）決定光的色彩純度，Δ越小，其光色越純。第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光二極管的光譜特性0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對靈敏度Δ第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月U/V

I/mA

-10

-5

0

12GaAsP(紅)GaAsP(綠)反向電壓應(yīng)在5V以下!發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點(diǎn)燃）電壓略有差異。紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一。具有高方向性、高單色性、高亮度和高的相干性四個重要特性。激光波長一般從0.15μm到遠(yuǎn)紅外整個光頻波段范圍。X-射線激光器。第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）液體激光器（染料激光器）。半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）固體激光器典型實(shí)例是紅寶石激光器，是1960年人類發(fā)明的第一臺激光器（T.Maiman）。工作物質(zhì)為紅寶石---摻0.05%Cr+3的Al2O3棒。第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月Nd:YAG激光器

摻Nd+3

離子的激光器有三種:

?玻璃釔鋁石榴石氟化釔鋰（

YLF：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12激活離子基質(zhì)釔鋁石榴石第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）氣體激光器工作物質(zhì)是氣體。種類：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。波長覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）液體激光器種類：螯合物激光器、無機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中較為重要的是有機(jī)染料激光器。它的最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）半導(dǎo)體激光器與前幾種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶。其缺點(diǎn)是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.1外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。8.2光電效應(yīng)兩類：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的；1902年，勒納（Lenard)也對其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時的理論加以解釋；1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)。第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月愛因斯坦光電效應(yīng)方程：1.光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A。

2.一定時，產(chǎn)生的光電流和光強(qiáng)成正比。3.逸出的光電子具有動能?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。1．光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶禁帶導(dǎo)帶價帶

Eg電子能量Eh≧Eg當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng),光電材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）

光照射PN結(jié)時，若h≧Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，電子偏向N區(qū)外側(cè)，空穴偏向P區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光生電動勢。２．光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管。PN第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月②側(cè)向光電效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，光照部分產(chǎn)生電子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現(xiàn)了載流子濃度梯度，引起載流子擴(kuò)散，如果電子比空穴擴(kuò)散得快，導(dǎo)致光照部分帶正電，未照部分帶負(fù)電，從而產(chǎn)生電動勢，即為側(cè)向光電效應(yīng)。第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.1

光電管及其基本特性１．結(jié)構(gòu)與工作原理8.3

外光電效應(yīng)器件第37頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月２．主要性能（1）光電管的伏安特性

在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。真空光電管充氣光電管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012陰極電壓/VIA/μA2010050弱光強(qiáng)光1504681012陰極電壓/VIA/μA第38頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）光電管的光照特性當(dāng)光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。圖8-5光電管的光照特性255075100200.51.52.0