第6章 光学量传感(1)（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学）

第6章 光学量传感与应用 概 述 光的特性 光波是波长为10~106nm的电磁波。 1000,000 nm 10 nm 780 nm 380 nm 可见光 红外光 紫外光 性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。 1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。 每个光子的能量为 E=hν 可见，光的频率愈高，光子的能量愈大。 2024/1/7 3 H为普朗克系数，v为光子频率 光电效应：在光照射下，物体中的电子吸 收了入射光子的能量，发生电学效应的现象 光电效应的分类：外光电效应、内光电效应、 光生伏特效应（阻挡层光电效应）。 外光电效应：在光作用下电子逸出物体表面 的现象。光电效应方程 发生光电效应入射光的最小频率： 对应的最大波长（称红限频率）： 要发生光电效应，入射光频率或波长应该满足： 如：光电管、光电倍增器 内光电效应：光作用使光电器件的电阻率发 生变化的现象。如：光敏电阻。 光生伏特效应：光作用使物体产生一定方向 电动势的现象。如光电池，光敏二极管、光敏 三极管。 A 光电管及其基本特性 １．结构与工作原理 1　　外光电效应器件 阴阳两极加电势，当光照时会产生光电流，光电流的大小与光照强度成正比。 真空光电管 充气光电管 I 1．光电特性 表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上光通量φ之间的关系。 从真空管及充气光电管的光电特性可以看出，转换灵敏度均为常数。但是由于充气光电管惰性较大，参数随极间电压变化，若光通量为交变量则灵敏度出现非线性，且许多参数与温度有密切关系及易老化等缺点，实际使用中真空光电管使用更加普遍。 真空光电管应用更为普遍！ (2) 光电管的光谱特性 由于光阴极（材料）对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。 以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限λc=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被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，构成红外探测器。 对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。 国产光电管的技术参数 2 光电倍增管 图7-3 光电倍增 管的结构图     在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，在这种情况下即使光电流能被放大，但信号与噪声同时被放大了，为了克服这个缺点，就要采用光电倍增管。 在各个倍增极上加上一定的电压，阴极K电位最低，从阴极开始，各个倍增极电位依次升高，阳极A电位最高。 光电阴极K 阳极A 若干倍增极(4~14) 锑—钩 photomultiplier 不放 图7-3 光电倍增 管的结构图 入射光在光电阴极上激发电子，由于各级间有电场的存在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，这些倍增极具有这样的特性，在受到一定数量的电子轰击后，能放出更多的电子，称为“二次电子”。若光电阴极发射一个电子，倍增率为δ，则第一倍增极有δ个电子发出，依次类推，若n级则有δ n个电子到达阳极。 光电阴极K 阳极A 若干倍增极(4~14) 构成倍增极的材料一般δ >1。 例： δ =4，若有n=10个倍增极，则放大倍数为： δ n= 4 10≈106 由此例可以看出，光电倍增管的放大倍数是很高的。 Dynode 倍增极 Input Window Photo Cathode 倍增率 光电倍增管（日本） 光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，光敏电阻没有极性，为纯电阻元件，使用时可加直流电压，也可以加交流电压。 3. 光敏电阻（又称为光导管） 原理： 当无光照时，光敏电阻 值(暗电阻)很大(达100MΏ)，电路中电流很小； 当光敏电阻受到一定波长光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少(约1KΏ) ，因此电路中电流迅速增加。 结构： 虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但深入厚度有限，因此，光电导体都做成薄层。壳体要求良好密封，因为光敏电阻的灵敏度极易受潮湿的影响。 光电半导体安装在绝缘衬底上，半导体吸收光子而产生光电效应，只限于光照的表面薄层， 电极形状： 这种电极形状可以获得较高的灵敏度，这种形