第10章-光电测量技术-检测技术与仪器-工程测试技术-教学课件.pptx
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1、第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电式传感器:光电式传感器:将被测量的变化转换成光量的变化,将被测量的变化转换成光量的变化,再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种装置。再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种装置。光电传感器的物理基础是光电效应。光电传感器的物理基础是光电效应。10.1 10.1 光电测量基础知识光电测量基础知识第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电效应分两大类型:光电效应分两大类型:外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应外光电效应:外光电效应:在光的照射作用下,使电子逸出物体表面而在光的照射作用下,使电子逸出物体表面而产生电子发射的现象。产生
2、电子发射的现象。基于基于外光电效应外光电效应的的光电元件光电元件有光电有光电管、光电倍增管等。管、光电倍增管等。内光电效应:内光电效应:光照射到半导体材料上,材料中处于价带的光照射到半导体材料上,材料中处于价带的电子吸收光子能量,通过禁带跃入导带,使导带内电子浓电子吸收光子能量,通过禁带跃入导带,使导带内电子浓度和价带内空穴浓度增多的现象。内光电效应分为度和价带内空穴浓度增多的现象。内光电效应分为:光电光电导效应导效应、光生伏特效应光生伏特效应和和光敏晶体管效应光敏晶体管效应,相应元件有光,相应元件有光敏电阻、光电池和光敏二、三极管。敏电阻、光电池和光敏二、三极管。第第1010章章 光电测量技
3、术光电测量技术 物体在光的照射下产生电子发射的现象称物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电发射效应或外光电效应。为光电发射效应或外光电效应。E=hfh普朗克常数,普朗克常数,h=6.631010-34-34JSJS;f是光的频率。是光的频率。光子的能量光子的能量E与它的频率成正比与它的频率成正比(爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论)第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 物体表面受到光的照射,表面内的电子与光子碰撞,物体表面受到光的照射,表面内的电子与光子碰撞,发生能量转移,光子把全部能量转移给电子,使电子的发生能量转移,光子把全部能量转移给电子,使电子的能量增加。如果电子的能量超过
4、逸出功能量增加。如果电子的能量超过逸出功A0时,电子就时,电子就逸出物体表面产生光电发射。如果不考虑电子热运动的逸出物体表面产生光电发射。如果不考虑电子热运动的能量,产生光电发射的条件是:光子能量能量,产生光电发射的条件是:光子能量hf超过表面超过表面逸出功逸出功A0。光子能量超过表面逸出功的部分,表现为。光子能量超过表面逸出功的部分,表现为电子的能量。电子的能量。mv2/2=hf-A0v-电子逸出时的速度电子逸出时的速度;m-电子的质量。电子的质量。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律:1)物体表面发射的
5、电子数物体表面发射的电子数(光电流光电流)与光强成正比;与光强成正比;2)光电子的动能随光的频率成正比的增加,而与光光电子的动能随光的频率成正比的增加,而与光强无关;强无关;3)要使光电子逸出物体表面,必须要使光电子逸出物体表面,必须 hfA0。对于每。对于每种物体都存在一个极限频率,当入射光的频率低种物体都存在一个极限频率,当入射光的频率低于这个频率时,无论光强多强,都不会有光电子于这个频率时,无论光强多强,都不会有光电子发射出来。发射出来。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 在真空的玻璃泡内装有两个电极:在真空的玻璃泡内装有两个电极:光电阴极和阳极光电阴极和阳极。m(1)结构和工作
6、原理结构和工作原理(真空光电管真空光电管)10.2 光电器件的特性光电器件的特性光电管的分类光电管的分类:真空光电管真空光电管、充气光电管充气光电管光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁,光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁,有的是涂在半圆筒形的金属片上,有的是涂在半圆筒形的金属片上,阴极对光敏感的一面是向内的,在阴极对光敏感的一面是向内的,在阴极前装有单根金属丝或环状的阳阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。当阴极受到适当波长的光线照极。当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子,电子被带正电位射时便发射电子,电子被带正电位的阳极所吸引,这样在光电管内就的阳极所吸引,这样在光电管内就有电子流,在外电路中便产生了
7、电有电子流,在外电路中便产生了电流。流。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 充气光电管充气光电管 构造和真空光电管基本相同,所不同的仅是在玻璃泡内充构造和真空光电管基本相同,所不同的仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体,如氩或氖。当光电极被光照射而发射电子时,以少量的惰性气体,如氩或氖。当光电极被光照射而发射电子时,光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子,使其电离,使阳光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子,使其电离,使阳极电流急剧增加,提高了光电管的灵敏度。极电流急剧增加,提高了光电管的灵敏度。充气光电管的优点充气光电管的优点:灵敏度高灵敏度高;缺点缺点:灵敏度随电压显著变化、稳定性
8、、频率特性等比真灵敏度随电压显著变化、稳定性、频率特性等比真空光电管差。空光电管差。(2)主要性能主要性能光电管的伏安特性光电管的伏安特性 当光通量一定时,光电当光通量一定时,光电管的电流与阳极电压的关管的电流与阳极电压的关系。系。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电管的光照特性光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时,当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时,光通光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。氧化铯氧化铯阴极光电管的光照特性呈阴极光电管的光照特性呈线性线性关系。关系。锑化铯锑化铯阴极光电管的光照特性呈阴极光电管的
9、光照特性呈非线性非线性关系。关系。光电管的灵敏度光电管的灵敏度:光照特性曲线的斜率。光照特性曲线的斜率。1:氧化铯阴极光电管氧化铯阴极光电管2:锑化铯阴极光电管锑化铯阴极光电管第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电管的光谱特性光电管的光谱特性 材料不同的光电阴极光电管有不同的红限频率材料不同的光电阴极光电管有不同的红限频率v0,可,可用于不同的光谱范围。用于不同的光谱范围。光电管的光谱特性光电管的光谱特性:光电管对不同频率光的敏感度光电管对不同频率光的敏感度。对不同波长区域的光,应选用不同材料的光电阴极。对不同波长区域的光,应选用不同材料的光电阴极。2 光电倍增管及基本特性光电倍增管
10、及基本特性 在入射光极为微弱时,光电管产生的光电流很小,在在入射光极为微弱时,光电管产生的光电流很小,在这种情况下即使光电流能被放大,但信号和噪声同时被放这种情况下即使光电流能被放大,但信号和噪声同时被放大了,为克服这个缺点,要采用光电倍增管。大了,为克服这个缺点,要采用光电倍增管。(1)光电倍增管的结构和工作原理光电倍增管的结构和工作原理第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 它由光电阴极、若干个它由光电阴极、若干个倍增极和阳极三部分组成。倍增极和阳极三部分组成。光电阴极是由半导体光电材光电阴极是由半导体光电材料锑料锑铯制造的,入射光就铯制造的,入射光就在它上面打出光电子。倍增在它上面打
11、出光电子。倍增极数目在极数目在414个不等。个不等。在各倍增极上加上一定的电压,阳极收集电子,外在各倍增极上加上一定的电压,阳极收集电子,外电路形成电流输出。工作时,各个倍增极上均加上电压,电路形成电流输出。工作时,各个倍增极上均加上电压,阴极阴极K电位最低。从阴极开始,各个电位最低。从阴极开始,各个倍增极倍增极E1、E2、E3、E4(或更多)电位依次升高,(或更多)电位依次升高,阳极阳极A电位最高。电位最高。入射光在光电阴极上激发电子,由于各极间有电场存在,入射光在光电阴极上激发电子,由于各极间有电场存在,所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极,在受到一定所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极,
12、在受到一定数量的电子轰击后,能放出更多的电子,称为数量的电子轰击后,能放出更多的电子,称为“二次电二次电子子”。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电倍增管之倍增极的形状设计成每个极都能接受光电倍增管之倍增极的形状设计成每个极都能接受前一极的二次电子,而在各个倍增极上顺序加上越来越高前一极的二次电子,而在各个倍增极上顺序加上越来越高的正电压。这样如果在光电阴极上由于入射光的作用发射的正电压。这样如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子,这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而出一个电子,这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极,设这时第一倍增极有轰击第一倍增极,设这时
13、第一倍增极有个二次电子发出,个二次电子发出,这这个电子又轰击第二倍增极,而其产生的二次电子又增个电子又轰击第二倍增极,而其产生的二次电子又增加加倍,经过倍,经过n个倍增极后,原先电子将变为个倍增极后,原先电子将变为n个电子,个电子,这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。电流。(2)主要参数主要参数 倍增系数倍增系数M M等于各倍增电极的二次电子发射系数等于各倍增电极的二次电子发射系数i的乘积。的乘积。M=in (n个倍增电极的个倍增电极的i都一样都一样)第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 阳极电流阳极电流I为为 I=i
14、in (i光电阴极的光电流光电阴极的光电流)光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管的电流放大倍数 =I/i=in 光电阴极灵敏度和倍增管总灵敏度光电阴极灵敏度和倍增管总灵敏度 光光 电阴极的灵敏度电阴极的灵敏度一个光子在阴极上打出的平均电子数一个光子在阴极上打出的平均电子数。光电倍增管的总灵敏度光电倍增管的总灵敏度一个光子在阳极上产生的平均电子数。一个光子在阳极上产生的平均电子数。极间电压越高,灵敏度越高;但极间电压也不能极间电压越高,灵敏度越高;但极间电压也不能太高,太高反而会使阳极电流不稳。由于光电倍增管的太高,太高反而会使阳极电流不稳。由于光电倍增管的灵敏度很高,所以不能受强光照射,否则将会
15、损坏。灵敏度很高,所以不能受强光照射,否则将会损坏。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 暗电流和本底脉冲暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时,必须把管子放在暗室里一般在使用光电倍增管时,必须把管子放在暗室里避光使用,使其只对入射光起作用;但由于环境温度、热避光使用,使其只对入射光起作用;但由于环境温度、热辐射和其它因素的影响。即使没有光信号输入,加上电压辐射和其它因素的影响。即使没有光信号输入,加上电压后阳极仍有电流,这种电流称为暗电流。这种暗电流可用后阳极仍有电流,这种电流称为暗电流。这种暗电流可用补偿电路加以消除。补偿电路加以消除。光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体,就构成闪烁光
16、电倍增管的阴极前面放一块闪烁体,就构成闪烁计数器。在闪烁体受到人眼看不见的宇宙射线的照射后,计数器。在闪烁体受到人眼看不见的宇宙射线的照射后,光电倍增管就会有电流信号输出,这种电流称为闪烁计光电倍增管就会有电流信号输出,这种电流称为闪烁计数器的暗电流,一般把它称为本底脉冲。数器的暗电流,一般把它称为本底脉冲。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 10.3 10.3 常用光电传感器及其应用常用光电传感器及其应用1 光敏电阻光敏电阻(1)结构和原理结构和原理 光敏电阻又称光导管。光敏电阻是用半导体材料制成的。光敏电阻又称光导管。光敏电阻是用半导体材料制成的。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半
17、导体物质,半导体的两在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质,半导体的两端装上金属电极,使电极与半导体层可靠地电接触,然后,将端装上金属电极,使电极与半导体层可靠地电接触,然后,将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染,在半导体它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染,在半导体光敏层上覆盖一层漆膜,漆膜成分的选择应该使它在光敏层最光敏层上覆盖一层漆膜,漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。敏感的波长范围内透射率最大。图图(b)为接线电路。为接线电路。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光敏电阻利用光电导效应制成,一光敏电阻利用光电导效应制成,一般选用禁
18、带宽度较宽的半导体材料。般选用禁带宽度较宽的半导体材料。光电导原理光电导原理:当入射光照到半导体:当入射光照到半导体上时,光子的能量如果大于禁带宽度,上时,光子的能量如果大于禁带宽度,即即hfEg,则电子受光子的激发由价带越则电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带,在价带中留下带正过禁带跃迁到导带,在价带中留下带正电的空穴,在外加电压作用下,导带中电的空穴,在外加电压作用下,导带中的电子和价带中的空穴同时参与导电,的电子和价带中的空穴同时参与导电,即载流子数增多使其电阻下降。即载流子数增多使其电阻下降。原理:原理:光敏电阻在受到光的照射时,由于内光电效应使光敏电阻在受到光的照射时,由于内光电
19、效应使其导电性能增强,电阻其导电性能增强,电阻RG值下降,流过负载电阻值下降,流过负载电阻RL的电的电流及其两端电压也随之变化。光线越强,电流越大。当流及其两端电压也随之变化。光线越强,电流越大。当光照停止时,光电效应消失,电阻恢复原值光照停止时,光电效应消失,电阻恢复原值。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 (2)光敏电阻的特性光敏电阻的特性暗电阻暗电阻、暗电流暗电流 暗电阻暗电阻:若将光敏电阻置于无光照条件下,测得的光:若将光敏电阻置于无光照条件下,测得的光敏电阻的阻值。这时,在给定工作电压下测得光敏电阻中敏电阻的阻值。这时,在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流称为的电流称为暗电流
20、暗电流。亮电阻亮电阻、光电流光电流 亮电阻亮电阻:光敏电阻在光照条件下,测得的光敏电阻的:光敏电阻在光照条件下,测得的光敏电阻的阻值阻值(亮电阻一般在几千欧姆亮电阻一般在几千欧姆)。这时在工作电压下测得的电。这时在工作电压下测得的电流称为流称为亮电流亮电流。光电流光电流:亮电流和暗电流之差称为光电流:亮电流和暗电流之差称为光电流I。光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 使用不同材料制成的光敏电阻,有着不同的光谱特性。使用不同材料制成的光敏电阻,有着不同的光谱特性。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 1:硫化镉、硫化镉、2:硫化铊、硫化铊、3:硫化铅。硫化铅。光敏电阻的光电特性光敏电阻的
21、光电特性 在一定电压作用下,光敏电阻的在一定电压作用下,光敏电阻的光电流光电流I与照射光通量与照射光通量的关系称为的关系称为光电特性。光电特性。光敏电阻的光电特性具有非线性。光敏电阻的光电特性具有非线性。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 时间常数时间常数 当光敏电阻受到光照时,光电流要经过一定时间才能当光敏电阻受到光照时,光电流要经过一定时间才能到达稳定值。同样,光照停止后,光电流也要经过一定时到达稳定值。同样,光照停止后,光电流也要经过一定时间才能恢复到暗电流。间才能恢复到暗电流。光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性,通常用时间光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性,通常用时间常数常数表
22、示。表示。时间常数反映了光敏电阻对光照响应的快慢程度。不时间常数反映了光敏电阻对光照响应的快慢程度。不同材料的光敏电阻有着不同的时间常数。同材料的光敏电阻有着不同的时间常数。2 光电池光电池 光电池基于阻挡层的光电效应工作的。光电池基于阻挡层的光电效应工作的。在光线照射下,直接将光量转变为电动势的光电元件。在光线照射下,直接将光量转变为电动势的光电元件。实质上它就是电压源。实质上它就是电压源。光电池的种类很多,有硒光电池、氧化亚铜光电池、光电池的种类很多,有硒光电池、氧化亚铜光电池、第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电硫化铊光电池、硫化镉光电
23、池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。池、砷化镓光电池等。其中硅光电池和硒光电池用途广其中硅光电池和硒光电池用途广泛。泛。本课程着重介绍硅和硒两种光电池本课程着重介绍硅和硒两种光电池.(1)结构原理结构原理 硅光电池是在一块硅光电池是在一块N型硅片型硅片上,用扩散的方法掺入一些上,用扩散的方法掺入一些P型型杂质(例如硼)形成杂质(例如硼)形成PN结。结。入射光照射在入射光照射在PN结上时,若光子能量结上时,若光子能量hv大于半导体大于半导体材料的禁带宽度材料的禁带宽度Eg,则在,则在PN结内产生电子结内产生电子-空穴对,在内空穴对,在内电场的作用下,空穴移向电场的作用下,空穴移向P型区,电子
24、移向型区,电子移向N型区,使型区,使P型区带正电,型区带正电,N型区带负电,因而型区带负电,因而PN结产生电势。结产生电势。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 硒光电池是在铝片上硒光电池是在铝片上涂硒,再用溅射的工艺,涂硒,再用溅射的工艺,在硒层上形成一层半透明在硒层上形成一层半透明的氧化硒。在正反两面喷的氧化硒。在正反两面喷上低溶合金作为电极。在上低溶合金作为电极。在光线照射下,镉材料带负光线照射下,镉材料带负电,硒材料上带正电,形电,硒材料上带正电,形成光电流或光电势。成光电流或光电势。(2)主要特性主要特性光电池的光谱特性光电池的光谱特性不同光电池的光谱峰值位置不不同光电池的光谱
25、峰值位置不同。如硅光电池在同。如硅光电池在8000 附近,附近,硒光电池在硒光电池在5400 附近。附近。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 硅光电池的光谱范围广,即为硅光电池的光谱范围广,即为450011000 之间,之间,硒光电池的光谱范围为硒光电池的光谱范围为34007500 。因此硒光电池适。因此硒光电池适用于可见光,常用于照度计测定光的强度。用于可见光,常用于照度计测定光的强度。光电池的光照特性光电池的光照特性 光电池在不同的光强照光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和射下可产生不同的光电流和光生电动势。光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电短路电流在
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