传感器与检测技术光电式传感器精.ppt
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1、传感器与检测技术传感器与检测技术光电式传感器光电式传感器第1页,本讲稿共44页光电传感器的构成:光源、光学通路、光电光电传感器的构成:光源、光学通路、光电元件。元件。应用:应用:1 1、光量变化的非电量;、光量变化的非电量;2 2、能转换成光量变化的其他非电量。、能转换成光量变化的其他非电量。特点:非接触、响应快、性能可靠。特点:非接触、响应快、性能可靠。被测量被测量的变化的变化光信号光信号的变化的变化电信号电信号的变化的变化第2页,本讲稿共44页 光光电电式式传传感感器器的的应应用用可可归归纳纳为为四四种种基基本本形形式式,即即辐辐射射式式(直直射射式式)、吸收式、遮光式、反射式。、吸收式、
2、遮光式、反射式。第3页,本讲稿共44页 光光电电式式传传感感器器的的应应用用可可归归纳纳为为四四种种基基本本形形式式,即即辐辐射射式式(直直射射式式)、吸收式、遮光式、反射式。吸收式、遮光式、反射式。第4页,本讲稿共44页 光光电电式式传传感感器器的的应应用用可可归归纳纳为为四四种种基基本本形形式式,即即辐辐射射式式(直直射射式式)、吸收式、遮光式、反射式。吸收式、遮光式、反射式。第5页,本讲稿共44页光电式传感器的应用可归纳为四种光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式,即辐射式基本形式,即辐射式(直射式直射式)、吸、吸收式、遮光式、反射式。收式、遮光式、反射式。第6页,本讲稿共44页8.1
3、8.1 概概 述述8.1.1 光的特性光的特性光波是波长为光波是波长为10106nm的电磁波。的电磁波。1000,000 nm1000,000 nm10 nm10 nm780 nm780 nm380 nm380 nm可见光可见光可见光可见光红外光红外光红外光红外光紫外光紫外光紫外光紫外光性质:性质:光都具有反射、折射、散射、衍射、光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。干涉和吸收等性质。第7页,本讲稿共44页19051905年年,爱爱因因斯斯坦坦提提提提出出出出了了了了光光光光子子子子假假假假设设设设:光光光光在在在在空空空空间间间间传传传传播播播播时时时时,是是是是不不不不连连连连
4、续续续续的的的的,也也也也具具具具有有有有粒粒粒粒子子子子性性性性,即即即即一一一一束束束束光光光光是是是是一一一一束束束束以以以以光光光光速速速速运运运运动动动动的的的的粒粒粒粒子子子子流流流流,爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦把把把把这这这这些些些些不不不不连连连连续续续续的的的的量量量量子子子子称称称称为为为为“光光量量子子”。19261926年年年年,美美美美国国国国物物物物理理理理学学学学家家家家刘刘刘刘易易易易斯斯斯斯把把把把这这这这一一一一名名名名词词词词改改改改称称称称为为为为“光子光子”,并沿用至今。,并沿用至今。,并沿用至今。,并沿用至今。每个光子的能量为每个光子的能量为
5、E E E E=h h 可见,光的频率愈高,可见,光的频率愈高,光子的能量愈大。光子的能量愈大。第8页,本讲稿共44页8.2.2 光源(发光器件)光源(发光器件)1.白炽光源白炽光源最为普通的是最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射般白炽灯的辐射光谱是连续的光谱是连续的。发光范围:发光范围:320 nm2500 nm320 nm2500 nm320 nm2500 nm320 nm2500 nm,所以任何光敏元件所以任何光敏元件所以任何光敏元件所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。都能和它配合接收到光信号。都能和它配合接收到光信号。都能和它配合
6、接收到光信号。特点:特点:寿命短而且发热大、效率低、动态特性差,寿命短而且发热大、效率低、动态特性差,但对接收光敏元件的光谱特性要求不高,是可取之但对接收光敏元件的光谱特性要求不高,是可取之处。处。第9页,本讲稿共44页2.气体放电光源气体放电光源利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体气体放电灯。放电灯。它的光谱是它的光谱是不连续不连续的,的,光谱与气体的种类及放光谱与气体的种类及放电条件有关电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小,可得到主要在某一光谱范料和放电电流大小,可得到主要在某一光谱范围的辐射。围
7、的辐射。第10页,本讲稿共44页汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源,统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm,钠灯的辐射波长为589nm,可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂,由于光线与涂层材料的作用,荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长,通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长,如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3。第11页,本讲稿共44页构成:构成:构成:构成:由由半导体半导体PNPN结结结结构成。构成。构成。构成。特点:特点:工作电压低、响应速度快、寿命长、体积工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻,因此获得了广泛的应用
8、。小、重量轻,因此获得了广泛的应用。3.发光二极管(发光二极管(LEDLight Emitting Diode)第12页,本讲稿共44页R RU UNP+-UiD+_原理:原理:当加正向电压时当加正向电压时当加正向电压时当加正向电压时,势垒降低,电子由,势垒降低,电子由N N区注入到区注入到P P区,区,和和P P区里的空穴复合;空穴则由区里的空穴复合;空穴则由P P P P区注入到区注入到区注入到区注入到N N区,和区,和N N区里的电子复合,这种电子空穴对的区里的电子复合,这种电子空穴对的区里的电子复合,这种电子空穴对的区里的电子复合,这种电子空穴对的复合同时伴随复合同时伴随复合同时伴随复
9、合同时伴随着光子的放出着光子的放出着光子的放出着光子的放出,因而发光。,因而发光。第13页,本讲稿共44页第14页,本讲稿共44页 电电子子和和空空穴穴复复合合,所所释释放放的的能能量量等等于于PNPNPNPN结结结结的的的的禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度(即即能能量量间间隙隙)E Eg g。所所放放出出的的光光子子能能量量用用hh表示,有表示,有普朗克常数普朗克常数h h h h=6.610=6.610-34-34J.sJ.s;光速光速光速光速c c=310=3108 8 8 8m/sm/s;hc=19.810-26mWs=12.410-7meV第15页,本讲稿共44页Eg的单位为的单位为
10、eV,1eV=1.6 10-19J。可见光的波长可见光的波长 近似地认为在近似地认为在710-7m以下,以下,所以制作可见光区的发光二极管,其材料的禁所以制作可见光区的发光二极管,其材料的禁带宽度至少应大于带宽度至少应大于 h c/=1.8 eV 普通二极管是用硅或锗制造的,这两种材料普通二极管是用硅或锗制造的,这两种材料的禁带宽度的禁带宽度E Eg g分别为分别为1.12eV1.12eV和和 0.670.67 eVeV,显,显然不能使用。然不能使用。第16页,本讲稿共44页通通常常用用的的砷砷化化镓镓和和磷磷化化镓镓两两种种材材料料固固溶溶体体,写写作作GaAsGaAs1-x1-xP Px
11、x,x x代代表表磷磷化化镓镓的的比比例例,当当x x0.350.35时时,可可得得到到Eg1.8eVEg1.8eV的的材材料料。改改变变x x值值还还可可以以决决定定发发光光波波长长,使使 在在550550900nm900nm间变化。间变化。第17页,本讲稿共44页与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表:与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表:材料材料材料材料波长波长波长波长/nm/nm/nm/nm材料材料材料材料波长波长波长波长/nm/nm/nm/nmZnSZnSZnSZnS340340340340CuSe-ZnSeCuSe-ZnSeCuSe-ZnSeCuSe-ZnSe40040040
12、0400630630630630SiCSiCSiCSiC480480480480ZnZnZnZnx x x xCdCdCdCd1-x1-x1-x1-xTeTeTeTe590590590590830830830830GaPGaPGaPGaP565,680565,680565,680565,680GaAsGaAsGaAsGaAs1-x1-x1-x1-xP P P Px x x x550550550550900900900900GaAsGaAsGaAsGaAs900900900900InPInPInPInPx x x xAsAsAsAs1-x1-x1-x1-x91091091091031503150
13、31503150InPInPInPInP920920920920InInInInx x x xGaGaGaGa1-x1-x1-x1-xAsAsAsAs8508508508501350135013501350 LED LED材料材料第18页,本讲稿共44页 发发光光二二极极管管的的光光谱谱特特性性如如图图所所示示。图图中中砷砷磷磷化化镓镓曲曲线线有有两两根根,这这是是因因为为其其材材质质成成分分稍稍有有差差异异而而得得到到不不同同的的峰峰值值波波长长 p p。除除峰峰值值波波长长 p p决决定定发发光光颜颜色色之之外外,峰峰的的宽宽度度(用用 描描述述)决决定定光光的的色色彩彩纯纯度度,越越小小
14、,其其光光色色越纯。越纯。第19页,本讲稿共44页发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性0.20.20.40.40.60.60.80.8 1.01.0 0 060060070070080080090090010001000GaAsPGaAsPp=670nmp=670nmp=670nmp=670nmp=655nmp=655nmp=655nmp=655nmGaAsPGaAsPp=565nmp=565nmp=565nmp=565nmGaPGaPp=950nmp=950nmp=950nmp=950nmGaAsGaAs/nmnmnmnm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度 第20页,本讲稿共44页
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