光电效应和光电器件 PPT课件.ppt
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1、第七章第七章 光电式传感器光电式传感器l光电传感器是将光通量转换为电量的一光电传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。种传感器。被测量被测量 光信号光信号 电信号电信号l一般由:光源、光学通路和光电元件组一般由:光源、光学通路和光电元件组成。成。l特点:特点:精度高、反应快、非接触、高分辨率、精度高、反应快、非接触、高分辨率、高可靠性,且可测参数多,传感器结构高可靠性,且可测参数多,传感器结构简单,形式灵活多样等。简单,形式灵活多样等。在检测和控制领域得到广泛应用。在检测和控制领域得到广泛应用。7.1 光电效应和光电器件外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应:在在光光线线作作用用下下使使物物
2、体体的的电电子子逸逸出出表表面面的的现现象象。如如光光电管、光电倍增管电管、光电倍增管内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应:在在光光线线作作用用下下能能使使物物体体电电阻阻率率改改变变的的现现象象,如如光光敏敏电电阻、光敏晶体管等属于这类光电器件。阻、光敏晶体管等属于这类光电器件。阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应(光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应):):在在光光线线作作用用下下能能使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势势的的现现象。如光电池象。如光电池下一页返 回光电效应和光电器件7.1.1光电管光电管7.1.2光电倍增管光电倍增管7.1
3、.3光敏电阻光敏电阻7.1.4光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管7.1.5光电池光电池7.1.6光电式传感器的应用光电式传感器的应用上一页下一页返 回711 光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子,当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子,电子被带正电位的阳极所吸引,在光电管内就有电电子被带正电位的阳极所吸引,在光电管内就有电子流,在外电路中便产生了电流。子流,在外电路中便产生了电流。上一页下一页返 回真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管:构造和真空光电管基本相同,优点是灵敏度高构造和真空光电管基本相同,优点是灵
4、敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差上一页下一页返 回712 光电倍增管在入射光极为微弱时,光电管能产生的光电流就很小,在入射光极为微弱时,光电管能产生的光电流就很小,光电倍增管:放大光电流光电倍增管:放大光电流组成:光电阴极组成:光电阴极+若干倍增极若干倍增极+阳极阳极上一页下一页返 回光电倍增管的结构 与工作原理l光电阴极光电倍增极阳极光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有倍增极上涂有Sb-Cs或或Ag-Mg等光敏材料,并等光敏材料
5、,并且电位逐级升高且电位逐级升高阴极发射的光电子以高速射到倍增极上,引起阴极发射的光电子以高速射到倍增极上,引起二次电子发射二次电子发射二次电子发射系数二次电子发射系数=二次发射电子树入射电子数二次发射电子树入射电子数若倍增极有若倍增极有n,则倍增率为则倍增率为n上一页下一页返 回713 光敏电阻1.光敏电阻的工作原理及结构光敏电阻的工作原理及结构2光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数3光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性上一页下一页返 回1.光敏电阻的工作原理及结构光敏电阻的工作原理及结构当无光照时,光敏电阻值当无光照时,光敏电阻值(暗电阻暗电阻)很大,电路中电流很小很大,电路中电流很小当有
6、光照时,光敏电阻值当有光照时,光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少,电流迅速增加急剧减少,电流迅速增加上一页下一页返 回光敏电阻的结构 1.玻璃玻璃2.光电导层光电导层3.电极电极4.绝缘衬底绝缘衬底5.金属壳金属壳6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响,因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。上一页下一页返 回半导体吸收光子而产生的光电效应,只限于光照的表面薄层。半导体吸收光子而产生的光电效应,只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状,提高了光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的电极一
7、般采用梳状,提高了光敏电阻的灵敏度。灵敏度高,光谱特性好,光谱响应从紫外区一直到红外区。灵敏度高,光谱特性好,光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定而且体积小、重量轻、性能稳定梳梳状状电电极极上一页下一页返 回2光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数(1)暗电阻和暗电流)暗电阻和暗电流光光敏敏电电阻阻在在室室温温条条件件下下,在在全全暗暗后后经经过过一一定定时时间间测测量量的的电电阻阻值值,称称为为暗暗电电阻阻。此此时时流流过过的的电电流,称为暗电流。流,称为暗电流。(2)亮电阻)亮电阻光光敏敏电电阻阻在在某某一一光光照照下下的的阻阻值值,称称为为该该光光照照下下的亮电阻,此
8、时流过的电流称为亮电流。的亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。(3)光电流)光电流亮电流与暗电流之差,称为光电流。亮电流与暗电流之差,称为光电流。上一页下一页返 回光敏电阻光敏电阻当光敏电阻受到光照时,阻值减小。光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时,光生电子空穴对增加,阻值减小,电流增大。暗暗电流(越小越好)电流(越小越好)3光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性(1)伏安特性伏安特性(2)光照特性光照特性(3)光谱特性光谱特性(4)响应时间和频率特性响应时间和频率特性(5)温度特性温度特性上一页下一页返 回(1)伏安特性 在一定照度下,光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在一定照度
9、下,光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在给定的偏压情况下,光照度越大,光电流也就越大;在给定的偏压情况下,光照度越大,光电流也就越大;在一定光照度下,加的电压越大,光电流越大,没有饱和现象。在一定光照度下,加的电压越大,光电流越大,没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的,光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的,耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。上一页下一页返 回(2)光照特性 l光敏电阻的光电流与光强之间的关系光敏电阻的光电流与光强之间的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性,因此不宜作为测量元件,由于光敏电阻的光照特性呈非线
10、性,因此不宜作为测量元件,一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。上一页下一页返 回(3)光谱特性 l光敏电阻对不同波长的光,灵敏度是不同的光敏电阻对不同波长的光,灵敏度是不同的 上一页下一页返 回(4)响应时间和频率特性l光电导的弛豫现象:光电流的变化对于光电导的弛豫现象:光电流的变化对于光的变化,在时间上有一个滞后。光的变化,在时间上有一个滞后。l通常用响应时间通常用响应时间t表示。表示。上一页下一页返 回光敏电阻的频率特性 l不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间,不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间,所以它们的频率特性也就不尽相
11、同。所以它们的频率特性也就不尽相同。上一页下一页返 回(5)温度特性 l光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时,光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时,它的暗电阻和灵敏度都下降。它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性硫化镉光敏电阻的温度特性温度系数温度系数:在一定光照下,温度每变化在一定光照下,温度每变化1,光敏电阻阻值的平均变化率光敏电阻阻值的平均变化率上一页下一页返 回温度对光谱特性影响 l随随着着温温度度升升高高,光光谱谱响响应应峰峰值值向向短短波波方方向向移移动动。因因此此,采取降温措施,可以提高光敏电阻对长波光的响应。采取降温措施,可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光
12、敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性上一页下一页返 回7.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 l1工作原理工作原理l2基本特性基本特性上一页下一页返 回1工作原理工作原理l结构与一般二极管相似,装在透明玻璃外壳中结构与一般二极管相似,装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态的在电路中一般是处于反向工作状态的 光敏二极管光敏二极管上一页下一页返 回光敏二极管光敏二极管 将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方,光照射到光敏二极管的PN结时,电子-空穴对数量增加,光电流与照度成正比。光敏二极管外形光敏二极管外形光敏二极管阵列光敏二极管阵列包含包含1024个个InGaAs元件
13、元件的线性光电二极管阵列的线性光电二极管阵列,可用可用于分光镜。于分光镜。红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管光敏晶体管 l与一般晶体管很相似,具有两个与一般晶体管很相似,具有两个pn结。把光信结。把光信号转换为电信号同时,又将信号电流加以放大。号转换为电信号同时,又将信号电流加以放大。上一页下一页返 回光敏三极管外形光敏三极管外形2基本特性基本特性(1)光谱特性)光谱特性(2)伏安特性)伏安特性(3)光照特性)光照特性(4)温度特性)温度特性(5)频率响应)频率响应上一页下一页返 回(1)光谱特性l入射光的波长增加时,相对灵敏度要下降入射光的波
14、长增加时,相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极(晶体)管的光谱特性硅和锗光敏二极(晶体)管的光谱特性可见光或探测赤热状态物体时,一般都用硅管。可见光或探测赤热状态物体时,一般都用硅管。在红外光进行探测时,则锗管较为适宜。在红外光进行探测时,则锗管较为适宜。上一页下一页返 回(2)伏安特性上一页下一页返 回硅硅光光敏敏管管的的伏伏安安特特性性(3)光照特性 硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏二极管的光照特性曲线的线性较好上一页下一页返 回(4)温度特性l其暗电流及光电流与温度的关系其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小,而对暗电流影响很大。温度变
15、化对光电流影响很小,而对暗电流影响很大。上一页下一页返 回(5)频率响应l具有一定频率的调制光照射时,光敏管输出的具有一定频率的调制光照射时,光敏管输出的光电流光电流(或负载上的电压或负载上的电压)随频率的变化关系随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应上一页下一页返 回715光电池光电池l有有光光线线作作用用下下实实质质上上就就是是电电源源,电电路路中中有了这种器件就不再需要外加电源。有了这种器件就不再需要外加电源。1.工作原理工作原理2基本特性基本特性上一页下一页返 回光电池光电池外形外形光敏面光敏面能提供较大电流的大能提供较大电流的大面积光电池面积光电池外形外形其他
16、其他光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用柔光罩柔光罩下面为圆形光电池下面为圆形光电池光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能硅光电池板硅光电池板光电池在动力方面的应用(续)光电池在动力方面的应用(续)太阳能发电太阳能发电光电池在动力方面的应用(续)光电池在动力方面的应用(续)光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用1.工作原理工作原理l直接将光能转换为电能的光电器件,是一个大直接将光能转换为电能的光电器件,是一个大面积的面积的pn结。当光照射到结。当光照射到pn结上时,便在结上时,便在pn结的两端产生电
17、动势结的两端产生电动势(p区为正,区为正,n区为负区为负)。l用用导导线线将将pn结结两两端端用用导导线线连连接接起起来来,就就有有电电流流流流过过,电电流流的的方方向向由由P区区流流经经外外电电路路至至n区区。若若将电路断开,就可以测出光生电动势。将电路断开,就可以测出光生电动势。上一页下一页返 回2基本特性基本特性(1)光谱特性光谱特性(2)光照特性光照特性(3)频率响应频率响应(4)温度特性温度特性(5)稳定性稳定性上一页下一页返 回(1)光谱特性l光电池对不同波长的光,灵敏度是不同的光电池对不同波长的光,灵敏度是不同的 上一页下一页返 回(2)光照特性 l不同光照度下,光电流和光生电动
18、势是不同的。不同光照度下,光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系;开路电压与光照度是非线性的短路电流与光照度成线性关系;开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时,应把它当作电流源的形式来使用光电池作为测量元件使用时,应把它当作电流源的形式来使用上一页下一页返 回光电池的短路电流 l外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。的电流值。负载越小,光电流与照度之间的线性关系越好,而且线性范围越宽负载越小,光电流与照度之间的线性关系越好,而且线性范围越宽上一页下一页返 回(3)频率响应 l指输出电流随调制光频率变化的关系指输出电
19、流随调制光频率变化的关系 硅光电池具有较高的频率响应硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换用于高速计数的光电转换上一页下一页返 回(4)温度特性l开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压和短路电流随温度变化的关系。l关系到应用光电池的仪器的温度漂移,影响到关系到应用光电池的仪器的温度漂移,影响到测量精度或控制精度等重要指标测量精度或控制精度等重要指标 硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性(照度照度1000lx)上一页下一页返 回(5)稳定性l当光电池密封良好、电极引线可靠、应当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时,光电池的性能是相当稳定的用合理时,光电池的性能是相当稳定的
20、硅光电池的性能比硒光电池更稳定硅光电池的性能比硒光电池更稳定 l影响性能和寿命因素影响性能和寿命因素:光电池的材料及制造工艺光电池的材料及制造工艺使用环境条件使用环境条件 上一页下一页返 回716 光电式传感器的应用l模拟式传感器模拟式传感器l脉冲式传感器脉冲式传感器上一页下一页返 回1模拟式光电传感器模拟式光电传感器l基于光电器件的光电流随光通量而发生基于光电器件的光电流随光通量而发生变化,是变化,是光通量的函数光通量的函数。对对于于光光通通量量的的任任意意一一个个选选定定值值,对对应应的的光光电电流流就就有有一一个个确确定定的的值值,而而光光通通量量又又随随被被测测非非电电量量的的变变化化
21、而而变变化化,这这样样光光电电流就成为被测非电量的函数。流就成为被测非电量的函数。上一页下一页返 回光电比色高温计 1物镜;物镜;2平面玻璃;平面玻璃;3光阑;光阑;4光导棒;光导棒;5分光镜;分光镜;6滤光片;滤光片;7硅光电池;硅光电池;8滤光片;滤光片;9硅光电池;硅光电池;10瞄准反射镜;瞄准反射镜;11圆柱反射镜;圆柱反射镜;12目镜;目镜;13多夫棱镜多夫棱镜14、15硅光电池负载电阻;硅光电池负载电阻;17可逆电机;可逆电机;17电子电位差计电子电位差计上一页下一页返 回2脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器光光电电器器件件的的输输出出仅仅有有两两个个稳稳定定状状态态,也也就是就是“
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