传感器与检测技术光电式传感器PPT讲稿.ppt

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1、传感器与检测技术光传感器与检测技术光电式传感器电式传感器第1页，共44页，编辑于2022年，星期四光电传感器的构成：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，共44页，编辑于2022年，星期四 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

2、式)、吸收式、遮光式、反射式。、吸收式、遮光式、反射式。第3页，共44页，编辑于2022年，星期四 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，共44页，编辑于2022年，星期四 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，共44页，编辑于2022年，星期四光电式传感器的应用可归纳为四光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式种基本形式，即辐射

3、式(直射式直射式)、吸收式、遮光式、反射式。吸收式、遮光式、反射式。第6页，共44页，编辑于2022年，星期四8.1 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，共44页，编辑于2022年，星期四19051905年年，爱爱因因斯斯坦坦提

4、提出出了了光光子子假假设设：光光在在空空间间传传播播时时，是是不不连连续续的的，也也具具有有粒粒子子性性，即即一一束束光光是是一一束束以以光光速速运运动动的的粒粒子子流流，爱爱因因斯斯坦坦把把这这些些不不连连续续的的量量子子称称为为“光光量量子子”。19261926年年，美美国国物物理理学学家家刘刘易易斯斯把把这这一一名名词词改改称称为为“光光子子”，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 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，共44页，编辑于2022年，星期四8.2.2 光源（发光器件）光源（发光器件）1.白炽光源白

5、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。一般用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射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 nm,所以任何光敏元所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。件都能和它配合接收到光信号。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，是可取但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。之处。第9页，共44页，编辑于2022年，星期四2.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

6、流通过气体产生发光现象制成的灯即气气体放电灯。体放电灯。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。围的辐射。第10页，共44页，编辑于2022年，星期四汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为用的光源，统称为光谱灯光谱灯。例如低压汞灯的辐射波。例如低压汞灯的辐射波长为长为254nm，钠灯的辐射波长为，钠灯的辐射波长为589nm，可

7、被用作，可被用作单色光源。单色光源。如果光谱灯涂以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，如照明日光择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。灯。气体放电灯消耗的能量为白气体放电灯消耗的能量为白炽灯炽灯1/2-1/3。第11页，共44页，编辑于2022年，星期四构成：构成：由由半导体半导体PNPN结结构成。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

8、小、重量轻，因此获得了广泛的应用。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，共44页，编辑于2022年，星期四R RU UNP+-UiD+_原理：原理：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，这种电子空穴对的复合同时伴复合同时伴随着光子的放出随着光子的放出，因而发光。，因而发光。第13页，共44页，编辑于20

9、22年，星期四第14页，共44页，编辑于2022年，星期四 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PNPN结结的的禁禁带带宽宽度度（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=6.610=6.610-34-34J.sJ.s；光速光速c c=310=3108 8m/sm/s；hc=19.810-26mWs=12.410-7meV第15页，共44页，编辑于2022年，星期四Eg的单位为的单位为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

10、，所以制作可见光区的发光二极管，其材料的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禁带宽度至少应大于 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，共44页，编辑于2022年，星期四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 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

11、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，共44页，编辑于2022年，星期四与与此此相相似似的的可可供供制制作作发发光光二二极极管管的的材材料料见见下下表：表：材料材料波长波长/nm/nm材料材料波长波长/nm/nmZnSZnS340340CuSe-ZnSeCuSe-ZnSe400400630630SiCSiC480480ZnZnx xCdCd1-x1-xTeTe590590830830GaPGaP565,680565,680GaAsGaAs1-x1-xP Px x550

12、550900900GaAsGaAs900900InPInPx xAsAs1-x1-x91091031503150InPInP920920InInx xGaGa1-x1-xAsAs85085013501350 LED LED材料材料第18页，共44页，编辑于2022年，星期四 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）决定光的色彩纯度，决定

13、光的色彩纯度，越小，其光色越纯。越小，其光色越纯。第19页，共44页，编辑于2022年，星期四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

14、灵敏敏敏敏度度度度 第20页，共44页，编辑于2022年，星期四U U U U/V/V/V/V I I I I/mA/mA/mA/mA -10-10-10-10 -5-5-5-5 0 0 0 0 1 1 1 12 2 2 2GaAsP(GaAsP(GaAsP(GaAsP(红红红红)GaAsP(GaAsP(GaAsP(GaAsP(绿绿绿绿)反向电压应反向电压应在在5V5V以下以下!发发光光二二极极管管的的伏伏安安特特性性与与普普通通二二极极管管相相似似，但但随随材材料料禁禁带带宽宽度度的的不不同同，开开启启（点点燃燃）电电压压略略有有差差异。红色约为异。红色约为1.7V1.7V开启，绿色约为开启

15、，绿色约为2.2V2.2V。砷磷化镓发光二极管的伏安曲线砷磷化镓发光二极管的伏安曲线砷磷化镓发光二极管的伏安曲线砷磷化镓发光二极管的伏安曲线第21页，共44页，编辑于2022年，星期四4 4、激光器、激光器激光（激光（Laser:Light amplification by stimulated emission of radiation）是是2020世纪世纪6060年代出现的最重大科技成就之一。具有高年代出现的最重大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度和高的相干性四个方向性、高单色性、高亮度和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从重要特性。激光波长一般从0.15m0.15m到远红外到

16、远红外整个光频波段范围。整个光频波段范围。X-X-射线激光器。射线激光器。第22页，共44页，编辑于2022年，星期四激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：u固体激光器固体激光器（如红宝石激光器）（如红宝石激光器）u气气体体激激光光器器（如如氦氦-氖氖气气体体激激光光器器、二二氧氧化化碳激光器）碳激光器）u液体激光器液体激光器（染料激光器）。（染料激光器）。u半导体激光器半导体激光器（如砷化镓激光器）（如砷化镓激光器）第23页，共44页，编辑于2022年，星期四（1 1）固体激光器）固体激光器 典型典型实例是红宝石激光器，是实例是红宝石激光器，是19601960年人类

17、发明的年人类发明的第一台激光器（第一台激光器（T.Maiman）。）。工作物质为工作物质为红宝石红宝石-掺掺0.05%Cr+3 的的Al2O3棒。棒。第24页，共44页，编辑于2022年，星期四Nd:YAG激光器 掺掺 Nd+3 离子的激光器有三种离子的激光器有三种:玻璃玻璃钇铝石榴石钇铝石榴石氟化钇锂氟化钇锂（YLF：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12激活离子激活离子激活离子激活离子 基质基质基质基质钇铝石榴石钇铝石榴石第25页，共44页，编辑于2022年，星期四（2 2）气体激光器）气体激光器工作物质是气体。工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分种类：各种原子、离子、金属

18、蒸汽、气体分子激光器。常用的有子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器准分子激光器等，其形状像普通的放电管一等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖了从样，能连续工作，单色性好。波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。紫外到远红外的频谱区域。第26页，共44页，编辑于2022年，星期四（3 3）液体激光器）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器，其中较为重要的是有机染有机染料激光器

19、料激光器。它的最大特点是发出的激光波长。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。因而它能起着其他激光器不能起的作用。第27页，共44页，编辑于2022年，星期四（4 4）半导体激光器）半导体激光器与与前前几几种种相相比比出出现现较较晚晚，其其成成熟熟产产品品是是砷砷化化镓镓激激光光器器。特特点点：效效率率高高、体体积积小小、重重量量轻轻、结结构构简简单单，适适宜宜在在飞飞机机、军军舰舰、坦坦克克上上应应用用以以及及步步兵兵随随身身携携带带。其其缺缺点点是是输输出出功功率率较较小小。目目前前半

20、半导导体体激激光光器器可可选选择择的的波波长长主主要要局限在红光和红外区域。局限在红光和红外区域。第28页，共44页，编辑于2022年，星期四8.2.1 外光电效应外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做向外发射的现象叫做外光电效应。外光电效应。8.2 光电效应光电效应两类：外光电效应和内光电效应。两类：外光电效应和内光电效应。第29页，共44页，编辑于2022年，星期四1887年，首先是赫兹（年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波）在证明波动理论实验中首次发现的；动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（年，勒纳（Lenard

21、)也对其进行了研究，也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释理论加以解释；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。年，爱因斯坦提出了光子假设。第30页，共44页，编辑于2022年，星期四第31页，共44页，编辑于2022年，星期四爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程：1.1.光电子能否产生，取决于光子的能量是光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功否大于该物体的表面电子逸出功A A。2.2.一定时，产生的光电流和光强成正比

22、。一定时，产生的光电流和光强成正比。3.3.逸出的光电子具有动能。逸出的光电子具有动能。基于外光电效应的光电器件有光电管、光基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。电倍增管。第32页，共44页，编辑于2022年，星期四8.2.2 内光电效应内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）应和光生伏特效应（光伏效应）。1光电导效应光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导

23、率的变化。态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。第33页，共44页，编辑于2022年，星期四自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带禁带禁带禁带禁带导带导带导带导带价带价带价带价带 Eg电子能量电子能量E Eh Eg g当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。体的电导率变大。第34页，共44页，编辑于2022年，星期

24、四第35页，共44页，编辑于2022年，星期四基于这种效应的光电器件有光敏电阻。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。第36页，共44页，编辑于2022年，星期四势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）光照射光照射PNPN结时，若结时，若h h EgEg，使价带中的电，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层阻挡层内电场内电场的作用下，电子偏向的作用下，电子偏向N N区外侧，空穴区外侧，空穴偏向偏向P P区外侧，使区外侧，使P P区带正电，区带正电，N N区带负电，区带负电，形成光生电动势。形成光生电动势。光生伏特效应：光生伏特效应：在光作用下能使

25、物体产生在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。一定方向电动势的现象。基于该效应的器件基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。有光电池和光敏二极管、三极管。P PN N第37页，共44页，编辑于2022年，星期四侧向光电效应侧向光电效应 当当半半导导体体光光电电器器件件受受光光照照不不均均匀匀时时，光光照照部部分分产产生生电电子子空空穴穴对对，载载流流子子浓浓度度比比未未受受光光照照部部分分的的大大，出出现现了了载载流流子子浓浓度度梯梯度度，引引起起载载流流子子扩扩散散，如如果果电电子子比比空空穴穴扩扩散散得得快快，导导致致光光照照部部分分带带正正电电，未未照照部部分分带带负负电电，

26、从从而产生电动势，即为而产生电动势，即为侧向光电效应侧向光电效应。第38页，共44页，编辑于2022年，星期四8.3.1光电管及其基本特性光电管及其基本特性 结构与工作原理结构与工作原理8.3外光电效应器件外光电效应器件第39页，共44页，编辑于2022年，星期四第40页，共44页，编辑于2022年，星期四主要性能主要性能（1 1）光电管的）光电管的伏安特性伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。伏安特性。真空光电管真空光电管 充气光电管充气光电管15

27、015010010050502 20 020lm20lm40lm40lm60lm60lm80lm80lm100lm100lm120lm120lm4 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/A/A/A/A2 20 01001005050弱光弱光弱光弱光强光强光强光强光1501504 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/A/A/A/A第41页，共44页，编辑于2022年，星期四（2 2）光电管的）光电管的光照特性光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时

28、，当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的光照特性曲线的斜率称为光电管斜率称为光电管的灵敏度。的灵敏度。图图8-5 8-5 光电管的光照特性光电管的光照特性2525505075751001002 20 00.50.51.51.5 2.02.0/1m/1mI IA A/A/A1.01.02.52.51 11-氧铯阴极氧铯阴极2-锑铯阴极锑铯阴极第42页，共44页，编辑于2022年，星期四(3)(3)光电管的光谱特性光电管的光谱特性 一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用

29、于不同的光谱范围。频率，因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。度不同。以以GD-4型光电管为例，阴极是用型光电管为例，阴极是用锑铯锑铯材料材料制成，其制成，其红限红限c=700nm，对可见光范围的入射光灵，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。式自动检测仪表中。第43页，共44页，编辑于2022年，星期四对对红外光源红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。探测器。对对紫外光源紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。，常用锑铯阴极和镁镉阴极。国产光电管的技术参数国产光电管的技术参数第44页，共44页，编辑于2022年，星期四