《传感原理与检测技术》课程教学课件（PPT讲稿）第8章 光电式传感器

第8章光电式传感器光一→电转换：光电效应光学通路光电器件辐射源→输出K被测量被测量组成：光源、光学元件、光电元件学习内容：光电效应；光电器件光学元件；应用；各种新型传感器

1 第8章 光电式传感器 光 电转换: 光电效应 组成: 光源、光学元件、光电元件 学习内容： 光电效应；光电器件； 光学元件；应用；各种新型传感器

$ 8.1光电效应当光线照射物体时，可看作一串具有能量E的光子轰击物体，如果光子的能量足够大，物质内部电子吸收光子能量后，摆脱内部力的约束，发生应电效应的物理现象，称为光电效应。1）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外光电效应，如光电管、光电倍增管等。2）在光线作用下，物体的电阻率改变的现象，称为光电导效应，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特现象，如光电池等。这二种可统称为：内光电效应2

2 §8.1 光电效应 当光线照射物体时，可看作一串具有能量E的 光子轰击物体，如果光子的能量足够大，物质内部 电子吸收光子能量后，摆脱内部力的约束，发生相 应电效应的物理现象，称为光电效应。 1）在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面， 向外发射的现象叫外光电效应，如光电管、光电倍 增管等。 2）在光线作用下，物体的电阻率改变的现象，称 为光电导效应，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三 极管、光敏晶闸管等。在光线作用下，物体产生一 定方向电动势的现象，称为光生伏特现象，如光电 池等。这二种可统称为：内光电效应

8.1.1外光电效应k==mVo2=hv- AoEkE-hve2Vo:电子速度：h=6.63X10-34J.SAo：物体表面逸出功；w光的频率。hv>A。:有电子发射出来，即有光电效应hv= A。:逸出的电子初速度为O，此时光子的频率为该物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。红限波长：2= hc／A3

3 8.1.1 外光电效应 :有电子发射出来，即有光电效应， :逸出的电子初速度为 0 ，此时光子 的频率V 为该物质产生外光电效应的最低频率， 称为红限频率。红限波长： E = h e 0 2 0 K 2 1 E = mV = h − A h  A0 h = A0 h=6.63X10-34 J.S; V0 :电子速度； A0：物体表面逸出功； v:光的频率。 0 0  = hc / A

*当入射光频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比。*光电子逸出物体表面有初始动能E要使光电人射光流为零，须加负电压。阻极*Einstein光电效应方程：阴极hv==mVo2 + Ao2b)B)利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管

4 利用外光电效应制成的光电器件有真空光电 管、充气光电管和光电倍增管。 *当入射光频谱成分不变时，产生的光电流与 光强度成正比。 *光电子逸出物体表面有初始动能EK，要使光电 流为零，须加负电压。 *Einstein 光电效应方程： 0 2 0 2 1 h = mV + A

8.1.2内光电效应RnhvEg阻挡层光电效应：光作用，使光内光电效应：光作用，阝电器件产生一定方向的电动势使光电器件的电阻率变化。器件：光电池，光敏二极管、光敏三极管。器件：光敏电阻。导带hy禁带--he价带hv> Eg5

5 h Rg h E 内光电效应：光作用， 使光电器件的电阻率 变化。 器件：光敏电阻。 阻挡层光电效应：光作用，使光 电器件产生一定方向的电动势。 器件：光电池，光敏二极管、光 敏三极管。 8.1.2 内光电效应 导带 禁带 价带 hv e h  Eg hv e - h

S8.2光电器件光电阴板8.2.1光电管阳极FEKa)(b)在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。6

6 §8.2 光电器件 8.2.1 光电管 在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳 极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻 璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。 当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电 子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间 电子流，在外电路就产生电流

伏安特性光通量He, Ne16Sb, Ce阴极电离导电12E8401.00.60.80.20.4阳极电压阳极电压光通量/m(a)(b)(c)(a）真空光电管伏安特性：（b）充气光电管伏安特性：（c）光电管的光电特性光电特性2光电灵敏度：A/lm（光电积分灵敏度）7

7 *伏安特性 *光电特性 光电灵敏度: A/lm (光电积分灵敏度) He, Ne Sb, Ce阴极

*光谱特性红限频率：对红限频率以上不同频率光的响应部分阴极材料的特性：Cs3Sb:2o=0.7μum，对可见光转换效率：25~30%Ag-O-Cs :2o=1.2μum,对红外(特别是近红外)光敏感.低灵敏度Sb-K-Na:可测0.3~0.85um,与人眼接近MgCd：可测紫外光源量子效率=入射光子数/逸出电子数(%)

8 *光谱特性 红限频率; 对红限频率以上不同频率光的响应. Cs3Sb :λ0=0.7μm, 对可见光转换效率: 25~30% 部分阴极材料的特性: Ag-O-Cs :λ0=1.2μm, 对红外(特别是近红外)光 敏感.低灵敏度. Sb-K-Na :可测0.3~0.85 μm, 与人眼接近. MgCd :可测紫外光源. 量子效率=入射光子数/逸出电子数(%)

8.2.2光电倍增管聚焦电极L一.结构和原理DD4K由于真空光电管(a)FDsDsD,的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管。DsD2D.(b)UAK组成：光电阴极、DD1DyD6DOR若于倍增极、阳RR.R.R,R.R.R10AR.RR,R6极。cH(α)o-lkV光电倍增管图8-3（a）结构图：（h）原理图：（c）供电电路

9 8.2.2光电倍增管 一.结构和原理: 由于真空光电管 的灵敏度较低， 因此人们便研制 了光电倍增管。 组成: 光电阴极、 若干倍增极、阳 极

二.主要参数1.倍增系数M:: M=II0,当n个倍增电极的二次电子○，发射都相同○时：I=io"i为阴极的光电流电流放大倍数：β=I/i=αM----105~108实际的M与电压有关，要求电压稳定！10

10 二.主要参数: 1.倍增系数M: M =   i 当n个倍增电极的二次电子 发射都相同 时：  i n I = i  i 为阴极的光电流 电流放大倍数： n  = I /i = M-105~108  实际的M与电压有关,要求电压稳定!