第6章 光电传感器重点
1. 概述
光电传感器以光电效应为基础,是一种将光信号转换 为电信号的传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测 元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变 化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。 光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分 组成。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点, 而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因 此,光电式传感器在检测和控制系统中应用非常广泛。
光电效应的分类: (1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为 外光电效应,基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍 增管等。 (2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为 内光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏 晶体管等。 (3)在光线作用下,物体产生一定方向电动势的现象 称为光生伏特效应,基于光生伏特效应的光电元件有光电池 等。
2.1 外光电效应
当入射光照射在阴极上时,阴极受到光子轰击时,由于 一个光子的能量只能传给一个电子,因此,单个光子就把它 的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子,从而使自由 电子的能量增加hv。当自由电子获得的能量大于阴极材料的 逸出功A时,它就可以克服金属表面束缚而逸出,形成电子 发射,这种电子称为光电子。光电子逸出金属表面后的初始 动能为(1/2)mv2。根据能量守恒定律可知:
Байду номын сангаас
2. 光电效应及光电元件
根据爱因斯坦光子假设学说,光可以看作是一串具有一定 能量的运动着的粒子流,而这些光粒子称为光子。每个光子所 具有的能量等于普朗克常数h乘以频率γ 。由于光子的能量与 其频率成正比,故光的频率越高,其光子能量也越大。 当光线照射到某一物体上,可以看作是此物体受到一串能 量为hγ 的光子的不断轰击,物体由于吸收能量为hγ 的光子后 所产生的电效应即称为光电效应。光线照射到物体上所产生的 光电效应通常可以分为外光电效应(也称光电发射)、光电导 效应和光伏特效应三类。根据光电效应的不同可以制成不同的 光电元件。
A K
IΦ E RL U0
光电管结构示意图和测量电路
光电管有多种类型,最典型的是真空光电管。正常工作 时,阳极电位高于阴极。在入射光频率大于“红限”的前提 下,从阴极表面逸出的光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,称为光电流。此时若光强增大, 轰击阴极的光子数增多,单位时间内发射的光电子数也就增 多,光电流变大。电流IФ和电阻只RL上的电压降U0就和光强
发展史: 光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到 的光强的变化。 早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆 柱形设备,发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接 收器输出电缆接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个 小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天 光电传感器的雏形。
第六章 光电传感器
目的要求:通过学习要求掌握光电传感器的基本原理, 学会选用方法和技巧,能用其组成测量系统。
本章主要讲述的内容: 光电效应及光电元件 光的产生和常见光源 光电传感器的类型及应用 CCD图像传感器概述 电荷耦合器件(CCD) CCD的主要特性 CCD应用举例
1970年,人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点, 就是它能够以非常快的速度来开关,开关速度可达到KHz。 将接收器的放大器调制到发射器的调制频率,那么它就 只能对以此频率振动的光信号进行放大。 我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。 将收音机调到某台,就可以忽略其他的无线电波信号。经过 调制的LED发射器就类似于无线电波发射器,其接收器就相 当于收音机。
(3)因为一个光子能量只能传给一个电子,所以电子 吸收能量不需要积累能量的时间,在光一照到物体上,就立 即有光电子发出,据测该时间不超过10-9s。
根据外光电效应制成的光电元件类型很多,主要有光电 管、光电倍增管等。
(1)光电管
光电管是利用外光电效应制成的光电元件,其外形和结 构如图所示,半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心 的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内。
如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话,那么它 就可以被周围光源接收器可靠检测到。红外光LED是效率最高 的光束,同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。但是 有些传感器需要用来区分颜色(如色标检测),这就需要用可 见光源。 安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下,我们可 以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用,是无源元件,另外, 光纤不受任何电磁信号的干扰,并且能使传感器的电子元件与 其他电的干扰相隔离。 光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一层金属外 皮。这层金属外皮的密度比光芯要低,因而折射率低。光束照 在这两种材料的边界处(入射角在一定范围内),被全部反射 回来。根据光学原理,所有光束都可以由光纤来传输。
LED(发光二极管)最早出现在19世纪60年代,现在可 以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用。 LED就是一种半导体元件,其电气性能与普通二极管相同, 不同之处在于当给LED通电流时,它会发光。由于LED是固 态的,所以能延长传感器的使用寿命。使用LED的光电传感 器能做得很小,且比白炽灯传感器可靠。LED抗震动抗冲击 能力强,并且没有灯丝。LED所发出的光能只相当于同尺寸 白炽灯所产生光能的一部分。(激光二极管除外,它与普通 LED的原理相同,但能产生几倍的光能,并能达到更远的检 测距离)。LED能发射人眼看不到的红外光,也能发射可见 的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。
1 2 hv mv A 2
该式称为爱因斯坦光电效应方程。
结论:(1)当光子能量hv大于逸出功A时,才能发射出 光电子,即才能产生光电效应;当光子能量hv小于逸出功A 时,物体不能发射出光电子,也就不能产生光电效应;当光 电子能量hv恰好等于逸出功A时,光电子获得的初速度v=0, 此时光电子相应的单色光频率为v0,且有:hv0=A,v0为该物 体产生光电效应的最低频率,称为红限频率。 (2)光电子的初动能取决于入射光的频率v。因为对于 某种物质而言,其电子的逸出功是一定的。入射光频率v越 高,则电子吸收的能量hv越大,即电子的初动能越大。电子 的初动能与频率成正比。