第10章光电测量技术第10章光电测量技术第1页，共38页，星期日，2025年，2月5日光电式传感器：将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种装置。光电传感器的物理基础是光电效应。10.1光电测量基础知识x1光源光通路光电器件测量电路光量光量电量x2输出X1——被测量直接引起光源光量的变化X2——被测量在光传播过程中调制光量对光量的调制方法：第2页，共38页，星期日，2025年，2月5日物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电发射效应或外光电效应。E=h·fh普朗克常数，h=6.63×10-34J·S；f是光的频率。光子的能量E与它的频率成正比(爱因斯坦光量子理论)光电效应分两大类型：外光电效应和内光电效应10.2外光电效应第3页，共38页，星期日，2025年，2月5日物体表面受光照射，表面内的电子与光子碰撞，光子把全部能量转移给电子。如电子的能量超过逸出功A0时，电子就逸出物体表面产生光电发射。如果不考虑电子热运动的能量，产生光电发射的条件是：光子能量h·f超过表面逸出功A0。mv2/2=hf-A0v-电子逸出时的速度；m-电子的质量。爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律：1）物体表面发射的电子数(光电流)与光强成正比；2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关；3）光电子逸出物体表面，h·fA0。对于每种物体都存在一个极限频率（红限频率f0）否则不会有光电子发射出来。第4页，共38页，星期日，2025年，2月5日在真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。(1)结构和工作原理(真空光电管)光电管光电阴极贴附在玻璃泡内壁或涂在半圆筒形的金属片上，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，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。第5页，共38页，星期日，2025年，2月5日充气光电管在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子，使其电离，使阳极电流急剧增加，提高了光电管的灵敏度。缺点:灵敏度随电压显著变化、稳定性、频率特性等比真空光电管差。第6页，共38页，星期日，2025年，2月5日光电倍增管在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这种情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，为克服这个缺点，要采用光电倍增管。(1)光电倍增管的结构和工作原理第7页，共38页，星期日，2025年，2月5日由光电阴极、若干个倍增极和阳极三部分组成。光电倍增极上涂有电子轰击下能够发射更多电子的材料。倍增极数目在4~14个不等。第8页，共38页，星期日，2025年，2月5日光照半导体电子在物体内部运动内光电效应光电导效应、光生伏特效应光电导：入射光子的能量如果大于禁带宽度，即hf≥Eg,电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带，载流子数增多使其电阻下降。10.3内光电效应第9页，共38页，星期日，2025年，2月5日光电导效应--光敏电阻(1)结构和原理又称光导管。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。第10页，共38页，星期日，2025年，2月5日光敏电阻利用光电导效应制成，一般选用禁带宽度较宽的半导体材料。原理：光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻RG值下降，流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值。第11页，共38页，星期日，2025年，2月5日1:硫化镉、2:硫化铊、3:硫化铅。光敏电阻的光电特性在一定电压作用下，光电流I与照射光通量Φ的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性具有非线性。光敏电阻的光谱特性第12页，共38页，星期日，2025年，2月5日2光电池---光生伏特效应光电池基于阻挡层的光电效应工作的。在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件。实质上它就是电压源。光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电