光电式传感器新

光电式传感器新2传感器原理第7章光电式传感器第一节发光器件一、玻尔的原子理论二、发光器件1、钨丝白炽灯2、气体放电灯3、发光二极管4、激光器光电式3光电式第二节光敏元件一、光电效应二、光电型光电器件三、光电导型光电传感器四、光伏特型光电传感器五、CCD光电器件第三节光电传感器的应用1一、模拟式光电传感器二、开关式光电传感器传感器原理4第7章光电式传感器它可用于检测直接引起光量变化的非电量如：光强光照度辐射测温等也可用来检测能转换成光量变化的非电量如：直径表面粗糙度应变位移（距离）振动速度加速度气体成分分析以及物体的形状、工作状态的识别等光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。5光电传感器特点非接触响应快性能可靠等，在各行各业中得到广泛应用x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式光电式传感器的组成光源光通路光电元件信号处理电路光量光量电量电量输出x1x2光电式传感器的组成6光的波长：10-9~10-3（米m）红外108106104102110-210-410-610-810-1010-1210-141km1m1cm1μm1nm1A°700600500400800λ/nm0.40.50.60.70.8λ/μm波长（nm）可见光电力传输广播短波电视调频雷达紫外γ射线宇宙射线赫兹波软硬Χ-射线图7-1电磁波谱图真空中可见光的波长范围：390~760（nm）波长7在光电效应中，光表现出它的粒子性。具有能量、动量和质量。ChhE式中：h普朗克常数h=6.626×10-34（J.S焦耳.秒）ν光的频率（Hz赫）λ光的波长（m米）C光速（m/s米/秒）光子能量与光的频率成正比，不同频率的光子具有不同的能量，光子的频率越高，其能量就越大。●光子的动量（与波长λ成反比）为：●每一光子的能量为：●光子的质量为：hCh/2Chm8一、玻尔的原子理论二、发光器件1、钨丝白炽灯2、气体放电灯3、发光二极管4、激光器第一节发光器件9发光器件本身并非敏感元件和传感器，但常与光敏元件配合构成各种利用光检测、传感的装置，在自动化领域有广泛用途。第一节发光器件（光源）玻尔原子理论原子的自发发射原子的受激发射粒子数反转谐振腔激光器发光器件等本节主要介绍物质发光的原理及发光器件——10一、玻尔的原子理论1913年玻尔以原子的有核模型为基础，结合原子光谱的规律，对原子结构提出了三个基本假设，使光谱现象获得了初步解释。玻尔假设：（1）在电子绕核运动所有轨道中，只有在电子的角动量Lφ等于量h/(2π)的整数倍的那些轨道上（称为量子轨道），运动才是相对稳定的（在n=1的量子轨道上运动是最稳定的），即2hnL式中：h普朗克常数n量子数，为正整数1、2、3、…n=3n=1n=2氢原子中电子的量化轨道＋玻尔的原子理论11（3）只有原子从一个具有较大能量En的稳定运动状态跃迁到另一个较低能量Ek的稳定运动状态时，原子才以光的形式发射出单色辐射，其频率是（频率条件式）hEhEknkn（2）电子在上述假设所许可的任一轨道上运动时，虽有加速度，但原子具有一定的能量En而不会发生辐射，所以处于相对稳定的运动状态（定态）。玻尔的原子理论n=3n=1n=2氢原子中电子的量化轨道＋12玻尔的第一、第二基本假设说明了●电子绕核运动的轨道不是任意的，而是有选择的。电子只能在符合量子条件的那些轨道（称为量子轨道n倍h/(2π)，n称为量子数）上运动，并且处于相对稳定的运动状态，即具有一定的能量，而不辐射出能量。●由于原子内的电子只能在一些稳定的量子轨道上运动，因此原子所具有的能量En是不连续的，即为E1、E2、E3、…特定的数值，而不具有介于E1和E2或E2和Ea等之间的数值。或者说，原子的能量是量子化的。由于原子能量数值的高低，象一级一级的阶梯一样，形成分立的序列，通常把这种按照突变形式的能量数值称为原子的能级。■物质发光机理物质发光机理n=3n=1n=2氢原子中电子的量化轨道＋13（如图所示）即原子也可以改变它所处的能级，当原子从一个能级跃迁到较低的能级时，就发射出光子；所减少的能量（En-Ek）被转变为光子的能量hv由光子能量的减少可算出发射的单色辐射的频率式中：h为普朗克常数h=6.626×10-34（J.S焦耳.秒），v为光的频率（Hz赫）玻尔第三个基本假设解释了原子辐射的现象反之，当原子吸收光子时，也可以从较低能级跃迁到较高能级。物质发光机理＋－hν从低能级跃迁到高能级原子吸收光子能量－＋－－hν从高能级跃迁到低能级能级跃迁原子发射光子14根据玻尔理论，氢原子光谱的产生可解释如下：电子在第一轨道（量子数n=1）时，能量最小，此时原子最为稳定，原子的这种状态称为正常状态或基态。当原子受到辐射或高能粒子的碰撞等外界因素激发时，它就吸收一定的能量而跃迁到某一个能级较高的受激状态，它的电子就跃迁到量子数较大的轨道上运动。量子数n越大，电子距核越远，原子的能量En越大。量子数n1的各个状态，其能量大于正常状态，称为受激状态或激发态。基态：受激状态：受激状态的形成：＋－hν原子吸收光子能量从低能级跃迁到高能级－物质发光机理n=3n=1n=2氢原子中电子的量化轨道＋15根据玻尔理论，氢原子光谱的产生可解释如下：处于受激状态的原子是不稳定的，能够自发地跃迁到能级较低的受激状态或基态，由玻尔第三假设，当原子从量子数为n的初态跃迁到量子数为k的末状态时（nk），原子就发射出单色光。受激状态→基态：＋－－hν原子能级跃迁时发射光子物质发光机理16二、发光器件1、钨丝白炽灯2、气体放电灯3、发光二极管4、激光器17二、发光器件1、钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源是最普通的光源一般白炽灯的辐射光谱是连续的可见光还辐射出大量红外线和紫外线一般普通钨丝白炽灯相当于温度为2700-2900K的黑体辐射，这一范围在近红外区。由于它的光谱是连续的，在可见光及紫外光波段也有相当强的辐射，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。普通白炽灯还有溴钨灯、碘钨灯。182、气体放电灯气体放电灯是利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。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围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长。目前荧光剂的选择范围很广，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，照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。19日光灯亦称“荧光灯”。一种利用光致发光的照明用灯。灯管用圆柱形玻璃管制成，实际上是一种低气压放电管。两端装有电极，内壁涂有钨酸镁、硅酸锌等荧光物质。制造时抽去空气，充入少量水银和氩气。通电后，管内因水银气体被电离放电而产生紫外光（线），紫外光激发荧光物质，使它发出可见光，不同发光物质产生不同颜色，常见的近似日光（荧光物质为卤磷酸钙）。荧光灯光线柔和，发光效率比白炽电灯高，其温度约在40～50℃，电功率仅为同样明亮程度的白炽灯之1/3～1/5。广泛用于日常生活和工厂的照明光源。不讲203、发光二极管LED（LightEmittingDiode）半导体PN结的形成当半导体P型硅和N型硅相互结合时，在结合面上P区的空穴浓度高，N区没有空穴，由于扩散P区的空穴移到N区，N区的电子浓度高，P区没有电子，由于扩散N区的电子移到P区，这样在PN结处形成势垒电荷区电子由N区注入到P区及空穴由P区注入到N区，称为少数载流子注入。在PN结处形成的势垒电荷区，抑制了空穴和电子的继续扩散。从而在PN结处形成一个稳定的内电场。构成P-N结时载流子扩散作用与内电场作用的平衡N区P区＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－＋＋－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋势垒电荷区内电场方向发光二极管是一种电致发光的半导体器件。21当PN结上加有正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子与多数载流子复合而发光，如图7-2所示。即电子和空穴复合释放出能量并以发光的形式表现出来。势垒电荷区内电场方向N区－P区－－＋＋＋变窄外电场RI加正向电压势垒变窄图7-222势垒电荷区内电场方向N区－P区－－＋＋＋变窄外电场RI加正向电压势垒变窄在外电场的作用下，电子或空穴如果能越过势垒，从N区注入到P区的电子和P区里的空穴复合，从P区注入到N区的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时电子或空穴（越过势垒）所具有的能量（该能量大于光子的能量），伴随着以光子形式释放出来，因而有发光的现象。由于复合是在扩散区内发光，所以光仅在靠近PN结面数um以内产生。23电子和空穴复合，所释放的能量Eg也就是PN结的（势垒）禁带宽度（能量间隔）（电子和空穴越过势垒所具有的能量）。发光二极管禁带宽度光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即：λ=1240/Eg（mm）若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料禁带宽度Eg应在3.26～1.63eV之间。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。24光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图7-3所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。图7-325材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400-630SiC480ZnxCd1-xTe590-830GaP565,680GaAs1-xPx550-900GaAs900InPxAs1-x910-3150InP920InxGa1-xAs850-1350制作发光二极管的材料普通二极管是用锗和硅制造的。这两种材料的禁带宽度Eg分别为锗0.67eV硅1.12eV这两种材料不能直接使用。通常用砷化镓GaAs和磷化镓GaP两种材料的固溶体，将该固溶体写作GaAs1-xPx，下标x代表砷化镓的比例，当x0.35时，便可得到Eg≥1.8eV的材料。264、激光器激光器是一种能发射激光光束的强光源。激光的产生激光器的组成激光器的分类271、原子的自发发射和受激发射（1）自发发射当原子吸收外界能量而被激发到高能级时是不稳定的，会自发地跃迁到低能级而发光，这一过程称为自发发射。自发发射所发出的光子频率为：hEE12上述所讲的是一个原子发光的情况，光源发光是大量原子运动的行为。常见的白炽灯、日光灯等均是自发发射的光源。常见光源中各发光原子是相互独立地、互不关联地、个体化地向四面八方发光，它们开始发光的时间也参差不一，光的频率和周期也没有一定的关系，所以各原子的发光不是相干光。E2E1吸收自发发射hνhν激光的产生28（2）受激发射处于高能级的原子在外界作用影响下发射光子而跃迁到低能级上去，这种发光过程称为受激发射。亚稳能级在物质中某些原子能级具有这样的特征，即能级E2不如能级E1稳定，但比Ea稳定，故称E2为亚稳能级。当原子处于亚稳能级E2时，需要在能量为hν=E2–E1的外界射入光子的激发下（此时外界入射光子并不将能量传递给所激发的原子），发生受激发射，跃迁到能级E1上去，并发射出一个能量为hν=E2–E1的光子。在受激发射过程中，发射光子●在能量（或频率）上和外界的入射光子相同，●在周相上和发射方向上和外界的入射光子完全一样。这样在受激发射过程中，一个入射光子激发了一个光子，得到了两个特征完全相同的光子。hνhνhνE2E1原子受激发射Ea29如果这两个光子再激发物质中其它处于（亚稳）能级E2的原子发生受激发射，这些原子所发射的光子在周相、发射方向、振动方向和频率上也和最初引起受激发射的入射光子相同，即产生了四个相同的光子。于是在一个入射光子影响下，会获得大量特征完全相同的光子。