現(xiàn)代傳感技術(shù)第2章課件

1、光電傳感技術(shù)2.1 電磁波譜2.2 輻射源特性及其度量2.3 光電效應2.4 光電探測傳感器件2.5 光電位置傳感器（PSD）2.6 光電傳感技術(shù)應用電磁波譜圖2-1 電磁波譜輻射源特性及其度量輻射源特性（1）光譜特性 （2）能量特性 （3）角度特性 輻射源的度量對輻射源的度量有兩種：光度量制和輻射度量制。光度量制以人眼或經(jīng)視見函數(shù)校正過的照度計作為探測器；輻射度量制以無光譜選擇性的真空熱電偶作為探測器 光電效應光電效應是指因光照而引起物體電學特性改變的現(xiàn)象。電學特性變化是指光照射物體時，物體發(fā)射電子、電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢等。光電效應大致可歸納為兩大類：外光電效應物質(zhì)受到光照后向外發(fā)射

2、電子的現(xiàn)象，這種效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物；內(nèi)光電效應物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運動，而不會逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象，這種效應多發(fā)生于半導體內(nèi)。內(nèi)光電效應又可以分為光電導效應和光生伏特效應。光電導效應光電導效應是指物體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使物體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。這種效應在大多數(shù)半導體和絕緣體中都存在。而金屬的電子能態(tài)與半導體和絕緣體不同，在光照下電阻沒有改變，因此不產(chǎn)生光電導效應。 表征光電導體器件，最重要的參數(shù)為靈敏度弛豫時間（惰性）光譜分布光生伏特效應光生伏特效應是指，光照使不均勻半導體或均勻半導體中光電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，是把光

3、能變?yōu)殡娔艿囊环N效應。因此光照在半導體PN結(jié)或金屬半導體接觸面上時，在PN結(jié)或金屬半導體接觸的兩側(cè)會產(chǎn)生光生電動勢。光電發(fā)射效應光敏物質(zhì)吸收光子后，電子從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)而脫離原子核的束縛，從而在外電場作用下參與導電，即發(fā)生內(nèi)光電效應。如果被激發(fā)的電子能逸出光敏物質(zhì)的表面而在外電場作用下形成光電子流，這就是外光電效應或稱光電發(fā)射效應。在光電器件中，光電管、光電倍增管等光電器件，都是基于外光電效應理論的。1.斯托列托夫定律（光電發(fā)射第一定律）；2.愛因斯坦（Einstein）定律（光電發(fā)射第二定律）3.光電發(fā)射的紅限4.光電發(fā)射的瞬時性光電探測傳感器件利用物質(zhì)的光電效應把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器

4、件稱為光電探測傳感器件，有時也稱光電探測傳感器件。根據(jù)對輻射的作用方式不同（或說工作機理的不同），光電探測傳感器件（光電探測傳感器件）可分為光子探測傳感器件熱電探測傳感器件光電探測傳感器件 光電管 外光電效應 光電倍增管 本征型 單晶型 光子探測傳感器件 摻雜型 （基于量子效應） 光敏電阻 多晶型 （基于光電導效應） 合金型 內(nèi)光電效應 光敏二極管光電探測傳感器件 光生伏特效應 光敏晶體管 （基于光生伏特效應）光 電 池 雪崩光電管 熱電堆 熱電偶 熱電探測傳感器件 熱釋電探測器 （基于熱效應） 熱敏電阻 表 24 各類光電效應及其相應器件 光電探測傳感器件光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)響應度

5、響應時間頻率響應參數(shù)描述噪聲的基本參數(shù)半導體光電探測傳感器件光電探測傳感器件主要特性比較與選用原則光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)1.響應度（或稱為靈敏度）響應度是用來衡量光電探測傳感器件的光-電轉(zhuǎn)換效能，定義為光電傳感器輸出電壓 或輸出電流 與入射光功率 （或通量 ）之比。即 式中， 和 分別稱為電壓響應度和電流響應度。由于光電傳感器的響應度隨入射光的波長而變化，因此 又有光譜響應度和積分響應度。（2-3）光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)2.光譜響應度光譜響應度 （單位為V/W或A/W）是光電傳感器的輸出電壓或輸出電流與入射到傳感器上的單色輻通量（光通量）之比。即式中， 為光譜響應度； 為入射的

6、單色輻通量或光通量。從式(2-4)可看出，傳感器的輸出電壓（或電流）值愈大意味 著傳感器愈靈敏。（2-4）光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)3.積分響應度積分響應度表示傳感器對連續(xù)輻射通量的反應程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通量為 ，光電傳感器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應度。由于光電傳感器輸出的光電流是由不同的波長的光輻射引起的，所以輸出光電流應為 積分響應度為 由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提供數(shù)據(jù)時應指明采用的輻射源及其色溫。光電傳感器的長波限光電傳感器的短波限光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)4.響應時間響應時間是描

7、述光電傳感器對入射輻射響應快慢的一個參數(shù)，即當入射輻射到光電傳感器后或入射輻射遮斷后，光電傳感器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。常用時間常數(shù)的大小來表示。當用一個輻射脈沖照射光電傳感器，如果這個脈沖的上升和下降時間很短（如方波），則光電傳感器的輸出由于器件的惰性而有延遲，把從10%上升到90%峰值處所需的時間稱為傳感器的上升時間，而把從90%下降到10%處所需的時間稱為下降時間，如圖2- 4所示。圖2- 4 上升時間和下降時間光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)5.頻率響應由于光電傳感器信號的產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電傳感器的響應將會有較大的影

8、響。光電傳感器的響應隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應。利用時間常數(shù)可得到光電傳感器響應度與入射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達式為式中， 為頻率是f時的響應度； 為頻率是零時的響應度； 為時間常數(shù)， 。當 時，可得放大器的上限截止頻率為顯然，時間常數(shù)決定了光電傳感器頻率響應的帶寬。tt =RC描述噪聲的基本參數(shù)1.熱噪聲2.散粒噪聲3.產(chǎn)生-復合噪聲4.1/f 噪聲5.衡量噪聲的參數(shù)（1）信噪比（S/N） （2）等效噪聲輸入（ENI）（3）噪聲等效功率（NEP） （4）探測率D與歸一化探測率 （5）暗電流 半導體光電探測傳感器件1.光敏電阻光敏電阻是光電導型器件。它是在絕緣材料上將梳狀光電導

9、體封閉在金屬或塑料外殼內(nèi)，再在兩端連上歐姆接觸的電極而成。2.光電池根據(jù)光生伏特效應制成的光電池是將光能轉(zhuǎn)變成電能的一種器件。3.光敏二極管由于半導體光敏二極管有一個PN結(jié)，因此屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€性光電器件。4.光敏晶體管光敏晶體管是一種相當于在基極和集電極之間接有光敏二極管且電流加以放大的普通晶體管，因此，結(jié)構(gòu)與一般晶體管相類似。 光電探測傳感器件主要特性比較與選用原則光電探測傳感器件的選用原則 光電探測傳感器件必須和輻射信號源及光學系統(tǒng)在光譜特性上匹配，即必須根據(jù)工作波長或波段，選用光譜響應好的光電探測傳感器件。光電探測傳感器件的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配。光電探測傳感器件有良

10、好的頻率響應特性，即必須和光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配，以獲得無頻率失真的輸出波形和良好的時間響應。光電探測傳感器件必須和輸入電路在電特性上良好地匹配，以保證有足夠大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性范圍、信噪比及快速的動態(tài)響應等。 光電位置傳感器（PSD）光電位置傳感器常稱PSD（Position Sensitive Detector），是一種能在其感光表面連續(xù)移動光點位置的位置敏感檢測器。它與分立元素探測器相比，具有位置分辨率高、反應電流簡單快速、檢測數(shù)據(jù)只與光點的位置和能量中心有關(guān)（與光點形狀無關(guān)）、可以同時測量位置和強度等優(yōu)點，因此是目前應用較為廣泛的一種光電器件。 半導體位置傳感器的原理是基于光敏二極管的縱向光電效應。圖2- 13 橫向和縱向光電效應光電式帶材跑偏檢測器帶材跑偏檢測器用來檢測