【文章內(nèi)容簡介】 第 2章 光電式傳感器 74 光電倍增管的電流放大倍數(shù)為 如果 n個倍增電極的 δi 都一樣 ,則 Ｍ＝ δin 因此陽極電流為 Ｉ ＝ i δin, / niIi????M與所加的電壓有關(guān)，在 105— 108之間。一般陽極和陰極之間的電壓為 1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為 50~100V。電壓越穩(wěn)越好。 光電倍增管的主要參數(shù)： （ 1）倍增系數(shù) M： 等于各個倍增電極的 2次發(fā)射電子系數(shù) δi的乘積。 主要參數(shù) 第 2章 光電式傳感器 75 一個光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做 光電陰極的靈敏度 。 一個光子在陽極上產(chǎn) 生的平均電子數(shù)叫 光 電倍增管的總靈敏度 。 (2) 光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度 最大靈敏度可達 10A/lm， 極間電壓越高（不能太高），M越大， 不能受強光照射。 光電倍增管的特性曲線 25 50 75 100 125 106 極間電壓 /V 倍增系數(shù) M 105 104 103 第 2章 光電式傳感器 76 （ 3）暗電流和本底脈沖 由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流 。 宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而形成的電流，稱為 本底電流（ 本底脈沖 ）具有脈沖形式。 第 2章 光電式傳感器 77 （ 4）光電倍增管的光譜特性 與相同材料的光電管的相似。 光照特性 第 2章 光電式傳感器 78 光譜特性： 對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。 國產(chǎn) GD4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限λ0=7000197。，它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率： 25%~30%。它適用于 白光光源 ，因而被廣泛地應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。 對 紅外光源 ，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。 對 紫外光源 ，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。 另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為 3000~8500197。，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極； 但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測量和控制技術(shù)中，這些光電管可以擔(dān)負人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。 第 2章 光電式傳感器 79 型號 光譜響應(yīng)范圍 (A。) 倍增極數(shù) 陰極靈敏度( u A/l m ) 陽極工作電壓( V) 暗電流( A) 環(huán)境溫度( ℃ ) GDB 525 3 000 – 6500 11 40 900 8 10 9 40 40 GDB 251 3 000 – 6500 13 30 900 6 10 9 50 50 GDB 220 3000 – 6500 8 40 900 8 10 9 40 50 GDB 410 3 000 – 7500 11 30 1000 1 10 7 8 0 60 GDB 423 3 000 – 8500 11 60 1300 5 10 8 40 40 GDB 125 2022 – 6500 9 40 750 2 10 9 40 50 國產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù) 第 2章 光電式傳感器 80 光電倍增管的應(yīng)用 閃爍計數(shù)器是一種通用的精密核輻射探測器。 第 2章 光電式傳感器 81 色敏光電傳感器 色敏光電傳感器相當(dāng)于兩支結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，故又稱光電雙結(jié)二極管 用途：直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi) 單色輻射的波長 。 結(jié)構(gòu)與基本原理 第 2章 光電式傳感器 82 工作原理： P+N結(jié)為淺結(jié) ， PN結(jié)為深結(jié) ； 半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL分別具有不同靈敏度： 淺結(jié)對紫外光有較高靈敏度 。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就被吸收完畢；而對紅外光部分吸收系數(shù)小 。 深結(jié)對紅外光有較高的靈敏度 。紅外光部分吸收系數(shù)大，光子主要在深結(jié)處被吸收； 對該色敏器件進行標定： 也就是測定在 不同波長光 照射下， 深結(jié)的短路電流 ISD2與 淺結(jié)的短路電流 ISD1的 比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2在長波區(qū)較大， ISD1在短波區(qū)較大；因而 ISD2 / ISD1與入射單色光波長的關(guān)系就可以確定 。 根據(jù)標定曲線，實測出某一單色光的短路電流比值，即可確定該單色光的波長。 第 2章 光電式傳感器 83 基本特性 1）光譜特性 表示它所能檢測的波長范圍。 CS1型色敏光電傳感器，波長范圍：400nm— 1000nm 第 2章 光電式傳感器 84 2）短路電流比－波長特性 短路電流比－波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。 3）溫度特性 不考慮溫度影響 第 2章 光電式傳感器 85 U0=C(ln ISD2 ― ln ISD1)=C ln (ISD2 / ISD1) 第 2章 光電式傳感器 86 光位置傳感器 光位置傳感器是一種硅光電二極管，它 利用光線來檢測位置 。 光位置傳感器的主要用途： 常用于機械加工的定位裝置，也可以作為機器人的眼睛或用于其他位置檢測。 第 2章 光電式傳感器 87 光位置傳感器工作原理： 2 1 11 2 2I R XI R X??2211RXRX?當(dāng)電阻層均勻分布時： 則： 第 2章 光電式傳感器 88 PSD 位置傳感器 組成： PSD 是一種新型光電檢測器件，由 P 襯底、PIN 光電二極管及表面電阻組成。 工作原理：基于半導(dǎo)體的“橫向光電效應(yīng)”，對達到器件入射光或粒子位置的敏感。即利用 PSD 的光電流可測量入射到感光區(qū)域的光斑能量中心的位置（一維），將光敏面上光點位置轉(zhuǎn)化為電信號。 第 2章 光電式傳感器 89 PSD 位置傳感器的測量電路： 取 PSD中心為坐標原點， L表示二電極之間的距離， I0=I1+I2表示總電流 ,xA為入射光到坐標原點之間的距離 ，則利用 PSD位置傳感器工作原理有： 2 0 0 01 1 2( 1 )22 A AxI I I x ILL? ? ? ?1012(1 )2 AI x IL??則 輸出電壓值與光強能量中心位置 xA值成正比。 1 2 02 AI I x IL?? 210()2AAX K I IK x IL???? 可見電極輸出光電流之差與 xA成正比，通過測量減法器輸出電壓值即可得到光照能量中心位置 xA值。 第 2章 光電式傳感器 90 紅外光傳感器 紅外光傳感器的應(yīng)用： 紅外輻射計：用于輻射和光譜輻射測量 搜索和跟蹤系統(tǒng)：確定位置對其運動進行跟蹤 熱成像系統(tǒng)：產(chǎn)生目標紅外輻射的分布圖 紅外測距和通信系統(tǒng) 混合系統(tǒng) 第 2章 光電式傳感器 91 紅外光傳感器 紅外輻射 俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位 于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波 長范圍大致在 。紅外線所占據(jù)的波段分 為 4部分，即 近紅外 ， 中紅外 ， 遠紅外 和 極遠紅外 。 紅外輻射基礎(chǔ) 第 2章 光電式傳感器 92 1)紅外輻射的物理本質(zhì)： 熱輻射 溫度 輻射紅外線 2)紅外輻射 以波的形式在空間直線傳播 的。 它在大氣中傳播時， 大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶 。 空氣中對稱的雙原子氣體，如 N O H2等不吸收紅外線。 紅外線在通過大氣層時，有 3個波段透過率高，它們是 2?m～ ?m， 3?m～ 5?m和 8?m～ 14?m，統(tǒng)稱它們?yōu)?“ 大氣窗口 ” 。因此紅外探測器一般都工作在這 3個波段（大氣窗口）之內(nèi)。 第 2章 光電式傳感器 93 紅外光傳感器按工作原理可分為 光量子型 和熱電型 兩大類。 光量子型：可直接把紅外光轉(zhuǎn)換成電能 。如，紅外光敏電阻和紅外 PN結(jié)型光生伏特器件，用于遙感成像方面。 熱電型：吸收紅外光后變?yōu)闊崮?，使材料的溫度升高，電學(xué)性能發(fā)生變化，人們利用這個現(xiàn)象制成了測量光輻射的器件。如紅外光敏熱釋電效應(yīng)器件。 紅外光傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu) 第 2章 光電式傳感器 94 1）材料 ： 具有 自發(fā)極化 的特征 — 鐵電晶體。 (如鋯鈦酸鉛系陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘肽等 ) 。 溫度升高，則極化強度減少 。 2） 熱釋電效應(yīng) ：若溫度因 吸收 紅外光 而升高，則極化強度減小，使單位面積上極化電荷減少，釋放一定量的吸附電荷；若與一個電阻連成回路，會形成電流，電阻上產(chǎn)生一定的壓降，這種因 溫度變化引起自發(fā)極化值變化的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng) 。 3） 只能探測輻射的 變化 第 2章 光電式傳感器 95 由實驗證實，電阻上壓降的變化為 ）溫度（熱釋電系數(shù)電極面積式中KT )KcmC( 1 0 S : 128???????????????dtdTRSRdtdTdTdpSRdtdpSUss由于 dT/dt與 紅外線強度的變化 成正比，結(jié)合上式，可得出輸出電壓正比于紅外線強度的 變化 。 第 2章 光電式傳感器 96 R 絕緣體 第 2章 光電式傳感器 97 3. 雙元件（雙元型）紅外傳感器 此傳感器專門用來 檢測人體輻射的紅外線 能量。市場上常見有國產(chǎn)的 SD0PH5324，日本的 SCA021，美國的 P2288等。 SD02由敏感單元、場效應(yīng)管、高阻抗變換管、濾光窗、菲涅爾透鏡等組成，并在氦氣環(huán)境下封裝而成。 渡多層濾光層薄膜7~14μm 第 2章 光電式傳感器 98 紅外光傳感器的應(yīng)用 1．紅外測溫儀 紅外測溫儀是利用熱輻射在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。 物體 ?輻射 紅外光 ?紅外探測器測溫。 采用濾光片，可使其工作在任意紅外波段。 第 2章 光電式傳感器 99 紅外測溫儀方框圖 8?m～ 14?m （鉭酸鋰） 第 2章 光電式傳感器 100 紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有 選擇性吸收的特性 來對氣體成分進行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同。 13 第 2章 光電式傳感器 101 圖 紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖 該分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外探測器及電路等部分組成。 光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線。 測量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（如 N2等）。 濾波氣室通入干擾氣體。 如檢測 CO()時，干擾氣體 CO2（） 。 紅外探測器是薄膜電容型，它有兩個吸收氣室，充以被測氣體，當(dāng)兩吸收氣室吸收的紅外輻射能量不同時，氣體溫度升高不同，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大不同，薄膜移動，電容量變化。 如被測氣體的濃度愈大，兩束光強的差值也愈大，則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。 310μm N 2 2 第 2章 光電式傳感器 102 光固態(tài) CCD圖像傳感器 光固態(tài)圖像傳感器是高度集成的半導(dǎo)體光敏傳感器，以 電荷轉(zhuǎn)移 為核心，可以完成光電信號轉(zhuǎn)換、信號存儲和傳輸處理的集成光敏傳感器，具有體積小、重量輕、功耗小、成本低等優(yōu)點，可探測可見光、紫外線、 x射線、紅外光、微光和電子轟擊等。 固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為 三類 ：電荷耦合器件（簡稱 CCD）、 MOS圖像傳感器（簡稱 SSPA）和電荷注入器件（簡稱 CID）。 前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識別。例如，攝像機、數(shù)碼照相機、掃描儀