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物性型傳感器-wenkub.com

2025-07-29 15:07 本頁面
   

【正文】 目前較成熟的產(chǎn)品是砷化鎵 (GaAs)半導(dǎo)體激光器 , 常做成二極管形式 , 其缺點是輸出功率小 。 由于氣體的光學性質(zhì)均勻, 所以氣體激光器的單色性和相干性特別好。 其特點是小而堅固 、 功率大 , 其中釹玻璃激光器的脈沖輸出功率最大 。如此不斷循環(huán), 沿諧振腔軸向運動的受激輻射光子越來越多,當光子積累到足夠數(shù)量時, 便從部分反射鏡一端輸出一部分光,即激光。 第 4章 物性型傳感器 2) 激光諧振腔由兩塊反射鏡組成 , 其中一塊反射率為 100%, 稱為全反射鏡; 另一塊反射率為 95%以上 , 稱為部分反射鏡 , 如圖 444( a) 所示 。 但是受激吸收過程和受激輻射過程是同時存在、 互相對立的。 第 4章 物性型傳感器 圖 443 ( a) 功能型; ( b) 非功能型;( c) 拾光型 第 4章 物性型傳感器 1. 激光的形成 1) 在外界光子作用下,物質(zhì)原子獲得一定的能量后,從相應(yīng)的低能級躍遷到高能級的過程叫做受激吸收。 光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)入射光纖引導(dǎo)到敏感元件 , 在這里 , 光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制 。 “ 模 ” 只能離散的存在, 即光纖中能夠傳輸?shù)墓獾哪?shù)是一定的。 因此 , 光線能在界面全反射 、 不再逸出芯體的條件是 2221ims i n nnNA ??? ? (412) 第 4章 物性型傳感器 3) 臨界角 θ im以內(nèi)的入射光以各自不同的角度在芯體界面發(fā)生全反射, 形成不斷反射的光傳輸路線。 因 n1> n2, 所以折射角恒大于入射角 (90176。 光纖呈圓柱形,兩端面為平面。 第 4章 物性型傳感器 圖 440 ULN3330內(nèi)電路框圖 第 4章 物性型傳感器 表 416 ULN3330集成電路的主要電參數(shù) 第 4章 物性型傳感器 2) ULN3330集成電路有三種封裝形式, ULN3330D采用帶玻璃窗的圓形金屬封裝; ULN3330T采用平透明塑料封裝; ULN3330Y采用半橢圓透明塑料封裝,圖 441是它們的外形底視圖。 輸出功率驅(qū)動器是 NPN中功率晶體管 , 最大可通過 100 mA的電流 , 可以直接驅(qū)動各種負載 。 光敏二極管的光敏區(qū)域約為 (mm mm), 峰值波長為 880 nm。 第 4章 物性型傳感器 圖 438 直射型光斷續(xù)器 第 4章 物性型傳感器 圖 439 反射型光斷續(xù)器 第 4章 物性型傳感器 表 415 一些國產(chǎn)光斷續(xù)器的技術(shù)特性 第 4章 物性型傳感器 3. 集成光電傳感器 ULN3330 ULN3330是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的集成光電傳感器。 它廣泛應(yīng)用于隔離線路、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、 長線傳輸、 過流保護、 高壓控制等方面。 ( 3) 被測物透光:可檢測被測物與吸收光或透射光特性有關(guān)的某些參數(shù) , 如濁度計和透明度計等 。 按照光源、被測物和光電元件三者的關(guān)系,光電傳感器可分為四種類型,如圖 436所示。 在負載電阻為 100 kΩ 時 , 其照度與輸出電壓取用對數(shù)刻度時具有良好的線性度 , 并且其斜率接近于 1;若將負載電阻接成 1 MΩ 以上時 , 電壓幾乎成開路狀態(tài) , 其輸出呈非線性并進入飽和狀態(tài) 。 該傳感器在非晶態(tài)硅的基片上平排做了三個光電二極管 , 并在各個光電二極管上分別加上紅(R)、 綠 (G)、 藍 (B)濾色鏡 , 將來自物體的反射光分解為三種顏色 , 根據(jù) R、 G、 B的短路電流輸出大小 , 通過電子線路及計算機可以識別 12種以上的顏色 。因電荷通過的 P型層是一均勻的電阻,所以光電流與光的入射點到電極間的距離成反比。 目前它不僅在家用攝像機中得到了應(yīng)用, 而且在廣播、 專業(yè)攝像機中也取代了攝像管。 現(xiàn)在 CCD圖像傳感器已采用光敏二極管作為感光元件,如圖 430所示, 它是一種家用攝像機 CCD圖像傳感器的外形圖。 有光照時,這些勢阱都能收集光生電荷。 第 4章 物性型傳感器 表 413 國產(chǎn)紅外探測器的性能 第 4章 物性型傳感器 7. CCD圖像傳感器 電荷耦合器 ( Charge Coupled Devices, CCD) 具有存儲 、 轉(zhuǎn)移并逐一讀出信號電荷的功能 。 第 4章 物性型傳感器 圖 427 PbS紅外線光敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖 第 4章 物性型傳感器 ( 2) ZnSb紅外光敏元件: 其結(jié)構(gòu)如圖 428所示, 它和具有 PN結(jié)的光敏二極管相似, 是把雜質(zhì) Zn等用擴散法滲入 N型半導(dǎo)體中形成 P層, 構(gòu)成 PN結(jié), 第 4章 物性型傳感器 圖 428 ZnSb紅外光敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖 第 4章 物性型傳感器 當紅外光照射在 ZnSb光敏元件的 PN結(jié)上時 , 由于光生伏特效應(yīng) , 在 ZnSb光敏元件兩端產(chǎn)生電勢 , 此電勢的大小與光照強度成比例 。 它是先在玻璃基板上制成金電極 , 然后蒸鍍 PbS薄膜 , 再引出電極線即成 。 ~ 135176。此外, 用于測溫的熱釋電紅外傳感器, 其測溫范圍可達 80~ 1500℃ 。 實際應(yīng)用中, 對于恒定的紅外輻射進行調(diào)制(或稱斬光), 使其變成交變輻射, 不斷引起探測器的溫度變化, 才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生, 并輸出不變的電信號。 人體溫度為 ℃ 時, 輻射紅外線波長為 μ m; 38℃ 時, 輻射紅外線波長為 μ m。 第 4章 物性型傳感器 熱釋電傳感器常用的陶瓷材料是熱電系數(shù)高的鋯鈦酸鉛( PZT)系、鉭酸鋰( LiTaO3)、 硫酸三甘鈦( TGS)等。自發(fā)極化隨溫度升高而減小, 在居里點溫度降為零。 第 4章 物性型傳感器 圖 423 ( a) 電路符號; ( b) 基本應(yīng)用電路 第 4章 物性型傳感器 表 411 國產(chǎn)光敏三極管的特性參數(shù) 第 4章 物性型傳感器 3) 光敏晶閘管 光敏晶閘管和普通晶閘管的惟一不同之處就是門極控制信號。 第 4章 物性型傳感器 表 410 一些國產(chǎn)光敏二極管的主要技術(shù)參數(shù) 第 4章 物性型傳感器 圖 421 光敏二極管電路符號和外形 第 4章 物性型傳感器 圖 422 光敏二極管應(yīng)用電路 ( a) 亮通電路; ( b) 暗通電路 第 4章 物性型傳感器 2) 光敏晶體管 光敏晶體管與普通晶體管類似 , 但發(fā)射區(qū)較小 , 當光照射到發(fā)射結(jié)上時 , 產(chǎn)生基極光電流 IL, 集電極電流 IC= β IL, 顯然集電極電流 IC正比于照射光的強度 。 光敏二極管的種類很多。 如前所述, 它的工作機理是光生電動勢效應(yīng), 即當受到光照時,半導(dǎo)體本征載流子濃度增加,在 P區(qū)和 N區(qū)均為少數(shù)載流子,在 PN結(jié)勢壘作用下,分別向?qū)Ψ絽^(qū)域漂移。 應(yīng)用最廣的 2CR為 N型單晶硅 , 2DR為 P型單晶硅 。 硅光電池的頻率特性優(yōu)于硒光電池。常用光敏電阻的性能參數(shù)見表 48。 按光譜特性及最佳工作波長范圍分類, 可有紫外光、 可見光及紅外光光敏電阻類。 第 4章 物性型傳感器 圖 417 紫外線傳感器的外形結(jié)構(gòu)圖 (a) 頂式; (b) 臥式 第 4章 物性型傳感器 如圖 418所示, RC 構(gòu)成的充放電回路, 其時間常數(shù)稱為阻尼時間, 電極間殘留離子的衰變時間一般為 5~ 10ms;當入射紫外線光通量低于某值時, 從輸出端可以得到與入射光量成正比的脈沖數(shù), 但若光通量大于此值時, 由于電容的放電, 管內(nèi)電流就飽和了。 在陰極和陽極間加約 350V的電壓,當紫外線照射在光電陰極上時, 陰極就會發(fā)射光電子。它可以廣泛地用于石油、氣體燃料的火災(zāi)報警,也可以用于賓館、飯店、辦公室、倉庫等重要場合的火災(zāi)報警。 它除了會受到高壓水銀燈、 γ 射線、 閃電及焊接弧光的干擾外, 對可見光不敏感。 光電倍增管噪聲小、增益高、頻帶響應(yīng)寬,在探測微弱光信號領(lǐng)域是其他光電傳感器所不能取代的。 第 4章 物性型傳感器 1. 光電倍增管 光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理如圖 416所示 , 它由光電陰極 K, 陽極 A和倍增極 (也稱打拿極 )D組成 。 ( 2) 光電動勢效應(yīng):當光照射 PN結(jié)時 , 在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子 — 空穴對 。 對光電管, 即使陽極電壓為零也會有光電流產(chǎn)生。 第 4章 物性型傳感器 由于光子的能量與光的頻率成正比, 因此要使物體發(fā)射光電子, 光的頻率必須高于某一限值。 第 4章 物性型傳感器 2. 光電效應(yīng) 1) 外光電效應(yīng)即光電子發(fā)射效應(yīng), 在光的作用下使電子逸出物體表面。光子的能量為 We= hυ。 第 4章 物性型傳感器 光電式傳感器 光與光電效應(yīng) 1. 光的知識 ( 1) 光的電磁說: 光是一種電磁波, 其頻譜如圖 415所示。表 44~ 47列出了部分集成霍爾傳感器的參數(shù)。根據(jù)測試,當?shù)?5腳和第 6腳間的外接電阻 R56=100 Ω時,電路有良好的線性。 UGN3501為典型的單端輸出集成霍爾傳感器, 是一種扁平塑料封裝的三端元件,腳 1( UCC), 2( GND), 3( OUT),有 T、 U兩種型號,其區(qū)別僅是厚度不同。線性集成霍爾傳感器是將霍爾元件、恒流源、線性放大電路等集成在一個芯片上, 輸出模擬電壓與外加磁場呈線性關(guān)系; 開關(guān)集成霍爾傳感器是將霍爾元件、恒流源、施密特電路、 驅(qū)動電路等集成在一個芯片上,驅(qū)動電路為集電極開路的三極管, 輸出具有遲滯特性。 銻化銦元件的輸出較大, 受溫度影響也較大; 砷化銦和鍺的輸出不及銻化銦的大, 但溫度系數(shù)小, 線性度好。 霍爾元件是一種半導(dǎo)體四端薄片 , 它一般做成正方形 , 在薄片的相對兩側(cè)對稱地焊上兩對電極引出線 。其次,薄片的厚度、半導(dǎo)體材料中的電子濃 E
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