《光電傳感與檢測器》課件

光電傳感與檢測器光電傳感是一種利用光的特性檢測和轉(zhuǎn)換非光量信號的傳感技術(shù)。它在廣泛應(yīng)用于自動化控制、工業(yè)檢測、光通信等領(lǐng)域中扮演著重要角色。JY課程簡介課程內(nèi)容概覽本課程將全面介紹光電傳感與檢測技術(shù)的基本原理和廣泛應(yīng)用,涵蓋光電轉(zhuǎn)換、光電探測機理、常見光電器件特性及應(yīng)用等內(nèi)容。知識體系框架通過循序漸進的講解,幫助學(xué)生深入理解光電傳感技術(shù)的工作原理和應(yīng)用前景,掌握相關(guān)設(shè)計和分析的方法。課程目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生對光電傳感技術(shù)的全面認(rèn)知,培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力,為未來從事相關(guān)工作奠定堅實基礎(chǔ)。光電轉(zhuǎn)換原理1電子激發(fā)光子能量激發(fā)電子從基態(tài)躍遷至高能態(tài)2電荷分離激發(fā)電子與空穴發(fā)生分離3電流產(chǎn)生電荷載流子在電場作用下產(chǎn)生電流光電轉(zhuǎn)換是通過光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生電信號的過程。首先入射光子能量激發(fā)電子從基態(tài)到高能態(tài)，隨后電子與空穴發(fā)生分離,在電場作用下產(chǎn)生電流輸出,實現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換。這是光電探測器的基本工作原理。光電探測機理1光吸收光子被物質(zhì)吸收,激發(fā)電子到更高能級2載流子產(chǎn)生激發(fā)電子躍遷到導(dǎo)帶,產(chǎn)生電子-空穴對3載流子分離在內(nèi)部電場作用下,電子和空穴被分離4信號產(chǎn)生分離的載流子在外電路中產(chǎn)生電流信號光電探測的基本機理包括光吸收、載流子產(chǎn)生、載流子分離和電信號產(chǎn)生四個過程。光子被物質(zhì)吸收后激發(fā)電子到更高能級,進而產(chǎn)生電子-空穴對。在內(nèi)部電場作用下,這些載流子被分離并在外電路中產(chǎn)生可檢測的電流信號。這一過程是光電探測器的核心工作機理。光電二極管光電二極管是一種半導(dǎo)體器件,能將光能轉(zhuǎn)換為電能。其工作原理是光子的能量激發(fā)電子躍遷,產(chǎn)生電子-空穴對,從而產(chǎn)生電流輸出。光電二極管具有高靈敏度、快速響應(yīng)、體積小等特點,廣泛應(yīng)用于光學(xué)通信、圖像傳感、光電檢測等領(lǐng)域。光電二極管特性光電二極管作為光電探測器元件具有光敏感度高、響應(yīng)時間快、量子效率高等特點,暗電流小、飽和電壓低。這些特性決定了光電二極管在光電檢測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。光電二極管應(yīng)用照明光電二極管被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外照明系統(tǒng),如LED燈、景觀照明等,具有高能效、長壽命和可調(diào)光特點。光通信光電二極管可作為光信號的發(fā)射器和接收器,在光纖通信和無線光通信系統(tǒng)中起重要作用。感測檢測光電二極管可檢測光信號的強度和波長,被用于光柵傳感器、光電開關(guān)、光電編碼器等光電感測設(shè)備。光電轉(zhuǎn)換光電二極管能將光能轉(zhuǎn)換為電能,在太陽能電池、光伏發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。光電晶體管結(jié)構(gòu)特點光電晶體管由光敏半導(dǎo)體層、集電極和發(fā)射極三部分組成。在光照射下,光敏層會產(chǎn)生電流信號,放大至集電極。工作原理光照射到光敏層會產(chǎn)生電子-空穴對,在電場的作用下被分離并注入集電極,放大電流信號。特性曲線光電晶體管具有飽和電流、光伏特特性和光電流放大特性曲線,可用于光電轉(zhuǎn)換和光功率放大。光電晶體管特性50X增益放大100V耐壓1μs響應(yīng)時間90%量子效率光電晶體管作為一種重要的光電探測器件,具有較高的增益放大、良好的耐壓性能、ultra-fast的響應(yīng)速度和優(yōu)異的量子效率等特點,可廣泛用于光電檢測、光測量和光通信等領(lǐng)域。光電晶體管應(yīng)用光電監(jiān)測光電晶體管能高效檢測光信號強度,廣泛應(yīng)用于光強監(jiān)測和控制。光電開關(guān)光電晶體管可以通過光信號進行開關(guān)控制,用于自動化照明和傳感設(shè)備。光電測量光電晶體管能精準(zhǔn)測量光強參數(shù),用于光學(xué)儀器和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。光電導(dǎo)體光電導(dǎo)體是一類特殊的半導(dǎo)體材料,當(dāng)它們受到光照時會產(chǎn)生電子和正孔,從而導(dǎo)致電導(dǎo)率大幅增加。這種光致導(dǎo)電效應(yīng)可用于設(shè)計光電檢測器件,如光電池和光導(dǎo)管。光電導(dǎo)體的響應(yīng)速度快,具有高靈敏度和高分辨率等優(yōu)點。光電導(dǎo)特性光電導(dǎo)電效應(yīng)當(dāng)物質(zhì)吸收光能時,它的電導(dǎo)會發(fā)生變化的現(xiàn)象,即光電導(dǎo)電效應(yīng)。這是光電探測器工作的基礎(chǔ)。光電導(dǎo)率物質(zhì)在光照條件下的電導(dǎo)率,用來表征光電導(dǎo)效應(yīng)的強弱。光電導(dǎo)率越高,光電信號越強。影響因素光強度、波長、溫度等因素會影響物質(zhì)的光電導(dǎo)特性。合理選擇這些參數(shù)可以優(yōu)化光電探測性能。光電導(dǎo)應(yīng)用1光電傳感利用光電導(dǎo)體在光照下電阻值發(fā)生變化的特性,制作出能感應(yīng)光照強度變化的光敏電阻器。2光電轉(zhuǎn)換通過光電導(dǎo)體直接將光能轉(zhuǎn)換為電能,應(yīng)用于太陽能電池、光電池等領(lǐng)域。3光控電路利用光電導(dǎo)體可控制電路的開關(guān)和工作狀態(tài),應(yīng)用于照明控制、自動門等場合。光電二極管陣列光電二極管陣列是多個獨立光電二極管集成在同一片硅基底上形成的一維或二維陣列結(jié)構(gòu)。它能夠同時檢測多個光信號,具有高靈敏度、快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。這種陣列結(jié)構(gòu)可用于成像、光譜分析、光學(xué)傳感等應(yīng)用領(lǐng)域,在光電檢測領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。光電二極管陣列結(jié)構(gòu)單個像素每個光電二極管作為一個像素單元,可以獨立檢測和轉(zhuǎn)換入射光。二維陣列將大量像素單元排列成二維陣列,構(gòu)成光電探測器的基本結(jié)構(gòu)。讀出電路配備專門的讀出電路,可以采集和處理每個像素單元的信號。像素間隔對于高分辨率探測器,像素間需要保持足夠小的間隔以獲得高密度。光電二極管陣列性能光電二極管陣列具有高像素密度、快速響應(yīng)時間、高量子效率和良好的信噪比等優(yōu)秀性能指標(biāo),廣泛應(yīng)用于圖像傳感、條碼掃描、光電子成像等領(lǐng)域。光電探測器分類1熱電探測器熱電探測器通過熱能感應(yīng)產(chǎn)生電信號。其特點是響應(yīng)時間快、靈敏度高、可靠性好。廣泛應(yīng)用于紅外成像、熱成像等領(lǐng)域。2光電池光電池利用光電效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換為電能。其特點是體積小、質(zhì)量輕、壽命長、維護簡單。常見于太陽能發(fā)電等應(yīng)用。3光電管光電管通過光電子放射效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。其特點是靈敏度高、噪音低、工作電壓低。應(yīng)用于光電測量、信息傳感等領(lǐng)域。4光電二極管光電二極管利用光電效應(yīng)工作,能將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。其特點是響應(yīng)快、線性性好、穩(wěn)定性高。廣泛應(yīng)用于光通信、光電檢測等。熱電探測器溫度敏感檢測熱電探測器利用溫度變化導(dǎo)致的熱電勢變化來檢測熱輻射強度,對溫度極其敏感。結(jié)構(gòu)簡單耐用熱電探測器通常由熱電偶或熱電堆陣列構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單可靠,使用壽命長。應(yīng)用廣泛熱電探測器可用于測量輻射、溫度、流量等物理量,在紅外成像、火焰監(jiān)測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。光電池光電池是一種利用光電效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。它由一個或多個光電池組成,能夠?qū)⑻柟饽芨咝实剞D(zhuǎn)換為電能。光電池可廣泛應(yīng)用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)、節(jié)能照明等領(lǐng)域。光電池的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的光電特性,將光能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)光照射在光電池表面時,光子能量被半導(dǎo)體材料吸收,激發(fā)出電子-空穴對,產(chǎn)生電壓差和電流,從而產(chǎn)生電能輸出。光電池結(jié)構(gòu)1半導(dǎo)體材料光電池由高效的半導(dǎo)體材料制成，如硅、砷化鎵、磷化銦等，用于吸收光能并產(chǎn)生電子-空穴對。2正負(fù)電極光電池由正、負(fù)兩個電極組成。正極采用p型半導(dǎo)體，負(fù)極采用n型半導(dǎo)體，中間形成p-n結(jié)構(gòu)。3金屬導(dǎo)線在正、負(fù)電極上設(shè)有金屬導(dǎo)線，用于收集和輸出光生電流。導(dǎo)線材料通常為銀、銅等良導(dǎo)體。光電池工作原理1光照光子照射光電池表面2電子激發(fā)光子吸收激發(fā)電子躍遷3空穴形成激發(fā)電子離開價帶留下空穴4電勢差產(chǎn)生空穴和電子在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢差光照射到光電池表面,光子被半導(dǎo)體吸收后激發(fā)出自由電子,電子離開原有價位形成空穴,電子和空穴在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢差,從而產(chǎn)生光伏效應(yīng),產(chǎn)生光電流。這就是光電池的基本工作原理。光電池特性電壓輸出特性光電池在不同光照強度下輸出的電壓會發(fā)生變化。電壓隨光照增強而增大，并逐漸趨于飽和。電流輸出特性光電池輸出電流與光照強度成正比關(guān)系。光照越強，產(chǎn)生的光生載流子濃度越高，輸出電流越大。光電池效率光電池轉(zhuǎn)換光能為電能的效率一般為10%~20%左右，取決于材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計。需要不斷提高效率以降低成本。光電池應(yīng)用太陽能發(fā)電光電池廣泛應(yīng)用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為清潔可再生的電能。傳感器光電池可作為光照強度檢測的傳感器元件，廣泛用于光電控制、測量等領(lǐng)域。電子電路光電池可為電池、計算機等電子設(shè)備提供直流電源,滿足小功率電子產(chǎn)品的電源需求。光電管光電管結(jié)構(gòu)光電管由一個真空玻璃或金屬外殼、一個照射面和一個集電極組成。光照射在照射面時,會產(chǎn)生光電子從而產(chǎn)生電流。工作原理光電子從光電陰極被激射出來,在電場的作用下移動到集電極,形成輸出電流。這種光電效應(yīng)是光電管的基本工作原理。類型豐富光電管有多種不同類型,如真空光電管、氣體光電管、倍增管等,用于不同的應(yīng)用場合。光電管結(jié)構(gòu)真空管結(jié)構(gòu)光電管內(nèi)部由一個陰極、一個陽極和一個光敏靶構(gòu)成,真空密封在一個玻璃或金屬外殼中。光敏靶當(dāng)光照射到光敏靶時,會產(chǎn)生光電子發(fā)射,從而產(chǎn)生光電流。光敏靶可由堿金屬或化合物制成。電極結(jié)構(gòu)陰極和陽極之間加上高電壓,產(chǎn)生的電場會使光電子加速移動并產(chǎn)生輸出電流。光電管特性100K響應(yīng)速度高速光電管的響應(yīng)速度可達10-100KHz0.8量子效率光電管的量子效率一般介于0.5-0.8之間220靈敏度光電管的電流靈敏度可達220A/W光電管應(yīng)用工業(yè)檢測光電管廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域,如檢測固體、液體或氣體的流量、速度、濃度等參數(shù)。它們具有響應(yīng)快速、精度高的特點。安全監(jiān)控光電管可用作光電傳感器,實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)測和報警。例如,在出入口設(shè)置光電傳感器可檢測人員進出情況。醫(yī)療診斷光電管在醫(yī)療診斷中也扮演重要角色,如血糖監(jiān)測、心率監(jiān)測等。它們可以實現(xiàn)無創(chuàng)、連續(xù)的生理參數(shù)監(jiān)測。光通信光電管可將電信號轉(zhuǎn)換為光信號,用于光纖通信系統(tǒng)中。其快速響應(yīng)、低噪聲的特性適合高速光通信需求。小型光電探測器小型光電探測器通常使用光電二極管或光電晶體管等小型光電元件作為光電轉(zhuǎn)換單元。這些器件結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、重量輕、抗干擾能力強,因此廣泛應(yīng)用于各種微型光電系統(tǒng)中,如光電傳感、光電開關(guān)、光電計數(shù)等。小型光電探測器特點是成本低廉、靈敏度高、響應(yīng)速度快,可實現(xiàn)對微弱光信號的高精度檢測。在工業(yè)監(jiān)控、自動化、光電通訊等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。大型光電探測器大型光電探測器是專門用于天文觀測和深空探測的高性能光電探測設(shè)備。這些探測器采用大口徑的光學(xué)系統(tǒng),能夠捕捉極微弱的光信號,并將其轉(zhuǎn)換為電信號進行后續(xù)處