日本SUNX神视光电传感器工作原理与应用
日本SUNX神视光电元件是光电传感器中zui重要的部件,常见的有真空光电元件和半导体光电元件两大类.它们的工作原理都基于不同形式的光电效应.根据光的波粒二像性,我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流,这种粒子称为光子.每个光子具有的能量为式中,为光波频率;h为普朗克常数,h=6.63
对不同频率的光,其光子能量是不相同的,光波频率越高,光子能量越大.用光照射某一物体,可以看作是一连串能量为Au的光子轰击在这个物体上,此时光子能量就传递给电子,并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收,电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化,从而使受光照射的物体产生相应的电效应,我们把这种物理现象称为光电效应.通常把光电效应分为三类:
1）在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,基于外光电效应的光电元件有光电管,光电倍增管等.
2）在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应.基于内光电效应的光电元件有光敏电阻,光敏晶体管等.
3）在光线作用下,物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏应,基于光生伏应的光电元件有光电池等.
SUNX外光电效应器件
日本SUNX神视光电传感器工作原理与应用日本SUNX神视光电传感器工作原理
日本SUNX神视光电管是利用外光电效应制成的光电元件,其外形和结构如图7.2.1所示,半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内,当入射光照射在阴极上时,单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子,从而使自由电子的能量增加h.当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时,它就可以克服金属表面束缚而逸出,形成电子发射.这种电子称为光电子,光电子逸出金属表面后的初始动能为（1/2）m.
根据能量守恒定律有
由上式可知,要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A.由于不同材料具有不同的逸出功,因此对每一种阴极材料,入射光都有一个确定的频率限,当入射光的频率低于此频率*,不论光强多大,都不会产生光电子发射,此频率限称为"红限".相应的波长λK为式中,c为光速;A为逸出功.
光电管正常工作时,阳极电位高于阴极,如图7.2.2所示.在人射光频率大于"红限"的前提下,从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引,在光电管内形成空间电子流,称为光电流.此时若光强增大,轰击阴极的光子数增多,单位时间内发射的光电子数也就增多,光电流变大.在图7.2.2所示的电路中,电流IФ和电阻只RL上的电压降U0就和光强成函数关系,从而实现光电转换.
图7.2.1 光电管结构示意图 图7.2.2 光电管测量电路图
阴极材料不同的光电管,具有不同的红限,因此适用于不同的光谱范围.此外,即使入射光的频率大于红限,并保持其强度不变,但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变,即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同.光电管的这种光谱特性,要求人们应当根据检测对象是紫外光,可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管,以便获得满意的灵敏度.
由于真空光电管的灵敏度低,因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管.图7.2.3是光电倍增管结构示意图.
日本SUNX神视光电传感器工作原理与应用光电倍增管主要由光阴极K,倍增极D和阳极A组成,并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装.依据分装方法,可分成端窗式和侧窗式两大类.端窗式光电倍增管的阴极通常为透射式阴极,通过管壳的端面接受入射光.侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光,它的阴极通常为反射式阴极.
图7.2.3 光电倍增管结构示意图
光阴极的量子效率是一个重要的参数.波长为λ的光辐射入射到光阴极时,一个入射光子产生的光电子数,定义为光阴极的量子效率.光阴极有很多种,常用的有双碱,S11及S20三种.光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成,光阴极接负高压,各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给,灵敏检流计或负载电阻接在阳极A处,当有光子入射到光阴极K上,只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功,就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子.在K和D1之间的电场作用下,光电子被加速后轰击*倍增极D1,从而使D1产生二次电子发射.每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子,这样就实现了电子数目的放大.D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2,…….这样的过程一直持续到zui后一级倍增极Dn,每经过一级倍增极,电子数目便被放大一次,倍增极的数目有8～13个,zui后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集.若倍增电极有n级,各级的倍增率为б,则光电倍增管的倍增率可以认为是бn,因此,光电倍增管有*的灵敏度.在输出电流小于1mA的情况下,它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系.光电倍增管的这个特点,使它多用于微光测量.若将灵敏检流计串接在阳极回路中,则可直接测量阳极输出电流.若在阳极串接电阻RL作为负载,则可测量RL两端的电压,此电压正比于阳极电流.
图7.2.4 光电倍增管的基本电路 图7.2.5 光敏电阻结构示意图及符号
图7.2.4所示为光电倍增管的基本电路.各倍增极的电压是用分压电阻R1,R2,……Rn获得的,阳极电流流经负载电阻RL得到输出电压U0.当用于测量稳定的辐射通量时,图中虚线连接的电容C1,C2,…,Cn和输出隔离电容C0都可以省去.这时电路往往将电源正端接地,并且输出可以直接与放大器输入端连接,从而使它能够响应变化缓慢的入射光通量.但当入射光通量为脉冲通量时,则应将电源的负端接地,因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声,此时输出端应接人隔离电容,同时各倍增极的并联电容亦应接人,以稳定脉冲工作时的各级工作电压,稳定增益并防止饱和.
日本SUNX神视光电传感器与测量有关的两个参数
（1） 暗电流
光电倍增管接上工作电压后,在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出,此电流即称为暗电流.光电倍增管在工作时,其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成.当信号电流比较大时,暗电流的影响可以忽略,但是当光信号非常弱,以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时,暗电流将严重影响对光信号测量的准确性.所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的zui小值.一只好的光电倍增管,要求其暗电流小并且稳定.
（2） 光谱响应特征
光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的,这一特性可用光谱响应率表示.在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的光谱响应率,表示为
（7.4）
式中,P（λ）为入射到光阴极上的单色辐射功率;I（λ）是在该辐射功率照射下所产生的阳极电流;S（λ）是波长的函数,它与波长的关系曲线称为光电倍增管的光谱响应曲线.
测量S（λ）十分复杂,因此在一般测量中都是测量它的相对值.为此,可以把S（λ）中的zui大值当作一个单位对所有S（λ）值进行归一化,这时就得到
（7.5）
s（λ）称为光电倍增管的相对光谱响应率,它与波长的关系曲线称为光电倍增管的相对光谱响应曲线.s（λ）≤1,是一个无量纲的量,只表示光电倍增管的光谱响应特征.