光谱仪器系统34探测器.pptx

3.4 探测器探测器3.4.1 热探测器热探测器3.4.2 外光电效应探测器外光电效应探测器3.4.3 内光电效应探测器内光电效应探测器3.4.4 阵列式光电探测器阵列式光电探测器3.4.5 取样积分取样积分3.4.6 锁相放大锁相放大概述概述光谱仪器的光度特性在很大程度上取决于探测器光谱仪器的光谱范围也与探测器相关光谱响应波长范围探测器探测器性能性能灵敏度对辐射信号强弱的感知程度信噪比信号受噪声影响程度线性响应度所能测量的光度范围响应时间对探测快瞬变过程很重要探测器的发展探测器的发展目视观察目视观察：光谱范围有限，仅能定性分析，不便记录保存照相摄谱照相摄谱：精度不高，过程繁琐，效率低下光电检测光电检测：精度高，灵敏度高，响应速度快，便于记录保存3.4.1 热探测器热探测器利用光的热效应，光辐射温度物理量(如电阻、电压等)具有平坦的光谱响应特性，即它仅与辐射能量有关，与波长无关多用于探测红外光，因为红外光具有较好的热效应响应速度较慢响应速度较慢，这在一定程度上限制了其应用 高莱池、热敏电阻、热电偶、热（释）电探测器高莱池、热敏电阻、热电偶、热（释）电探测器(1)高莱池高莱池 Golay cell利用热膨胀效应热膨胀效应，密封气体受热膨胀引起反射镜位置变化改变探测器的接收光强响应速度慢，气体室需尽量小(2)热敏电阻热敏电阻电阻对温度敏感的半导体材料制成将热敏电阻接在电路中，测量电压或电流变化R1V0RTIVs(3)热电偶热电偶由两种不同的导体或半导体构成，通常使用两种不同的金属材料，将它们焊接在一起构成回路当吸收辐射光引起温度改变时，热电偶的端点1和2之间会产生电势差，从而在回路中形成电流多个热电偶串联热电堆，它具有更高的探测灵敏度。(4)热（释）电探测器热（释）电探测器利用某些对称晶体的自生电极化特性，温度改变晶体表面的电荷数目，引出两个电极小电容 相比于其它热探测器，响应速度更快，辐射恒定时没有输出常用材料，硫酸三苷肽TSG或DTSG，近红外毫米波3.4.2 外光电效应探测器外光电效应探测器吸收光子并向外发射电子，即通常意义上的光电效应探测器的阴极材料决定了探测的截止波长，只有光子能量大于材料的电子逸出功时才能向外发射电子外光电效应探测器外光电效应探测器(1)光电管光电管光辐射阴极材料发射电子电子向阳极移动电流光辐射强度越大，单位时间内产生的电子数目会越多量子效率仅为0.1，最小可探测功率10-10 W，3108个光子/秒 外光电效应探测器外光电效应探测器(2)光电倍增管光电倍增管光辐射阴极材料发射电子电子受外电场加速聚焦于第一倍增极激发出更多电子第二倍增极阳极10次倍增后可放大1081010倍，量子效率比光电管高得多动态范围大，8个数量级，下限受暗电流限制，上限受限空间电荷效应单光子计数单光子计数辐射功率很小时，光电倍增管的输出电流呈脉冲形式，此时测量单位时间内的脉冲数比电流强度的灵敏度更高光电流脉冲前置放大器电平甄别计数显示和记录 增益起伏影响小，可抑制暗电流、漏电流，数字信号利于处理增益起伏影响小，可抑制暗电流、漏电流，数字信号利于处理微通道板微通道板一般与阵列探测器配合使用3.4.3 内光电效应探测器内光电效应探测器光辐射电导率变化或产生光生电动势(不发射电子)分为光导效应光导效应和光伏效应光伏效应 一般由半导体材料构成，不同材料光谱响应不同光导效应探测器光导效应探测器光敏电阻光敏电阻吸收光子激发价带电子到导带使半导体的电导率变大作为电阻串联在电路中使用，受到光照射时，电流会增大工作温度，PbS探测器（室温），InSb探测器（77 oK）响应时间，受限载流子寿命，响应速度不快，PbS探测器（0.11 ms），InSb探测器（s量级）光伏效应探测器光伏效应探测器光电池光电池光导效应与光伏效应区别光电池，光辐射转化为电压，主动器件原理原理特性特性光导效应光导效应多数载流子导电在弱辐射信号探测和光谱响应范围方面具优势光伏效应光伏效应少数载流子导电噪声小、响应快、线性度好、受温度影响小光伏效应探测器光伏效应探测器光电池光电池(Cont.)PN结，光照产生的电子空穴对在过渡层的内建电场的作用下会分别向N区和P区移动，使N区带负电和P区带正电，形成光生电动势负载电阻必须足够小，以保持输出电压低于其饱和值，否则输出信号与光辐射强度不再呈正比关系。导带价带+hv-PN-+E光电二极管光电二极管(1)PIN型光电二极管型光电二极管光电二极管是在大的反向偏压下工作的光导半导体或光伏半导体，受光辐射时，有正比于辐射强度的电流流经管子PIN型光电二极管，在PN结区之间加入一层本征半导体响应速度快(PN结空间电荷层间距加宽，结电容变小)，线性输出范围更宽输出电流小，mA量级，因为本征层电阻大光电二极管光电二极管(2)雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD它基于载流子雪崩效应提供电流内增益结构中构造了一个强电场区，光生载流子进入后会因定向运动而产生雪崩效应，造成电子、空穴数目急剧增大，从而获得光电流的增益灵敏度高(内增益)，响应时间短(10-10 s)，噪声较大噪声较大雪崩管的工作过程雪崩管的工作过程3.4.4 阵列式光电探测器阵列式光电探测器单通道探测器，多通道探测器测量光强，测量空间位置在光谱仪器中的好处：同时检测色散到空间不同位置的同时检测色散到空间不同位置的光强信息，避免仪器中的扫描装置，实现并行检测光强信息，避免仪器中的扫描装置，实现并行检测位置传感器位置传感器 PSD单通道探测器按空间顺序排列集合而成 PDA，CCD，CMOS阵列式探测器阵列式探测器(1)位置传感器位置传感器PSD在一维或两维方向上具有均匀阻值的巨大PIN型光电二极管PN结的横向光电效应，电极1,2上的电流会随光斑位置而变化优点一：对光斑形状无要求，测量位置仅与光斑能量中心有关优点二：光敏面无需分割，可连续测量光斑位置，精度高(一维PSD 0.2微米)阵列式探测器阵列式探测器(2)CCD一种MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）型固体阵列式器件工作原理工作原理：在电极上加适当偏压，受光照后光生电子在光积分区聚集，用时钟来控制光积分区的移动，依次把各个光积分区的电荷沿转移栅输出工作过程工作过程：电荷存贮积累阶段(110 ns)和读出阶段(100 s)CCD与与CMOS的比较的比较CMOS是另外一种使用广泛并且发展速度有可能超过CCD的阵列式光电探测器CCD的灵敏度和分辨率比CMOS高CCD制造工艺复杂、成本相对较高CCD使用时需外加电源、能耗也相对较高CMOS的响应速度较快，可以更好地捕捉快瞬变信号KodakCCDCanonCMOS3.4.5 取样积分取样积分取样积分器，Boxcar，微弱信号检测系统基本原理：在每个周期内对信号一部分取样取样一次，然后经过积分积分器器算出平均值，这样各个周期内取样的平均信号便呈现了待测信号的真实波形特点：信号是多次平均结果，可大大提高信号的信噪比核心组件：取样门(脉冲触发开关)和积分器(RC积分器)工作模式：定点式某一瞬态信号的平均值 扫描式恢复信号波形(1)定点式取样积分器定点式取样积分器用延时电路产生的取样脉冲控制取样门，对信号进行采样和积分，取样脉冲周期等于信号周期 N次取样平均后，信噪比可改善 倍(2)扫描式取样积分器扫描式取样积分器使用可变延时的取样脉冲，这样可以对信号波形进行延时取样，从而恢复待测信号的波形 扫描式取样积分器的信号波形扫描式取样积分器的信号波形输出信号在时间上大大“放慢”了待测信号扫描式取样积分器的噪声改善机理扫描式取样积分器的噪声改善机理只有在脉宽范围内的点才能被取样慢扫描信号相对于时基信号变化非常缓慢，取样脉冲相对于触发脉冲的移动也十分缓慢这样待测信号波形上的“点”可以依次被多个取样脉冲取样，从而实现对单个“点”的多次累积平均取样点取样点脉宽脉宽取样脉冲取样脉冲3.4.6 锁相放大锁相放大也是一种微弱信号检测技术，能够在比被测信号强100dB的外来干扰信号中检测出目标信号 利用了信号与噪声在相关性方面的差别：信号与噪声在相关性方面的差别：如果调制入射信号，那么出射信号与入射信号具有时间相关性，而噪声则与入射信号没有时间相关性锁相放大器的基本原理锁相放大器的基本原理(1)参考信号和待测信号(2)相关计算，即相乘(3)对上述信号低通滤波，只有频率相等时才有输出只有频率相等时才有输出巩固一下巩固一下单光子计数、取样积分和锁相放大是三种用于微弱信号的检测技术，它们的工作原理如何？如何实现？对待测信号有什么要求？