传感器原理课件9-1光电

1、 光电传感器光电传感器是利用基于是利用基于光电效应光电效应将光信号转换将光信号转换 为电信号的装置，使用它测量非电量时，需要将这为电信号的装置，使用它测量非电量时，需要将这 些非电量的变化转换成光信号的变化，然后借助光些非电量的变化转换成光信号的变化，然后借助光 电元件把光信号转换为电信号。电元件把光信号转换为电信号。 1 2 1 2 I 被测量被测量 光通量光通量 光电传感器主要由光电传感器主要由发光元件发光元件、光学系统光学系统、光光 电接收元件电接收元件和和测量电路测量电路组成。组成。 光电接受元件主要有光电效应传感器（包光电接受元件主要有光电效应传感器（包 括光敏电阻、光电池、光敏晶体

2、管）、红外热括光敏电阻、光电池、光敏晶体管）、红外热 释电探测器、固态成像器件、光纤传感器等。释电探测器、固态成像器件、光纤传感器等。 光电传感器具有结构简单、光电传感器具有结构简单、非接触非接触、高可、高可 靠性、高精度和反应快等优点，故广泛用于各靠性、高精度和反应快等优点，故广泛用于各 种自动检测系统中。种自动检测系统中。 光电式传感器的应用可分为两类光电式传感器的应用可分为两类：模拟式光电：模拟式光电 传感器传感器和和脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器。 1. 1.模拟式光电传感器模拟式光电传感器 将被测量转换成连续变化的光电流输出，且将被测量转换成连续变化的光电流输出，且 与被测量之间是

3、单值关系，一般做测量元件。与被测量之间是单值关系，一般做测量元件。 归纳为四种基本形式，即：归纳为四种基本形式，即：吸收式（透射式）吸收式（透射式）、 反射式反射式、辐射式辐射式( (直射式直射式) )、遮光式遮光式。 又称透射式。又称透射式。 例如例如:透明度、浑浊度测量透明度、浑浊度测量 例如例如:通过光通量变化大小可以反映粗糙度、通过光通量变化大小可以反映粗糙度、 纸张的白洁度；通过光通量变化频率可以反映被纸张的白洁度；通过光通量变化频率可以反映被 测物的转速。测物的转速。 又称直射式又称直射式 例如例如:照度计照度计 例如例如:被测物的位置、尺寸大小、振动等被测物的位置、尺寸大小、振动

4、等 测量测量 2. 脉冲式光电传感器（开关式）脉冲式光电传感器（开关式） 将被测量转换成将被测量转换成断续断续变化的光电流输变化的光电流输 出，一般用作开关器件在中。出，一般用作开关器件在中。 例如：计数器、检测表例如：计数器、检测表 完成光电测试还需要设计一定的光路完成光电测试还需要设计一定的光路 图，光路由光学元件组成，常见的有滤光图，光路由光学元件组成，常见的有滤光 片、棱镜等。片、棱镜等。 利用电流通过气体产生发光现象制成的利用电流通过气体产生发光现象制成的 灯即灯即气体放电灯气体放电灯。 它的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及它的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及 放电条件有关。改变

5、气体的成分、压力、阴极材放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材 料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围 的辐射的辐射。 半导体半导体PNPN结构结构 是是20世纪世纪60年代出现的最重大科技成就之一。具年代出现的最重大科技成就之一。具 有高方向性、高单色性、高亮度和高的相干性四个重有高方向性、高单色性、高亮度和高的相干性四个重 要特性。激光波长一般从要特性。激光波长一般从0.15m到远红外整个光频波到远红外整个光频波 段范围。段范围。X-射线激光器。射线激光器。 9.2 9.2 光电效应光电效应 自然界的一切物体在环境温度高于自然界的一切物体在

6、环境温度高于0K以上时以上时 都会产生光波辐射，光是波长约在都会产生光波辐射，光是波长约在1000.01m之之 间的电磁辐射，其光谱见图。间的电磁辐射，其光谱见图。 紫紫 蓝蓝 绿绿 黄黄 橙橙 红红 光也可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子光也可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子 (称为光子称为光子)所构成所构成 hE h为普朗克常数；为普朗克常数； v光的频率光的频率( s-1)。 光子能量光子能量 每个光子具有的能量正比于光的频率；每个光子具有的能量正比于光的频率； 光照射某一物体，就可以看作这物体受到一连串光照射某一物体，就可以看作这物体受到一连串 具有一定能量的光子所轰击，而具有

7、一定能量的光子所轰击，而光电效应光电效应就是由就是由 于这物体吸收到光子能量后转换为某些电子的能量。于这物体吸收到光子能量后转换为某些电子的能量。 光线照射到物体后产生的光电效应分为两类，光线照射到物体后产生的光电效应分为两类，即即 外光电效应和内光电效应。外光电效应和内光电效应。 外光电效应外光电效应 9.2.1 外光电效应外光电效应 爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程： 2 00 2 1 mVAhv 式中第一项是式中第一项是电子电子逸出物体表面所需的功；逸出物体表面所需的功； 第二项是逸出物体表面的电子所具有的动能。第二项是逸出物体表面的电子所具有的动能。 1电子电子能否逸出物体表

8、面取决于能否逸出物体表面取决于光子光子具具 有的能量有的能量hv是否大于是否大于A0，而而 hv只与光的频率只与光的频率v 有关，否则光强再大也不会产生光电发射。有关，否则光强再大也不会产生光电发射。 2如果产生了光电发射，在入射光频谱如果产生了光电发射，在入射光频谱 不变的情况下，逸出的电子与光强成正比。不变的情况下，逸出的电子与光强成正比。 光强愈强意味着入射的光子数目愈多，受轰光强愈强意味着入射的光子数目愈多，受轰 击逸出物体表面的电子数目愈多。击逸出物体表面的电子数目愈多。 3.逸出的光电子具有动能。逸出的光电子具有动能。 主要性能主要性能 （1 1）光电管的）光电管的伏安特性伏安特性

9、 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与 阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。 真空灵敏度低，但受温度影响小，灵敏度稳定。真空灵敏度低，但受温度影响小，灵敏度稳定。 光照特性曲线的光照特性曲线的 斜率称为光电管斜率称为光电管 的灵敏度。的灵敏度。 1-氧铯阴极氧铯阴极 2-锑铯阴极锑铯阴极 曲线曲线1、2分别为铯阴极、分别为铯阴极、 锑铯阴极对应不同波长光锑铯阴极对应不同波长光 线的灵敏度，线的灵敏度， 3为多种成分（锑、钾、为多种成分（锑、钾、 钠、铯等）阴极的光谱特钠、铯等）阴极的

10、光谱特 性曲线性曲线 由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成 阴极由半导体光电材料阴极由半导体光电材料锑铯锑铯做成，次阴极是在镍做成，次阴极是在镍 或铜或铜- -铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可 达达3030级。通常为级。通常为12141214级。级。 使用时在各个倍增电极上均加上电压，使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电阴极电 位最低，以后依次升高，阳极最高位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增。相邻两个倍增 电极之间有电位差，因此存在加速电场。电极之间有电位差，因此存在加速电场。 2 光电倍增管及其基本特性

11、光电倍增管及其基本特性 )49( / n i iI 主要参数：主要参数： 1 1）倍增系数）倍增系数MM 一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光 电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均 电子数叫光电倍增管的总灵敏度电子数叫光电倍增管的总灵敏度. . (2) (2) 光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度 （3 3）暗电流和本底脉冲）暗电流和本底脉冲 由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，由于环境温度、热辐射和其它因素的影响， 即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，即使没有光信

12、号输入，加上电压后阳极仍有电流， 这种电流称为暗电流。这种电流称为暗电流。 在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍 增管会有电流信号输出增管会有电流信号输出本底脉冲。本底脉冲。 （4 4）光电倍增管的光谱特性）光电倍增管的光谱特性 与相同材料的光电管的相似。与相同材料的光电管的相似。 当光照在物体上，使物体的当光照在物体上，使物体的电导率电导率发生发生 变化，或产生变化，或产生光生电动势光生电动势的现象。分为的现象。分为光光 电导效应和光生伏特效应（光伏效应）电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。 1光电导效应光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能

13、量在光线作用下，电子吸收光子能量 从键合状态过度到自由状态，而引起材料从键合状态过度到自由状态，而引起材料 电导率电导率的变化。的变化。 自由电子所占能带自由电子所占能带 价电子所占能带价电子所占能带 禁带禁带 1 光敏电阻光敏电阻 工作原理是工作原理是光电导效应，光电导效应，图为光敏电阻的结构图。图为光敏电阻的结构图。又又 称光导管，是纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。称光导管，是纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。 图示符号 n硫化镉（CdS）光谱特性接近人的视觉范围，可 见光波段范围内灵敏度高，多用于灯光自控和照 相机自动光； n硫化铅（PbS）近红外较灵敏，用于火灾探测。 常见的光敏

14、电阻常见的光敏电阻 2. 光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性 （1 1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、 光电流光电流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗暗 电阻电阻，此时流过的电流为，此时流过的电流为暗电流。暗电流。 在受到光照时的电阻称为在受到光照时的电阻称为亮电阻亮电阻，此时的，此时的 电流称为电流称为亮电流亮电流。 亮电流与暗电流之差为亮电流与暗电流之差为光电流光电流。 一定光照下，所一定光照下，所加加 的的电压越高，光电电压越高，光电 流越大，而且没有流越大，而且没有 饱和的现象。饱和的现象。 在

15、给定的电压下，光电流的数值将随在给定的电压下，光电流的数值将随 光照增强而增大。光照增强而增大。 图图9-99-9 硫化镉的伏安特性硫化镉的伏安特性 5 10 15 20 25 30 020 40 60 80 100 120140 耗散功率 10 lx 100 lx 1000 lx 光敏电阻电压（V） ）光电 流mA（ 多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用 做开关式的光电转换器。做开关式的光电转换器。 光通量光通量/lm/lm 光电流光电流/ /mA mA 4 4）光谱特性）光谱特性 硫化镉硫化镉的峰值在的峰值在可见光可见光区域，区域，硫化铅硫化

16、铅 的峰值在的峰值在红外红外区域。故选用时要把元件和区域。故选用时要把元件和 光源结合起来考虑。光源结合起来考虑。 0 500 1000 1500 2000 2500 20 硫化镉硫化镉 硫化铊硫化铊 硫化铅硫化铅 入射光波长入射光波长/nm/nm 相对灵敏度相对灵敏度/% /% （5） 频率特性和响应时间频率特性和响应时间 (b) 频率特性曲线 光照停止后的时间(s) 光入射后的时间(s) (a) 响应时间曲线 增长曲线 下降曲线 0 0.511.5 100 80 60 40 20 04812 101001000 10000 f(Hz) 100 80 60 40 20 0 硫化铅 硫化铊 相

17、对灵敏度Sr（%） 光照变化频率（Hz） 100 lx500 lx 10 lx 500 lx 100 lx 10 lx 光 电 流（ % ） 光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化， 即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常 用时间常数表示，越小，响应越快，但多数都较大；且用时间常数表示，越小，响应越快，但多数都较大；且 不同的时间常数对应着不同材料的频率特性。不同的时间常数对应着不同材料的频率特性。 （6） 光谱温度特性光谱温度特性 硫化铅光敏电阻硫化铅光敏电阻 （受温度影响最大）（受温度

18、影响最大） 1 1）结光电效应结光电效应 光照射光照射PNPN结时，若结时，若h h EgEg，使，使价带中的电子跃迁价带中的电子跃迁 到导带，而产生电子空穴对，在到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场阻挡层内电场的作用的作用 下，电子偏向下，电子偏向N N区外侧，空穴偏向区外侧，空穴偏向P P区外侧，使区外侧，使P P区带区带 正电，正电，N N区带负电，形成光生电动势区带负电，形成光生电动势。 ： 2） 侧向光电效应侧向光电效应 当光照射半导体光电器件的灵敏面时，光照部分吸当光照射半导体光电器件的灵敏面时，光照部分吸 收光子能量便产生自由电子收光子能量便产生自由电子-空穴对，这部分的载流

19、子浓空穴对，这部分的载流子浓 度比未被光照部分的载流子浓度大，就产生了浓度梯度，度比未被光照部分的载流子浓度大，就产生了浓度梯度， 由光照部分和未被光照部分的载流子浓度梯度产生的电由光照部分和未被光照部分的载流子浓度梯度产生的电 动势，称为侧向光电效应。动势，称为侧向光电效应。 电子浓度高电子浓度低 光电池是利用光电池是利用光生伏特效应光生伏特效应把光直接把光直接 转变成电能的光电器件。由于它可把太阳转变成电能的光电器件。由于它可把太阳 能直接转变为电能，因此又称为能直接转变为电能，因此又称为太阳能电太阳能电 池池。它有较大面积的。它有较大面积的PN结，当光照射在结，当光照射在 PN结上时，在

20、结的两端出现电动势。故光结上时，在结的两端出现电动势。故光 电池是电池是有源元件有源元件。 PN + - Rf NP PNN + - Rf b ce 9.4.3 光敏晶体管光敏晶体管 1光敏二极管和光敏三极管的结构与工作原理光敏二极管和光敏三极管的结构与工作原理 光敏晶体管 2光敏晶体管的基本特性光敏晶体管的基本特性 （1）光敏晶体管的光谱特性）光敏晶体管的光谱特性 20 40 60 80 100 0.51.01.52.00 硅 锗 相对灵敏度Sr(%) ）（ A （2）光敏晶体管的伏安特性）光敏晶体管的伏安特性 （3）光敏晶体管的光照特性）光敏晶体管的光照特性 0 5 10 5001000

21、0200400600 800 1000 10 20 30 40 光照( lx )光照( lx ) 光 电 流 光 电 流 mA mA (a)硅光敏二极管 (b)硅光敏三极管 负载增大负载增大 （4）光敏晶体管的温度特性）光敏晶体管的温度特性 光敏管的温度特性曲线 （5）光敏晶体管的时间常数）光敏晶体管的时间常数 时间常数：锗时间常数：锗2 10-4 s，硅，硅10-5s左右。左右。 9.4 光电传感器光电传感器 应用实例应用实例 各式各样的光电传感器各式各样的光电传感器 9.4.2 应用实例应用实例 光电开关光电开关 例子：例子：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LEDLED与光敏晶体管组合来与

22、光敏晶体管组合来 测量位移。测量位移。 光电鼠标 对射式检测对射式检测 可以直接使用在可以直接使用在 危险环境中危险环境中 调制传感器原理图调制传感器原理图 色标检测色标检测 红色的红色的LED只能看到只能看到 蓝色和绿色。同理，蓝色和绿色。同理， 绿色的绿色的LED只能看到只能看到 红色和蓝色，蓝色的红色和蓝色，蓝色的 LED 只能看到红色和只能看到红色和 绿色。可见白色光适绿色。可见白色光适 用于许多场合。用于许多场合。 用于种子包装袋的用于种子包装袋的 计数测量计数测量 光电传感器光电传感器安装在与卷取车台共同移动的位置上，经电安装在与卷取车台共同移动的位置上，经电 机丝杠或液压缸驱动修

23、正，使所卷之材料相对传感器或探机丝杠或液压缸驱动修正，使所卷之材料相对传感器或探 头不偏不倚，使所收之卷整齐。头不偏不倚，使所收之卷整齐。 光电传感器固定，而且接光电传感器固定，而且接 近于放料车台之位置，经电机近于放料车台之位置，经电机 丝杠或液压缸驱动修正放料调丝杠或液压缸驱动修正放料调 整棍，使所卷之材料相对传感整棍，使所卷之材料相对传感 器或探头不偏不倚的行走。器或探头不偏不倚的行走。 光电传感器安光电传感器安 装在输出面边缘。装在输出面边缘。 执行机构控制工作执行机构控制工作 平台沿物料输入平平台沿物料输入平 面作平面扭转。面作平面扭转。 用于精确地检测用于精确地检测 塑料外包装的光塑料外包装的光 电传感器电传感器 可应用于安全可应用于安全 地识别刀具的地识别刀具的 断钻。