第7章光学测量传感器

1、2021-8-21 实用传感器技术教程实用传感器技术教程 22021-8-2 光电效应光电效应 1.2 第第7章章光学测量传感器光学测量传感器 概述概述 7.1 7.2 光敏晶体管光敏晶体管 7.4 光电耦合器光电耦合器7.5 光敏电阻光敏电阻 1.2 7.3 光纤传感器光纤传感器 7.7 CCD传感器传感器 7.8 光电池光电池 7.6 32021-8-2 v光电式传感器是以光为测量媒介，将被测量的光电式传感器是以光为测量媒介，将被测量的 变化所引起的光信号的变化通过光电器件转换变化所引起的光信号的变化通过光电器件转换 成电信号的一类传感器。成电信号的一类传感器。 v它即可用于检测直接引起光

2、强变化的非电量，它即可用于检测直接引起光强变化的非电量， 如光强、照度、温度、气体成分分析等；也可如光强、照度、温度、气体成分分析等；也可 用来检测能通过一定方式转换为光量变化的一用来检测能通过一定方式转换为光量变化的一 些非电量，如物体的位移、速度、加速度、表些非电量，如物体的位移、速度、加速度、表 面粗糙度等。面粗糙度等。 42021-8-2 7.1概述概述 v光电式传感器的一般组成结构如图光电式传感器的一般组成结构如图7-1所示：主要包括所示：主要包括 光源、光学通路、光敏元件和测量电路几个部分。光源、光学通路、光敏元件和测量电路几个部分。 光源光学通路测量电路 被测量 被测量 输出量光

3、敏元件 光光电电 图7-1 光电传感器结构图 52021-8-2 光电式传感器常用的光源光电式传感器常用的光源 v1、热辐射光源热辐射光源 定义：物体因具有温度而向外辐射能量的现象称 为热辐射。一切物体，只要其温度高于绝对零度，都 会向空间发出一定波长的光辐射，基于这种原理的光 源称为热辐射光源 。 常见的热辐射光源有白炽灯，卤钨灯等。用钨丝 通电加热作为光辐射源最为普遍，一般白炽灯的辐射 光谱是连续的发光范围：除可见光外、还包含大量红 外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收 到光信号。 62021-8-2 热辐射光源特点热辐射光源特点 v1）发光范围广：除可见光外，还包含大量的红外线

4、和 紫外线，当需要窄光带光谱时可以采用滤色片滤除不 需要的光谱来实现。 v2）发光效率低：发光能量只有15%左右落在可见光区 域，波长范围约为0.43m，峰值波长在近红外区域， 约11.5mm。 v3）热辐射光源输出功率大，但对电源的变化响应速度 慢，因此其调制频率一般低于1kHz，不能用于快速的 正弦和脉冲调制。 v4）由于用钨丝做灯丝，玻璃做泡壳，因而其具有寿命 短、发热大、效率低、动态特性差，使用电压高且易 碎等缺点。 72021-8-2 光电式传感器常用的光源光电式传感器常用的光源 v2 2、气体放电光源、气体放电光源 定义：利用电流通过气体产生发光现象的原理制成的光源 称为气体放电光

5、源。 气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条 件有关。通过改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的 大小等，可以得到所需光谱范围的辐射源。 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的 光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯 的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。 如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂 可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择 可以使气体放电发出某一范围的波长，如：照明日光灯。 气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。 82021-8-2 v3 3、发光二极管、发光二极管 LED

6、LED（Light Emitting DiodeLight Emitting Diode） 定义：定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称 为电致发光，其实质是将电能直接转换成光能，利用 这种现象制成的器件称为电致发光器件。 v 如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。其中 应用较多的是发光二极管，制作发光二极管的材料很 多，材料不同，发出的光的波长不同，从而能够发出 各种不同颜色的光，发光二极管常用的材料与发光波 长见表7-1： 92021-8-2 发光二极管常用的材料与发光波长发光二极管常用的材料与发光波长 102021-8-2 4 4、激光器、激光器 激光是20世纪60年代出现的

7、最重大科技成就之一，具有高方向 性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红 外整个光频波段范围。 激光器种类繁多，按工作物质分类： u 固体激光器（如红宝石激光器） u 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） u 半导体激光器（如砷化镓激光器） u 液体激光器 112021-8-2 所谓光电效应所谓光电效应是指物体吸收了光能后把光能转换为该物是指物体吸收了光能后把光能转换为该物 体中某些电子的能量而产生的电效应。体中某些电子的能量而产生的电效应。 光电效应按原理又分为以下光电效应按原理又分为以下3 3种：种： 1 1、外光电效应外光电效应：在光线照射下，电子逸出物体

8、表面向外：在光线照射下，电子逸出物体表面向外 发射的现象称为外光电效应。其中，向外发射的电子称发射的现象称为外光电效应。其中，向外发射的电子称 为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。 2 2、内光电效应内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生：在光线作用下，物体的导电性能发生 变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。 7.2光电效应光电效应 122021-8-2 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射 的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于 外光电效应的光电器件有光电管、光

9、电倍增管等。 光子是具有能量的粒子，每个光子的能量： E=h h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1） 外光电效应外光电效应 132021-8-2 根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要 使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸 出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于 金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10- 9s。 根据能量守恒定理 式中 m电子质量；v0电子逸出速度。 0 2 0 2 1 Amh 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。 142021-8-2 n 光电子能否产生，取决于光电子的能量

10、是否大于该物体的表面电子 逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个 对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率， 光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光， 光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率， 即使光线微弱，也会有光电子射出。 n 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强 愈大，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。 n 光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光电效应器件 （如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光 电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射

11、光的频率成 正比。 152021-8-2 内光电效应又可分为以下两类：内光电效应又可分为以下两类： v1 1）光电导效应）光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量后引起物质电导 率发生变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的 光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等。 v2 2）光生伏特效应）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势 的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有 光电池等。 162021-8-2 7.3 光敏电阻光敏电阻 v光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料 制成的一类光电器件，其作用原理基于光电导 效应。当无光照时，光敏电阻具有极高的阻值； 当

12、光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，其 电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低，当光 照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。 172021-8-2 1. 1. 光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料制成的 一类光电器件，其作用原理基于光电导效应。当无光照时， 光敏电阻具有极高的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围 的光照射时，其电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低， 当光照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。 7.3 7.3 光敏电阻光敏电阻 182021-8-2 7.3 光敏电阻光敏电阻 v当在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在 带有

13、透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻是 一个纯电阻器件，没有极性，因而使用时既可加直流 电压, 也可以加交流电压。制造光敏电阻的材料一般 由金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成。由于光电 导效应只限于光照的表面薄层，因此光敏材料一般都 做成薄层。同时为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电 极常采用梳状图案，如图7-2 a所示：为了避免外来干 扰，光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求 光谱范围光的透明保护窗（如玻璃），同时为了避免 光敏电阻的灵敏度受潮湿等因素的影响，通常将光敏 材料严密封装在金属壳中。 192021-8-2 ）a 光敏电阻外观） b 光敏电阻符号 电极 光敏 材料 ）c 光敏

14、电阻接线图 图7-2 光敏电阻外观符号及接线图 I G R G R R 光敏电阻外观符号及接线图光敏电阻外观符号及接线图 202021-8-2 2. 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 1）亮电阻：是指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。 2）暗电阻：是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时 的电阻值。 3）最高工作电压：是指光敏电阻器在额定功率下所允许 承受的最高电压。 4）亮电流：是指在有光照射时，光敏电阻器在规定的外 加电压下通过的电流。 7.3 7.3 光敏电阻光敏电阻 212021-8-2 5）暗电流：是指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外 加电压下通过的电流。 6）光电流：在一定外加电

15、压下亮电流与暗电流之差。 7）时间常数：是指光敏电阻器的光电流从光照跃变开始 到稳定亮电流的63%时所需的时间。 8）温度系数：是指光敏电阻器在环境温度改变1时， 其电阻值的相对变化。 9）灵敏度：是指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电 阻值的相对变化。 222021-8-2 3. 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 (1)在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两 端电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图7-3为硫化镉光 敏电阻在不同照度下的伏安特性曲线。 232021-8-2 图 7-3 硫化镉光敏电阻的伏安特性 40 30 20 10 0 I / mA 100 10001 x500 m

16、W 1001 x 功率 200 U / V 101 x 242021-8-2 v1）光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线 为斜率不同的直线，说明其阻值与入射光量有 关，而与电压电流无关。 v2）光敏电阻两端电压不能过高，因为光敏电阻 有最大额定功率（如图7-3中的500mW功率曲线） 限制，当光敏电阻两端的电压和电流超过最大 允许工作电压和最大额定电流时，可能导致光 敏电阻的永久性损坏。 252021-8-2 （2）光照特性 在一定的外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量 之间的关系称为光敏电阻的光照特性。材料不同，光 照特性也不同，绝大多数光敏电阻的光照特性都是非 线性的，这也决定了光敏电

17、阻作为定量检测元件使用 的机会不多，这是光敏电阻的不足之处，一般常用作 自动控制系统中的光电开关。图7-4为硫化镉光敏电阻 的光照特性曲线。 262021-8-2 图7-4 硫化镉光敏电阻的光照特性 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 00.20.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 I / mA / lm 272021-8-2 （3）光谱特性 光敏电阻的相对灵敏度与入射光波长的关系称为光 敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。光敏电阻对不 同波长的入射光有着不同的灵敏度。图7-5为几种不同 材料光敏电阻的光谱特性，可以看出：对应于不同的 入射光波

18、长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同 材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。 282021-8-2 图7-5 光敏电阻的光谱特性 Sr / (%) / A 20 40 60 80 100 01.53 硫化铅 硫化铊 硫化镉 292021-8-2 （4）频率特性 实验证明：光敏电阻的光电流不能随着光强的改变而立 刻变化，称为光电驰豫现象，这是它的缺点之一。不同材 料的光敏电阻具有不同的时间常数（从几十毫秒到几百毫 秒），因而它们的频率特性也各不相同。当光敏电阻在光 照快速变化的场合应用时，要考虑其频率特性的影响。图 7-6为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，纵轴S表示相 对灵敏度，从图中可以看出，

19、硫化铅的使用频率范围相对 较大。光敏电阻的响应时间除了与元件的材料有关，还与 光照的强弱有关，光照越强，响应时间越短。 302021-8-2 图7-6 光敏电阻的频率特性 100 80 60 40 20 0101001 00010 000 硫化镉 硫化铅 S /( %) f / Hz 312021-8-2 （5）温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。当 使用环境温度变化较大时，会影响光敏电阻的光谱响应，同 时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也会随之改变，尤其是响应于 红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图7-7为硫化铅 光敏电阻的光谱温度特性曲线，其峰值响应随着温度的上升 而向波长

20、短的方向移动。故硫化铅光敏电阻要在低温、恒温 的条件下使用，而对于可见光范围的光敏电阻，温度对其影 响相对要小一些。 322021-8-2 图 7-7 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 1.02.03.04.0 0 20 40 60 80 100 2020 / m S / (%) 332021-8-2 光敏电阻器的分类和常用型号光敏电阻器的分类和常用型号 （1 1）按光敏电阻器的制作材料分类）按光敏电阻器的制作材料分类 v光敏电阻按其制作材料不同分为多晶光敏电阻和单晶 光敏电阻，还可细分为硫化镉光敏电阻、硒化镉光敏 电阻、硫化铅光敏电阻、硒化铅光敏电阻、锑化铟光 敏电阻等。 342021-8-2

21、v（2 2）按光谱特性分类）按光谱特性分类 v 光敏电阻按其光谱特性可分为可见光光敏电阻、紫外光光敏电 阻和红外光光敏电阻。 v 可见光光敏电阻器主要对可见光敏感：常见的有硒、硫化镉、 硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主 要用于可见光范围的各种光电控制系统，如光电自动开关门， 光控灯和其他照明系统的自动亮灭控制等，洗手间自动给水和 自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，照 相机的自动测光装置等方面。 v 紫外光光敏电阻器主要对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉 等光敏电阻器，主要用于紫外线的探测。 v 红外光光敏电阻器主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等 光敏

22、电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人 体病变探测等国防、科学研究和工农业生产中。 352021-8-2 常用光敏电阻器的命名规则及型号常用光敏电阻器的命名规则及型号 362021-8-2 常用光敏电阻器的命名规则及型号常用光敏电阻器的命名规则及型号 372021-8-2 光敏电阻器性能检测光敏电阻器性能检测 v首先把万用表拨到R1k档，把光敏电阻的受光面与 入射光线保持垂直，这时在万用表上测得的电阻就是 亮阻。再把光敏电阻置于完全黑暗的场所，此时用万 用表所测出的电阻就是暗阻。如果亮阻为几千欧至几 十千欧，暗阻为几兆欧至几十兆欧，则说明光敏电阻 性能良好。亮阻与暗阻阻值相差越大，

23、则光敏电阻器 灵敏度越高。 382021-8-2 光敏电阻器的应用光敏电阻器的应用 v1.简易光控灯简易光控灯 + R1 100K R2 10K G R 1uF C1 VT1 9014 VT2 9012 S1 LED 3V 图7-8 光控灯电路图 其工作原理为：合上开关S1，当有一 定强度的光照射光敏电阻时，其阻值 迅速减小（约几十千欧），三极管 VT1的基极电压被拉低而处于截止状 态，而此时VT2的基极电压升高，VT2 截止，此时LED熄灭；当光敏电阻所 受光照小于一定值时，其阻值增大 （约几兆欧），此时VT1的基极电压 升高并使其导通，而VT2的基极电压 降低，VT2导通，LED发光。 3

24、92021-8-2 光敏电阻器的应用光敏电阻器的应用 v2.照相机电子快门照相机电子快门 A A _ bb U 2 RP 10K R1 5.1K R2 300 VD1 M 1 RP 10K VT1 GND C1 1uF CdS th U R U 图7-9 照相机电子快门 G R + + 1 2 402021-8-2 光敏电阻器的应用光敏电阻器的应用 v3.光控闪烁安全警示灯光控闪烁安全警示灯 VD1 IN4004 VT MAC9726 VD2 2CTS1A + C 220uF/50V 图7-10 光控闪烁安全警示灯 1 R 150K G R 2 R 1K E 220V 412021-8-2 光

25、敏电阻器的应用光敏电阻器的应用 v4.心脏跳动次数的光心脏跳动次数的光 电传感器测量电传感器测量 ）a ）b 图7-11 基于光敏电阻的心跳测量传感器结构及输出波形图 光敏电阻 发光二极管 引线 422021-8-2 12022K 4.7K 47K 47K 10K 10K 1M1M 3 2 1 + - 5 1 6 7 LM358/1LM358/2 IN4148 IN4148 G R LED 2.2uF 2.2uF 68nF68nF 图7-12 基于光敏电阻的心跳测量传感器电路图 OUT U K 432021-8-2 v 5.煤气炉熄火检测报警装置煤气炉熄火检测报警装置 442021-8-2 光

26、敏电阻特点及使用注意事项光敏电阻特点及使用注意事项 v1.1.光敏电阻优点光敏电阻优点 v1）光谱响应范围宽。根据光电导材料的不同，光谱响 应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其 对红光和红外辐射有较高的响应度。 v2）工作电流大，可达数毫安。 v3）所测光强范围宽，既可测强光也可测弱光。 v4）灵敏度高，光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小则 性能越好，即灵敏度越高。 v5）无极性之分，使用方便。 452021-8-2 光敏电阻特点及使用注意事项光敏电阻特点及使用注意事项 v2.2.光敏电阻缺点光敏电阻缺点 v1）光电驰豫过程较长，频率响应很低。 v2）型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并

27、且由于光照 特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用 作开关式光电信号的传感元件。 462021-8-2 光敏电阻特点及使用注意事项光敏电阻特点及使用注意事项 v3.3.光敏电阻使用注意事项光敏电阻使用注意事项 v1）使用中不要超过最大光电流和最高功率，必要时要 控制入射光的辐射通量以限制光电流，尤其在高温下 使用时更要注意限制光电流大小，防止烧坏器件。 v2）高温环境下尽量选择玻璃和金属封装的光敏电阻。 v3）新光敏电阻的光电性能如果不稳定，可以进行人工 老化处理，使其性能更加稳定。 472021-8-2 7.4光敏晶体管光敏晶体管 v光敏晶体管指的是光敏二极管和光敏三极管，都是电 子

28、电路中常用的光敏器件，文字符号分别为“VD”和 “VT”，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏二 极管和光敏三极管都是很好的光电转换半导体器件， 与前面讲过的光敏电阻相比具有灵敏度高、高频性能 好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。 482021-8-2 7.4.1 光敏晶体管结构和工作原理光敏晶体管结构和工作原理 v1.光敏二极管结构和工作光敏二极管结构和工作 原理原理 入射光 玻璃透镜 管壳 管芯 引脚 光敏面 2 SiO 保护层 铝电极 P型扩 散层PN结N型衬底 图7-14 光敏二极管的外形和结构图 RL E 图7-15 光敏二极管的符号和接线图 a)b) L R E 492021-8

29、-2 v2.2.光敏三极管的结构和工作原理光敏三极管的结构和工作原理 e c b b ec 光 图7-16 光敏三极管的结构和等效电路图 ）a 光敏三极管结构图 b)光敏三极管等效 电路图 e c b E L R c c b b e e 图7-17 光敏三极管的符号和接线图 c)常用光敏三极 管接线图 b)PNP型光敏 三极管符号 ）a NPN型光敏三 极管符号 502021-8-2 7.4.2 光敏晶体管参数和特性光敏晶体管参数和特性 v1.1.光敏二极管主要参数光敏二极管主要参数 v 1）最高反向工作电压VRM：是指光敏二极管在无光照的条件下， 反向漏电流不大于0.1A时所能承受的最高反向

30、电压值。 v 2）暗电流ID：是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条 件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测 弱光的能力越强。 v 3）光电流IL：是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向 工作电压下产生的电流。其测量的一般条件是：2856K色温的钨 丝光源，照度为1000 1x。 512021-8-2 v 4）光电灵敏度：是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数， 用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示，单位为 A/W。 v 5）响应时间：是指光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的 时间。响应时间越短，说明光敏二极管频率特性越好。 v 6）正向压降VF：是指光敏二极

31、管中通过一定大小正向电流时， 其两端产生的压降。 v 7）结电容Cj：指光敏二极管PN结的电容。结电容是影响光电响 应速度的主要因素。结面积越小，结电容也就越小，工作频率 也越高。 522021-8-2 v2.2.光敏三极管主要参数光敏三极管主要参数 v 1）最高工作电压Umax：最高工作电压是指在无光照状态下， e、c极间漏电流不超过规定值（约0.5）时，光敏三极管所允许 施加的最高工作电压，一般在10V-50V之间。 v 2）暗电流：在无光照的情况下，集电极与发射极间的电压 为规定值时，流过集电极的反向漏电流称为光敏三极管的暗电 流，通常小于1。 v 3）光电流：在规定光照下，当施加规定的

32、工作电压时，流 过光敏三极管的电流称为光电流，光电流越大，说明光敏三极 管的灵敏度越高，通常能达到几个mA。 v 4）最大允许功耗：指光敏三极管在不损坏的前提下所能承 受的最大功耗。 532021-8-2 v5）集电极-发射极击穿电压VCE：在无光照下，集电极 电流IC为规定值时，集电极与发射极之间的电压降称 为集电极-发射极击穿电压。 v6）峰值波长p：当光敏三极管的光谱响应为最大时 对应的波长称为峰值波长。 v7）光电灵敏度：在给定波长的入射光输入单位光功率 时，光敏三极管管芯单位面积输出光电流的强度称为 光电灵敏度。 v8）响应时间：响应时间指光敏三极管对入射光信号的 反应速度，一般为S

33、。 542021-8-2 v3.3.光敏晶体管的特性光敏晶体管的特性 （1 1）光谱特性）光谱特性 光敏晶体管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光光敏晶体管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光 电流（或用相对灵敏度电流（或用相对灵敏度S S表示）与入射光波长的关系。表示）与入射光波长的关系。 硅和锗光敏二（三）极管的光谱特性曲线如图硅和锗光敏二（三）极管的光谱特性曲线如图7-187-18所所 示。示。 552021-8-2 100 80 60 40 20 0 500100015002000 入射光 锗 硅 / nm S / (%) 硅 锗 入射光 图7-18（） 光敏二极 三级 管的光谱特性

34、562021-8-2 v （2）伏安特性 图7-19 a为硅光敏二极管的伏安特性曲线，横坐标表示所加的 反向偏压。当有光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大， 在不同的照度下，其伏安特性曲线几乎平行，所以只要没达到 饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。图7-19 b为硅 光敏三级管的伏安特性曲线，纵坐标为光电流，横坐标为集电 极-发射极电压。 从图7-19可见，由于晶体管的放大作用，在 同样照度下，其光电流比相应的二极管大上百倍。 572021-8-2 0.08 0.06 0.04 0.02 I / mA 1200 1x 1000 1x 800 1x 600 1x 400 1x 200

35、 1x 0 10 20 30 40 50 8 6 4 2 0 1020304050 500 1x 400 1x 300 1x 200 1x 100 1x I / mA 反 向电压/ V集电极 发 射极电压/ V (a)(b) 集电极-发射极电压/V b)硅光敏三极管 反向电压/V a)硅光敏二极管 图7-19 硅光敏管的伏安特性 582021-8-2 v （3）频率特性 v 光敏晶体管的频率特性是指光敏晶体管输出的光电流（或相对 灵敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体 光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10s。 光敏三级管的频率特性主要受负载电阻的影响，响应速度

36、比光 敏二极管低一个数量级，图7-20为硅光敏三级管的频率特性， 通过减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压大小同 时也变小。 592021-8-2 图7-20 光敏晶体管的频率特性 100 80 60 40 20 0 110100 100 k 10 k RL1 k S / (%) f / kHz 602021-8-2 （4）温度特性 温度特性是指光敏晶体管的暗电流及光电流与温度的关 系。温度变化不仅影响光敏晶体管的灵敏度，同时对其光 谱特性也有影响，光敏晶体管温度特性曲线如图7-21所示： 从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响较小(图b)， 而对暗电流影响很大(图a)。 61202

37、1-8-2 10 0 25 50 20 30 40 50 60 7010 20 30 40 50 60 70 80 100 200 300 400 ? ? / ? ? ? ? / mA ? ? ? / A ? ? / ? (a)(b) 暗电流/mA 光电流/uA C温度/C温度/ ）a 温度与暗电流关系曲线）b 温度与光电流关系曲线 图7-21 光敏晶体管的温度特性 622021-8-2 7.4.3 常用光敏晶体管型号和参数常用光敏晶体管型号和参数 632021-8-2 642021-8-2 652021-8-2 7.4.4 光敏晶体管好坏及引脚判断方法光敏晶体管好坏及引脚判断方法 v1.1.

38、光敏二极管和光敏三极管的区分光敏二极管和光敏三极管的区分 v光敏二极管和大部分光敏三极管外壳形状基本相同， 颜色为黑色，判别管子类型时可以用黑布遮住感光窗 口，选择指针式万用表“R1k”档测量两管脚引线间 的正反向电阻，均为无穷大的是光敏三极管，一大一 小的是光敏二极管。 662021-8-2 v 2.2.管脚极性及性能检测管脚极性及性能检测 v （1）光敏二极管检测方法 v 1) 从外观上识别：光敏二极管外观颜色为黑色，管脚较长的是 正极，较短的是负极，另外，在光敏二极管的管体顶端有一个 小斜切平面，通常带有此斜切平面的一端为负极。 v 2) 电阻测量法：选择指针式万用表“R1k”档测量光敏

39、二极 管正反向电阻，正常时阻值一大一小，以阻值较小一次为准， 红表笔所接管脚为负极，黑表笔为正极。 672021-8-2 v3) 数字万用表测量法：用数字万用表检测红外线接收 管是很方便的。将挡位开关置于“二极管挡”，黑表 笔接负极、红表笔接正极时的压降值应为0.450.65V， 对调表笔后，屏幕显示的数字应为溢出符号“OL”或 “1”。 682021-8-2 v （2）光敏三极管检测方法 v 1）光敏三极管管脚较长的是发射极，较短的是集电极。或者用 红黑表笔测量光敏三极管的两根引脚，然后把红黑表笔对调继 续测量，两次测量中阻值较小的那次，黑表笔接的是光敏三极 管的“C”极，红表笔接的是“E”

40、极。 v 2）电阻测量法 v 用万用表“R1K”档，红表笔接光敏三极管的发射极，黑表笔 接集电极。无光照时，指针微动并接近；有光照时，应随光 照的增强，其电阻变小，可达1k以下。若黑表笔接光敏三极 管的发射极，红表笔接集电极，无光照时，电阻为；有光照 时，电阻为或指针微动。 692021-8-2 v3）数字万用表法 v将数字万用表档位开关置于“R20K”挡（或电阻自 动挡），红表笔接集电极，黑表笔接发射极，有光照 时，屏幕显示的压降值应在10 k以下；无光照时， 屏幕显示的数字应为溢出符号“OL”或“1”。 702021-8-2 7.4.5 光敏晶体管的应用光敏晶体管的应用 v 1.光敏二极管

41、的应用光敏二极管的应用 （1）光敏二极管反偏压状态（光导模式）光敏二极管反偏压状态（光导模式） 烟雾收集 容器 LED 光敏二极管 烟雾颗粒 图 7-22 烟雾检测器原理及电路图 比较器 报警器 基准电压 光敏二极管 EE 712021-8-2 v （2）光敏二极管零偏压状态（光伏模式） 图7-24 有三个灵敏度的光照度表电路 1M 10M 100M Rf Uo P I 图7-24 有三个灵敏度的光照度表电路 1M 10M 100M Rf Uo P I 722021-8-2 v 2.光敏三级管的应用光敏三级管的应用 图 7 -2 5 光 敏 三 极 管 基 本 应 用 电 路 + E U o

42、U o a ) 有 光 照 输 出 高 电 平 电 路 b ) 有 光 照 输 出 低 电 平 电 路 + E L R L R 图7-25 光敏三极管基本应用电路 +E Uo Uo a)有光照输出高 电平电路 b)有光照输出低 电平电路 +E L R L R 732021-8-2 742021-8-2 7.4.6 光敏晶体管的特点及应用注意事项光敏晶体管的特点及应用注意事项 v 光敏二极管的光电流小，输出特性线性度好，响应时间快；可 与可见光、远红外光光源配合使用。 v 光敏三极管的光电流大，输出特性线性度较差，响应时间慢。 一般要求灵敏度高，工作频率低的开关电路，选用光敏三极管， 而要求光电

43、流与照度成线性关系或要求在高频率下工作时，应 采用光敏二极管。 v 无论光敏二极管或光敏三极管，它们不仅对红外线敏感，对较 强的日光和灯光也有作用，当光照过强时会使放大电路输出饱 和而失控，应加红色有机玻璃滤光，以减少环境光所造成的影 响。同时光敏晶体管的工作条件不要超过规定的最大极限参数， 使用中要控制光照强度，以使通过光敏晶体管的光电流不超过 最大限额。此外由于光敏晶体管的灵敏度与入射光的方向有关， 应尽量保持光源和光敏晶体管的位置不变。 752021-8-2 7.5 光电耦合器光电耦合器 光电耦合器OC (optical coupler)，亦称光电隔 离器，简称光耦，它是把发光器件和光敏

44、器件同时封装 在一个外壳内，以光为媒介把输入端的电信号耦合到输 出端的一种器件。 光电耦合器大致分为两类：一类是光隔离器，它是 把发光器件和光敏器件对置在一起构成的，能够完成电 信号的耦合、放大和传递。 762021-8-2 + + - - + + + + + + - - - - - - - - + + C C C C E E E E A A K K ）a 光敏二极管型光耦 ）c 达林顿管型光耦 ）d 晶闸管输出型光耦）b 光敏三极管型光耦 图7-28 常见的几种光耦类型 光隔离器的结构原理如图7-28所示。当输入电信号加 到输入端发光器件上时，发光器件在电信号的作用下发光， 光敏器件接收到该

45、光信号并转换成电信号，然后将电信号 直接输出（如图a），或者将电信号放大处理成标准数字电 平输出（如图中b、c、d），这样就实现了“电光电的 转换及传输，因为光是整个电路传输的媒介，因而输入端 与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离。 772021-8-2 v另一类是光传感器，有 反光式和遮光式两种， 图7-29所示的光电耦合 器即属于此类。用光传 感器可以测量物体的有 无、个数和距离等物理 量。 a)窄缝透射式 b)反射式 图7-29 光传感器结构图 782021-8-2 7.5.2 光电耦合器主要参数光电耦合器主要参数 v 1）正向压降VF：二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之 间所产

46、生的电压降。 v 2）正向电流IF：在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流 过的电流。 v 3）反向电流IR：在被测管两端加规定反向工作电压VR时，二极 管中流过的电流。 v 4）反向击穿电压VBR：被测管通过的反向电流IR为规定值时， 在两极间所产生的电压降。 v 5）结电容CJ：在规定偏压下，被测管两端的电容值。 v 6）反向击穿电压V(BR)CEO：发光二极管开路，集电极电流IC为 规定值时集电极与发射极间的电压降。 792021-8-2 v 7）输出饱和压降VCE(sat)：发光二极管工作电流IF和集电极电 流IC为规定值时，并保持IC/IFCTRmin时（CTRmin在被测管技 术

47、条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。 v 8）反向截止电流ICEO：发光二极管开路，集电极至发射极间的 电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。 v 9）电流传输比CTR：输出管的工作电压为规定值时，输出电流 和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。 v 10）脉冲上升时间tr、下降时间tf：光电耦合器在规定工作条 件下，发光二极管输入规定电流IF大小的脉冲波，输出端管则 输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%所需时间 为脉冲上升时间tr，从输出脉冲后沿幅度的90%到10%所需时间 为脉冲下降时间tf。 802021-8-2 v 11）传输延迟时间tPHL、tPL

48、H：光耦合器在规定工作条件下， 发光二极管输入规定电流IF的脉冲波，输出端则输出相应的脉 冲波，从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到 1.5V 时所需时间为传输延迟时间tPHL。从输入脉冲后沿幅度的50%到 输出脉冲电平上升到 1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。 v 12）入出间隔离电容CIO：光耦合器件输入端和输出端之间的电 容值。 v 13）入出间隔离电阻RIO：光耦合器输入端和输出端之间的绝缘 电阻值。 v 14）入出间隔离电压VIO：光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐 压值。 812021-8-2 7.5.3 常用光电耦合器型号及参数常用光电耦合器型号及参数 82202

49、1-8-2 832021-8-2 7.5.4光电耦合器好坏及性能检测光电耦合器好坏及性能检测 v 1.1.指针式万用表法指针式万用表法 v 利用指针式万用表R100或R1K档测量发光二极管的正反向电 阻，通常正向电阻为几百欧姆，反向电阻为几千欧姆或几十千 欧姆，如果测量的正反向电阻阻值非常接近，则表明发光二极 管性能欠佳或者已损坏。检查时要注意不要用R10K电阻档测 量，因为此时万用表电池电压为9V15V，远远高于发光二极管 1.5V2.3V 的工作电压，从而导致发光二极管被击穿。然后分 别测量接收光敏三极管的集电极和发射极的正反向电阻，其阻 值均应是无穷大，否则说明光敏三极管已经损坏。再用R

50、10K 档检查发射管与接收管之间的绝缘电阻，应为无穷大。 842021-8-2 7.5.4光电耦合器好坏及性能检测光电耦合器好坏及性能检测 v .数字万用表检测法数字万用表检测法 ecb+ - 数字万用表 + - 指针式万用表 PC111 1 24 5 图7-30 光耦的数字万用表检测法 hFE插口 NPN档 R1K档 852021-8-2 7.5.4光电耦合器好坏及性能检测光电耦合器好坏及性能检测 v .光电效应判断法光电效应判断法 + - 指针式万用表 PC111 1 2 4 5 R 1K档 1.5V 图7-31 光耦的光电效应检测法 100 862021-8-2 7.5.5 光电耦合器件

51、的应用光电耦合器件的应用 v 1.1.在逻辑电路上的应用在逻辑电路上的应用 A A B B 300 300 4 4N N2 25 5 4 4N N2 25 5 + +E E L L 10K 1K V V 3 3D DG G6 6 图7-32 光耦实现的与门电路 光电耦合器可以构成各种逻辑 电路，由于光电耦合器的抗干扰 性能和隔离性能比晶体管好，因 此，由它构成的逻辑电路更为可 靠。图7-32电路为“与门”逻辑 电路，其逻辑表达式为L=AB，图 中两只光敏三级管串联，只有当 输入逻辑电平A=1、B=1时，输出 L=1，同理，还可以组成“或 门”、“与非门”、“或非门” 等逻辑电路。 872021

52、-8-2 7.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用 v 2.作为固体开关应用作为固体开关应用 882021-8-2 7.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用 v 3起隔离作用起隔离作用 892021-8-2 7.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用 v 使用光耦隔离需注意以下几个问题： 1）光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问 题。 2）光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题。 3）如果输出有功率要求的话，还要考虑光耦的功率接口设计 问题。 4）在光耦的输入输出部分必须分别采用独立的电源，若两端 公用一个电源，则光耦的隔离作用将失去意义。 5）当用

53、光耦来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号进行 全部隔离，使得被隔离的两端没有任何电气上的联系，否则这 种隔离没有意义。 902021-8-2 7.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用 v 4.4.在脉冲放大电路中的应用在脉冲放大电路中的应用 光电耦合器应用于数字电光电耦合器应用于数字电 路，可以将脉冲信号进行放路，可以将脉冲信号进行放 大。如图大。如图7-357-35所示为光耦组所示为光耦组 成的电压反馈脉冲放大器的成的电压反馈脉冲放大器的 原理图，其输出脉冲与输入原理图，其输出脉冲与输入 脉冲同频率，脉冲幅值放大脉冲同频率，脉冲幅值放大 倍数取决于倍数取决于R2R2和和R1R1的比

54、值和的比值和 电源电压。电源电压。 912021-8-2 7.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用 v 5.5.电平转换电平转换 各种集成电路所用的电源电压是各种集成电路所用的电源电压是 不同的，如在一个系统中用二种不同的，如在一个系统中用二种 材料的集成电路芯片，一起使用材料的集成电路芯片，一起使用 时需要进行电平的转换。另外各时需要进行电平的转换。另外各 种传感器的电源电压有时也难于种传感器的电源电压有时也难于 与集成电路相同，故也需要进行与集成电路相同，故也需要进行 电平转换。图电平转换。图7-367-36是是CMOSCMOS电路电电路电 平转到平转到TTLTTL电路电平的电路图

55、。电路电平的电路图。 该电路中输入的是该电路中输入的是20V20V到到0V0V的的 脉冲，输出的是脉冲，输出的是0V0V到到5V5V的脉冲，的脉冲， 前后电路完全隔离的，实现了不前后电路完全隔离的，实现了不 同电平标准之间的转换。同电平标准之间的转换。 922021-8-2 7.6 光电池光电池 v光电池是一种用途很广的光敏器件，其优点是体积小、 重量轻、寿命长、性能稳定、光照灵敏度较高、光谱 响应频带较宽且本身不耗能，是小型化、微功耗仪器 中常用的换能器件。当光电池受到光照时不需要外加 其它形式的能量即可产生电流输出，电流大小反应了 光照强度大小。 932021-8-2 7.6.1 光电池原

56、理与结构光电池原理与结构 v1.1.光电池原理光电池原理 光 ） a 光电池的结构图 RL ）b 光电池的工作原理示意图 SiO2 光 I 图7-37 光电池的结构和工作原理示意图 942021-8-2 v2.2.光电池结构光电池结构 v光电池实质是一个大面积的光电池实质是一个大面积的PNPN结，其结构如图结，其结构如图7-37a7-37a所所 示，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射示，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射 膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。 当光照射当光照射PNPN结的一个面时，由此产生的电子空穴对迅

57、结的一个面时，由此产生的电子空穴对迅 速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的 电动势，一般可产生电动势，一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压，约电压，约50mA50mA左右大左右大 小电流。小电流。 952021-8-2 v 3.光电池电路符号与外观光电池电路符号与外观 图7-39 常见光电池的外观 I U I d I I U L R a)光电池符号b)基本工作电路c)光电池等效电路 图7-38 光电池符号和基本工作电路 962021-8-2 7.6.2 光电池特性及参数光电池特性及参数 v 1.1.光谱特性光谱特性 v 图图7-

58、407-40可见，硒光电池在可可见，硒光电池在可 见光谱范围内有较高的灵敏见光谱范围内有较高的灵敏 度，峰值波长在度，峰值波长在540nm540nm附近，附近， 在人眼的视觉范围内，因此在人眼的视觉范围内，因此 适宜测量可见光。硅光电池适宜测量可见光。硅光电池 应用的光谱范围是应用的光谱范围是400nm400nm 1100nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm850nm附附 近，其光谱应用范围比硒光近，其光谱应用范围比硒光 电池的更宽。电池的更宽。 硒 硅 相 对 灵 敏 度 I/% / nm入射光波长 图7-40 光电池的光谱特性 972021-8-2 v 2.光照特性光照特性

59、982021-8-2 992021-8-2 v3.3.频率特性频率特性 v 光电池的频率特性是指其输 出电流随调制光频率变化的 关系。由于光电池PN结面积 较大，极间电容大，故频率 特性较差。 v 从光电池的频率响应曲线 （图7-43）可知，硅光电池 频率响应较好而硒光电池较 差。 1002021-8-2 v 4.4.温度特性温度特性 v 光电池的温度特性是指其开光电池的温度特性是指其开 路电压和短路电流随温度变路电压和短路电流随温度变 化的关系。由图化的关系。由图7-447-44可见，可见， 开路电压与短路电流均随温开路电压与短路电流均随温 度的变化而变化，它将关系度的变化而变化，它将关系

60、到应用光电池的仪器设备的到应用光电池的仪器设备的 温度漂移，影响到测量或控温度漂移，影响到测量或控 制精度等主要指标。制精度等主要指标。 1012021-8-2 7.6.3部分常用光电池的型号参数部分常用光电池的型号参数 1022021-8-2 7.6.4 光电池的应用光电池的应用 v 1.1.太阳能电池电源太阳能电池电源 1032021-8-2 v 2 2光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池在光电检测和自动控制方面的应用 （1 1）光探测器）光探测器 1042021-8-2 v （2）光电池作为控制元件的应用 1052021-8-2 1062021-8-2 光纤光纤光导纤维，是由光导纤