常用传感器3光电

1、学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，掌握光电开关及光电断续器的使用方法。感器的各种应用，掌握光电开关及光电断续器的使用方法。2 2、3 3 光电传感器光电传感器目录目录41.1传感器概述12351.2压电传感器1.3光电传感器1.4电涡流传感器1.5微波传感器671.6超声波传感器1.7图像传感器 1905年德国物理学家爱因斯坦年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得并为此而获得1921年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖。奖。 可见光波长（可见光波长（4

2、 4* *10-7m-710-7m-7* *10-7m10-7m） 光色光色- - 波长波长（nm)- nm)- 代表波代表波红外线红外线红（红（RedRed）- 780- 780630 - 700 630 - 700 橙（橙（OrangeOrange）- 630- 630600 - 620 600 - 620 黄（黄（YellowYellow）- 600- 600570 - 580 570 - 580 绿（绿（GreenGreen） - 570- 570500 - 550 500 - 550 青（青（CyanCyan） - 500- 500470 - 500 470 - 500 蓝（蓝（Bl

3、ueBlue） - 470- 470420 - 470 420 - 470 紫（紫（VioletViolet） - 420- 420380 - 420 380 - 420 紫外线紫外线 频率频率波长波长= =光速光速 可见光通常指波长范围为可见光通常指波长范围为:390nm - 780nm :390nm - 780nm 的电磁波。的电磁波。人眼可见范围为人眼可见范围为:312nm - 1050nm:312nm - 1050nm 光照强度光照强度: :是物体被照明的程度是物体被照明的程度, ,以单位面积上所接受可以单位面积上所接受可见光的能量来量度。简称照度，单位勒克斯（见光的能量来量度。简称照

4、度，单位勒克斯（LuxLux或或LxLx）。）。被光均匀照射的物体，在被光均匀照射的物体，在1 1平方米面积上所得的光通量是平方米面积上所得的光通量是1 1流明时，它的照度是流明时，它的照度是1 1勒克斯。勒克斯。 流明是光通量的单位。流明是光通量的单位。发光强度为发光强度为1 1烛光的点光源，在单烛光的点光源，在单位立体角（位立体角（1 1球面度）内发出的光通量为球面度）内发出的光通量为“1 1流明流明”。 光源射出光线的亮度为发光强度（光源射出光线的亮度为发光强度（Luminous intensitLuminous intensity y），即光源所具有的光能大小，单位是烛光（），即光源所

5、具有的光能大小，单位是烛光（CandelCandela a），音译），音译“坎德拉坎德拉”。 220V220V白炽灯泡瓦数与流明的换算白炽灯泡瓦数与流明的换算 10 W 10 W 65 lm 65 lm 15 W 15 W 101 lm 101 lm 25 W 25 W 198 lm 198 lm 40 W 40 W 340 lm 340 lm 60 W 60 W 540 lm 540 lm 100 W 100 W 1050 lm 1050 lm 150 W 150 W 1845 lm 1845 lm 200 W 200 W 2660 lm 2660 lm 300 W 300 W 4350 l

6、m 4350 lm 500 W 500 W 7700 lm 7700 lm 1000 W 1000 W 17000 lm 17000 lm 日光灯管的换算日光灯管的换算 15 W 15 W 490 lm 490 lm 560 lm 560 lm 20 W 20 W 700 lm 700 lm 800 lm 800 lm 30 W 30 W 1160 lm 1160 lm 1400 lm 1400 lm 40 W 40 W 1700 lm 1700 lm 1920 lm 1920 lm 外光电效应外光电效应： 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。 如如

7、光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管内光电效应内光电效应： 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，在光线作用下能使物体电阻率改变的现象， 如如光敏电阻光敏电阻等属于这类光电器件。等属于这类光电器件。阻挡层光电效应阻挡层光电效应( (光生伏特效应光生伏特效应) )： 在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如如光电池、光敏晶体管光电池、光敏晶体管等等 一、光电效应及光电元件一、光电效应及光电元件 用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为能量为hf 的光子的轰击，组成这物体的材料吸收的光子的轰击，

8、组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。应。 外光电效应：在光线的作用下能外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光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电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。像管等。 紫外管外形 当入射紫外当入射紫外线照射在紫外管线照射在紫外管阴极板上时，电阴极板上时，电子克服金属表面子克服金属表面对它的束缚而逸对它的束缚而逸出金属表面，形出金属表面，形成电子发射。紫成电子发射。紫外管多用于紫外外

9、管多用于紫外线测量、火焰监线测量、火焰监测等。测等。 紫外线紫外线光敏电阻 当光敏电阻受到当光敏电阻受到光照时，光照时， 阻值减小。阻值减小。光敏电阻演示 当光敏当光敏电阻受到光电阻受到光照时，照时，光生光生电子电子空穴空穴对增加，对增加，阻阻值减小，电值减小，电流增大。流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）光敏二极管 将光敏二极管的将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳结设置在透明管壳顶部的正下方，光照顶部的正下方，光照射到光敏二极管的射到光敏二极管的PN结时，电子结时，电子-空穴对数空穴对数量增加，光电流与照量增加，光电流与照度成正比。度成正比。 光敏二极管外形 光敏二极管阵列光敏二极

10、管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件元件的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。于分光镜。红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管PIN光电二极管 PIN光电二极管是在光电二极管是在P区和区和N区之间插入一层电阻率很大的区之间插入一层电阻率很大的I层，层，从而减小了从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。结的电容，提高了工作频率。PIN光敏二极管的工作光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种比

11、普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关频带小信号开关、中波频带中波频带到到1000MHZ之间电流控制、可变之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和高频功率开关切换和RF领域的高领域的高速开关等。特殊结构的速开关等。特殊结构的PIN二极二极 管还可用于测量紫外线或射线等管还可用于测量紫外线或射线等。APD光敏二极管（雪崩光敏二极管） 硅雪崩光电二极管是采用硅雪崩光电二极管是采用n+p

12、-p+型结构的可见型结构的可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。传输和光电对抗系统。GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数 参数参数单位单位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直径光敏面直径mm0.20.50.8工作电压工作电压V100150100150150250暗电流暗电流nA152535响应度响应度V/w606060上升

13、时间上升时间ns134噪声等效功率噪声等效功率 Pw/Hz1/20.050.070.09结电容结电容pF11.52使用温度范围使用温度范围 -20+40-20+40-20+40封装形式封装形式 TO型型 光纤型光纤型TO型型TO型型光敏二极管的反向偏置接法 在没有光照时，由在没有光照时，由于二极管反向偏置，于二极管反向偏置，所以反向电流很小，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电这时的电流称为暗电流，相当于普通二极流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的当光照射在二极管的P PN N结（又称耗尽层）上结（又称耗尽层）上时，在时，在PNPN结附近产生结附近产生的

14、电子的电子- -空穴对数量也空穴对数量也随之增加，光电流也随之增加，光电流也相应增大，光电流与相应增大，光电流与照度成正比。照度成正比。 光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示 在没有光照时，由于二在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。（暗电流）很小。 当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比关系。比关系。 光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照光敏三极管 光敏三极管有两光敏三极管有两个个PN结结。与普通。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管

15、高。多数光敏三极管的基极没敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，有引出线，只有正负（只有正负（c、e）两个引脚，两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。上很难区别。 光敏三极管外形 光敏三极管内部结构 a) 内部组成内部组成 b)管芯结构管芯结构 c）结构简化图结构简化图 1集电极引脚集电极引脚 2管芯管芯 3外壳外壳 4玻璃聚光镜玻璃聚光镜 5发射极引脚发射极引脚 6N+ 衬底衬底 7N型集电区型集电区 8SiO2保护圈保护圈 9集电结集电结 10P型基区型基区 11N型发射区型发射区 12发射结发射结 硅光敏晶体管的光谱特性 电磁波频

16、谱电磁波频谱光电特性 0光照光照 光光电电流流光敏光敏 三极管三极管光敏光敏 二极管二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低请判断灵敏度的高低0.3mA请计算当请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流I IE光敏晶闸管 光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极、阴极k和门极和门极g 。它。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。 当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的当有一定照度的光信

17、号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。为导通状态。 导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。或使负载电流小于其维持电流。 光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动工作电压有的可达数百伏，

18、因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。检测控制。光敏晶闸管外形光敏面光敏面基于光生伏特效应的光电元件 光电池 在在N型衬底上制造一薄层型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子型区每吸收一个光子就产生一对光生电子空穴对，空穴对， 光生光生 电子电子空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到被拉到N型区，空穴留在型区，空穴留在P区，所以区，所以N区带负电，区带负电，P区带区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时

19、间，正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。就有一个稳定的光生电动势输出。 光电池外形光敏面光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能 硅光电池板硅光电池板光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电太阳能发电光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性一个典型的硅光电池的光电特性 1 1开路电压曲线开路电压曲线 2 2短路电流曲线短路电流曲线 开路电压为开路电压为 对数特性对数特性短路电流为短路电流为 线性特性线性特性光电式传感器的应用光电式传感器的应用 模拟式传感器 脉冲式传感器1 模拟式光电传感器 基于光电器件的光电流随光通量而