《光电传感器原理》ppt课件

1、 CH8 光电式传感器光电式传感器光电器件12红外传感器34光电传感器应用举例光电开关及光电断续器概述概述非电量电量非电量光电器件非接触、响应快、可靠 8.1 光电器件光电器件光电器件：将光能光能转换为电能电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件特点：响应快、结构简单、 使用方便有较高的可靠性因此在自动检测、计算机和控制系统中, 应用非常广泛。 v光电器件工作的物理基础是光电效应。 光电效应类型光电效应类型机理机理(光线作用下光线作用下)实例实例备注备注内光电效应物体的电导性能改变光敏电阻外光电效应电子逸出物体表面光电管、光电倍增管光生伏特效应 物体产生一定方向的电动

2、势光电池、 光敏晶体管一、一、 光敏电阻光敏电阻 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（光导管）, 它几乎都是用半导体材料半导体材料制成光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大很大, 电路中电流-暗电流）暗电流）很小很小。 当光敏电阻受到一定波长范围一定波长范围的光照时, 它的阻值-亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）一般希望暗电阻越大越好暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好亮电阻越小

3、越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。 光敏电阻是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。2、 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数（） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。 （） 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流。 （） 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。3、 光敏电阻的基

4、本特性光敏电阻的基本特性（1） 伏安特性：在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。由图可见, 光敏电阻在一定的电压范围内, 其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关, 而与电压、电流无关。（2） 光谱特性：光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性, 亦称为光谱响应。 对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏度是不同的。硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域, 常被用作光度量测量（照度计）的探头硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头（3） 温度特性：温度变化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都

5、要改变, 尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。 对于可见光的光敏电阻, 其温度影响要小一些 结构原理结构原理光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃外壳中, 其PN结装在管的顶部, 可以直接受到光照射。 二、二、 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管将光敏二极管的将光敏二极管的PN 结设结设置在透明管壳顶部的正下置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管方，光照射到光敏二极管的的PN结时，电子结时，电子-空穴对空穴对数量增加，光电流与照度数量增加，光电流与照度成正比。成正比。

6、 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态：1）、在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流。 2）、当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。3）、光的照度越大, 光电流越大。 因此光敏二极管在不受光照射时, 处于截止状态, 受光照射时, 处于导通状态。 光敏二极管的反向偏置接线 在没有光照时，由于在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。（暗电流）很小。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+光照光照光敏晶体管与一

7、般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它的发射极一边做得很大, 以扩大光的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线, 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时, 集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加, 因此集电极电流是光生电流的倍, 所以光敏晶体管有放大作用。 光敏三极管v 材料：光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅v 在形态上, 有单体型和集合型集合型是在一块基片上有两个以上光敏二极管, 比如在后面讲到的CCD图像传感器中的光电耦合器件, 就是由光敏晶体管和其它发光元件组合而成的。光

8、敏二极管外形 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。（） 光谱特性：光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图8 - 8所示。从曲线可以看出, 硅的峰值波长约为0.9m, 锗的峰值波长约为1.5m, 此时灵敏度最大, 而当入射光的波长增加或缩短时, 相对灵敏度也下降。一般来讲, 锗管的暗电流较大, 因此性能较差, 故在可见光或探测赤热状态物体时, 一般都用硅管。 但对红外光进行探测时, 锗管较为适宜。 2、 基本特性基本特性（） 伏安特性：图中可见, 光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。 （3） 温度特性：光敏晶体管

9、的温度特性是指其暗电流及光电流与温度的关系。 从特性曲线可以看出, 温度变化对光电流影响很小, 而对暗电流影响很大, 所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿, 否则将会导致输出误差。表8-2列出几种硅光电二极管的特性参数。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区之间区之间插入一层电阻率很大插入一层电阻率很大的的I层层，从而，从而减小了减小了PN结的电容结的电容，提高了工作频率提高了工作频率。PIN光敏二极管的光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高工作电压（反向偏置电压）高，光电光电转换效率高转换效率高，暗电流小暗电流小，其，其灵敏度比普通的光敏二极管灵敏度比普通的光敏

10、二极管高得多高得多，响应频率可达数十兆赫响应频率可达数十兆赫应用：各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器应用：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）、的接收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关频带小信号开关、中波频中波频带带到到1000MHZ之间电流控制、可变衰减器、各种通信之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开领域的高速开关等。关等。特殊结构的特殊结构的PIN二极管二极管还可用于测量还可用于测量紫外线紫外线或或射射线线等。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

11、光电二极管是采用n+p-p+型结构的可见光和近型结构的可见光和近红外探测器红外探测器它具有它具有高响应度高响应度，高信噪比高信噪比，高响应速度高响应速度等特点，等特点，可广泛应用于可广泛应用于微光信号检测微光信号检测、长距离光纤通信、激光、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。测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。但所需供电电压高半导体探测器种类半导体探测器种类 光电三极管光电三极管PNPINAPD线性线性非线性非线性线性响应度响应度低低较高较高高最高最高频率响应频率响应(带宽带宽)kHzGHzGHz所需电压所需电压0V5V5V数十数十100光电池是一种直接将光

12、能转换为电能直接将光能转换为电能的光电器件。 光电池在有光线作用下实质就是电源电源, 电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应光生伏特效应”。 它实质上是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面, 例如p型面时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向内迅速扩散, 在结电场的作用下, 最后建立一个与光照强度有关的电动势。 三、三、 光电池光电池光电池的基本特性有以下几种：（） 光谱特性：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。从图中可知, 不同材料的光电池, 光谱响应峰值所对应的入射光波

13、长是不同的, 硅光电池在0.8m附近, 硒光电池在0.5 m附近。 硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2 m, 而硒光电池的范围只能为0.380.75 m。 可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 （） 光照特性：光电池在不同光照度下, 光电流和光生电动势是不同的, 它们之间的关系就是光照特性。 从图中看出, 短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系 开路电压(负截电阻RL无限大时)与光照度的关系是非线性的并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此光把电池作为测量元件时, 应把它当作电流源当作电流源的形式来使用, 不能用作电压源。 短路电流短路电流硅光电池的开路电压和短路电流与光照

14、的关系曲线。 (3) 温度特性：光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移, 影响到测量精度或控制精度等重要指标, 因此温度特性是光电池的重要特性之一。从图中看出, 开路电压随温度升高而下降的速度较快, 而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响, 因此把它作为测量器件应用时, 最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。 表 8 - 3 为国产硅光电池的特性参数。 由表可见, 硅光电池的最大开路电压为600mV, 在照度相等的情况下, 光敏面积越大，输出的光电流也越大。光电池外形光敏面光敏面能提供较大电流的大

15、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）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v红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。 它已在科技、 国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。 v红外传感器按其应用可分为以下几方面: 红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量; 搜索和跟踪系统,

16、 用于搜索和跟踪红外目标, 确定其空间位置并对它的运动进行跟踪; 热成像系统, 可产生整个目标红外辐射的分布图像, 如红外图像仪、 多光谱扫描仪等; 红外测距和通信系统; 混合系统, 以上各类系统中的两个或多个的组合8.2 红外传感器红外传感器一、一、 红外检测的物理基础红外检测的物理基础v红外辐射俗称红外线, 它是一种不可见光, 由于是位于可见光中红色光以外的光线, 故称红外线。v它的波长范围大致在0.761000 m, 红外线在电磁波谱中的位置如图波长增大、频率减小波长减小、频率增大紫外线红外线工程上又把红外线所占据的波段分为四部分, 即近红外、 中红外、 远红外和极远红外v 红外辐射的物

17、理本质是热辐射热辐射。v 一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。v 物体的温度越高, 辐射出来的红外线越多, 辐射的能量就越强。v 红外线被物体吸收时, 可显著地转变为热能v红外辐射和所有电磁波一样红外辐射和所有电磁波一样, 是以波的形式在空间是以波的形式在空间直线传播直线传播的。的。v它在大气中传播时它在大气中传播时, 大气层对不同波长的红外线存大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带在不同的吸收带, 红外线气体分析器就是利用该特红外线气体分析器就是利用该特性工作的性工作的, 空气中对称的双原子气体空气中对称的双原子气体, 如如N2、O2、H2等不吸收红外线等不吸收红外线v

18、红外线在通过大气层时红外线在通过大气层时, 有三个波段有三个波段透过率高透过率高, 它它们是们是22.6 m、35 m和和814 m, 统称它们为统称它们为“大气窗口大气窗口”v这三个波段对红外探测技术特别重要这三个波段对红外探测技术特别重要, 因为红外探因为红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内二、二、 红外探测器红外探测器红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。电路及显示系统等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器种类很多红外探测器种类

19、很多, 常见的有两大类常见的有两大类: 热探测器光子探测器1. 热探测器热探测器热探测器是利用红外辐射的热效应红外辐射的热效应, 探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高温度升高, 进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化, 便可确定探测器所吸收的红外辐射。 红外线 温度升高 有关物理参数发生相应变化与光子探测器相比, 热探测器的探测率探测率比光子探测器的峰值探测率低低, 响应时间长响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽响应波段宽, 响应范围可扩展到整个红外区域可扩展到整个红外区域, 可以在室温下工作在室温下工作, 使用方使用方便便, 应用仍相当广泛。 热探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、 热电偶型和气体型探测器。而热释电探测器热释电探测器在热探测器中探测率最高探测率最高, 频率