第六章 光电传感器

1、第6章 光电传感器 光电传感器是将光信号转换为电信号的装置，使用它测量非电量时，需要将这些非电量的变化转换成光信号的变化。 光电传感器主要由发光元件、光学系统、光电接收元件和测量电路组成。 光电接受元件主要有光敏电阻、光电池、光敏晶体管、固态成像器件、光栅、光导纤维等。 光电传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等优点，故广泛用于各种自动检测系统中。紫 蓝 绿 黄 橙 红6.1 光电效应 自然界的一切物体在环境温度高于0K以上时都会产生光波辐射，光是波长约在1000.01m之间的电磁辐射，其光谱见图。 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)所构成，每个光子具有的能

2、量正比于光的频率。所以，用光照射某一物体，就可以看作这物体受到一连串能量为的光子所轰击，而光电效应就是由于这物体吸收到光子能量为的光后产生的电效应。通常把光线照射到物体后产生的光电效应分为两类，即外光电效应和内光电效应。 光电传感器的基本原理就是光电效应理论。5.1.1 外光电效应h h为普朗克常数；v光的频率( s-1)。 光子能量爱因斯坦光电效应方程： 20021mVAhv式中第一项是电子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。 1电子能否逸出物体表面取决于光子具有的能量hv是否大于A0，而 hv只与光的频率v 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

3、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。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。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。6.1.2 内光电效应（光电导效应、光生伏特效应 ）1光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态而使物体电阻率改变的现象称光电导效应。导带价带禁带Eg 若光子能量hv大于本征半导体材料的禁带宽度Eg ，则禁带中的电子吸收一个光子后就足以跃迁到导带，激发出电子空穴对，从而加强了导电性能，使阻值降低 2光生伏特效应（结光电效应、侧向光电效应 ）（1）结光电效应。 NP 掺入五价杂质的施主 掺入三价杂质的

4、受主Ehv在光激发下多数载流子浓度变化不大，而少数载流子浓度变化很大，主要研究少数载流子的运动。（2）侧向光电效应 当光照射半导体光电器件的灵敏面时，光照部分吸收光子能量便产生自由电子-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，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。 电子浓度高电子浓度低6.2 光电元件6.2.1 光敏电阻玻璃光电导层电极绝缘衬底金属壳黑色绝缘玻璃引线光敏半导体工作原理是光电导效应，图为光敏电阻的结构图。 1光敏电阻的主要参数和基本特性（1） 暗电阻与亮电阻（2） 伏安特性 （3） 光照特性 5101520253

5、0020 40 60 80 100 120140耗散功率10 lx100 lx1000 lx光敏电阻电压（V）光电 流mA（00.20.40.60.81.050100150200250I (I )F(lm)10V硒Se光强（4） 光谱特性100806040200500010000150002000025000相对灵敏度 Sr（%）硫化镉硫化铅）（A波长）（A（5） 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00.511.51008060402004812101001000 10000f(Hz)100806040200硫

6、化铅硫化铊相对灵敏度Sr（%）光照变化频率（Hz）100 lx500 lx10 lx500 lx 100 lx10 lx光 电 流（ % ）（6） 光谱温度特性硫化铅光敏电阻 6.2.2 光电池 1电池的基本特性 （1）光照特性 开路电压短路电流0.60.400.30.20.10200040000.2电光生压()V电光生流( m A ) lx光照度( )1000（2）光谱特性 0.40.50.81.01.2204060801000相对灵敏度Sr(%)）（ m（3）光电池的频率特性204060801000相对输出电流Ir(%)硅光电池硒光电池1500300045006000）（Hzf（4）光电池

7、的温度特性开路电压短路电流电光生流( m A )电光生压()mV20030040050023451020304050607080T(）6.2.3 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P+光（a）+-Rf（b）N-PNPN+光N+-Rfbce2光敏晶体管的基本特性 （1）光敏晶体管的光谱特性204060801000.51.01.52.00硅锗相对灵敏度Sr(%)）（ A（2）光敏晶体管的伏安特性（3）光敏晶体管的光照特性 051050010000200400600800 100010203040光照( lx )光照( lx )光电流光电流mAmA(a)硅光敏二极管(b)硅光敏三极管

8、（4）光敏晶体管的温度特性（5）光敏晶体管的时间常数 时间常数：锗210-4 s，硅10-5s左右。 6.3 光电传感器的类型及应用实例6.3.1 光电传感器使用的光源类型1）钨丝灯； 3）发光二极管（LED）； 2）弧光灯； 4）激光光源。 6.3.2 应用实例 20712341234输入输出1光电耦合器光电元件透镜指示盘光源旋转盘 2光电式转速传感器 视频处理控制器计数显示装置实物成像系统CCD阵列3尺寸自动检测在光学系统放大率为 1M 的装置中，则有dMNdL2 式中的d为图象末端两个光敏元之间的最大可能误差。 4缺陷检测1）钞票检查 移动方向CCD阵列成像系统比较环节误差钞票2）透明液体内混浊物的