传感器原理与应用_第8章光电传感器

1、主要内容：主要内容：概述概述光信号光信号光电传感器光电传感器电信号电信号概述概述光电开关概述概述光栅光栅光电开关光电开关光敏电阻光敏电阻光光电电鼠鼠标标光敏管光敏管 8. 1 光电效应光电效应 光敏器件主要利用各种光敏器件主要利用各种光电效应光电效应J 光电效应可分为：光电效应可分为： 外光电效应外光电效应 光电导效应光电导效应 内光电效应内光电效应 光生伏特效应光生伏特效应 外光电效应外光电效应 在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应外光电效应。 Ehh 普朗克常数普朗克常数 ( ) 光的频率（光的频率（Hz） 每个光子具有能量每个光子具有能量

2、 J.S1/波长短，频率高，能量大。波长短，频率高，能量大。式中：式中： 入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比 。 光照射物体时电子吸收入射光子的光照射物体时电子吸收入射光子的能量能量 ，当，当物体吸入的能量超出物体物体吸入的能量超出物体逸出功逸出功A A 时，电子时，电子就会逸出物体表面，产生就会逸出物体表面，产生光电子发射光电子发射。 超出的能量就表现在电子逸出的动能上。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。 能否产生光电效应，取决于能否产生光电效应，取决于光子的能量是否光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。大于物体表面的电子逸出

3、功。2012EhmvA 每个光子具有的能量可每个光子具有的能量可由能量守恒定律由能量守恒定律表示为表示为2012mv 为一个电子逸出的动能（能量）；为一个电子逸出的动能（能量）； m 为电子质量为电子质量 ，0电子逸出物体表面时的速度；电子逸出物体表面时的速度； A 为电子的逸出功。为电子的逸出功。 ( (爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程) )外光电效应外光电效应光电子光电子光照射光照射e入射光强改变物质导电率的物理现象称入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，在入射光作用下这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，在入射光作用下电子吸收

4、光子能量电子吸收光子能量，电子从价带激发到导带过度到自由状，电子从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起穴浓度增大引起电阻率减小电阻率减小。8.1.2 内光电效应内光电效应 为使电子从价带激发到导带，为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量应大于禁带入射光子的能量应大于禁带 宽度的能量宽度的能量 E0Eg基于基于光电导效应光电导效应的光电器件有的光电器件有光敏电阻光敏电阻。1 1）光电导效应）光电导效应 PN- - - -+ + + +- -+ +光源2 2） 光生伏特效应光生伏特效应 光生伏

5、特效应是半导体材光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在料吸收光能后，在PN结上结上 产生产生电动势电动势的效应。的效应。 基于这种效应的器件有基于这种效应的器件有光电池、光敏二极管、光电池、光敏二极管、光敏三极管。光敏三极管。8.2 光电器件光电器件 8.2.1 光电管光电管LRUI 光强 光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极阴极K、阳极、阳极A，光阴极涂有光敏材料；，光阴极涂有光敏材料； 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电大于电子的逸出功子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生

6、光电子发射），会有电子逸出产生光电子发射. 电子被带有正电的阳极电子被带有正电的阳极吸引在光电管内形成电吸引在光电管内形成电子流，电流在回路电子流，电流在回路电阻阻 RL上产生正比于电流大上产生正比于电流大小的压降。小的压降。8.2.1 光电管光电管 光电管主要用于：分析仪器和各种光电管主要用于：分析仪器和各种自动控制装置；如，分光光度计、自动控制装置；如，分光光度计、光电比色计等光电比色计等 8.2.1 光电管光电管电子管电子管光电管外壳不透明光电管外壳不透明 光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。常使用光电倍增管。

7、 光电倍增管是利用光电倍增管是利用二次电子释放二次电子释放效应，高速电子撞击固效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。8.2.2 光电倍增管光电倍增管光电倍增管与普通光电管不同光电倍增管与普通光电管不同,在光阴极和阳极之间加了在光阴极和阳极之间加了许多许多倍增极倍增极（10级左右），在阳极和阴极之间加有几级左右），在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极间分压有百上千伏的高压，每个倍增极间分压有100200V。光电倍增管的电流增益很大在光电倍增管的电流增益很大在105106之间。倍增极外加之间。倍增极外加电压电压U

8、d与与增益增益G的关系近似为：的关系近似为：NdGKUKN8.2.2 光电倍增管光电倍增管光电倍增管不能直接受强光照光电倍增管不能直接受强光照射射,否则会损坏否则会损坏.通常密封使用。通常密封使用。式中：式中： 常数常数 倍增极数倍增极数 上式可见，倍增级外加电压上式可见，倍增级外加电压Ud的变化将引起光电倍的变化将引起光电倍增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的电源电增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。压要求较高，必须有极好的稳定性。 射线仪器的电源稳定性要求较高，为减少光电倍增射线仪器的电源稳定性要求较高，为减少光电倍增管受温度影响，也可以采用稳谱装

9、置，在核探测技管受温度影响，也可以采用稳谱装置，在核探测技术中术中“稳谱稳谱”是数据分析的一个重要内容。是数据分析的一个重要内容。/(/)ddG GNUU 增益变化与外加电压（电源）有关增益变化与外加电压（电源）有关8.2.2 光电倍增管光电倍增管基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪X X射线荧光仪闪烁探测器射线荧光仪闪烁探测器8.2.2 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体就可构成闪烁计数器光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体就可构成闪烁计数器. 能谱仪、能谱仪、X 射线荧光仪等核仪器中的射线荧光仪等核仪器中的闪烁探测器闪烁探测器使用的使用的光电

10、倍增管做光电转换元件。光电倍增管做光电转换元件。8.2.2 光电倍增管光电倍增管 光敏电阻的工作原理是光敏电阻的工作原理是基于光电导效应基于光电导效应 光敏电阻结构光敏电阻结构 是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端 有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。光敏电阻结构光敏电阻结构8.2.3 光敏电阻光敏电阻光敏电阻符号光敏电阻符号光导体光导体8.2.3 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性 无无光照光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；时，内部电子被原子束缚，具有很高的

11、电阻值； 有光照有光照时，电阻值随光强增加而降低；时，电阻值随光强增加而降低； 光照停止光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数光敏电阻主要参数 暗电阻暗电阻、暗电流暗电流, ,无光照时的电阻、电流；无光照时的电阻、电流； 亮电阻亮电阻、亮电流亮电流, ,受光照时的阻值、电流；受光照时的阻值、电流； 亮电流亮电流与与暗电流暗电流之差称之差称光电流光电流。8.2.3 光敏电阻光敏电阻有光照时有光照时，光敏电阻，光敏电阻RgRg下降下降, ,继电器断开继电器断开; ; 无光照时无光照时，光敏电阻，光敏电阻RgRg上升上升,V,VDW1DW

12、1反向饱和导通反向饱和导通, ,继电器闭合继电器闭合. .光敏电阻开关控制电路光敏电阻开关控制电路Rg磁电式磁电式继电器继电器8.2.3 8.2.3 光敏电阻光敏电阻应用应用HVSVSB光敏电阻在声光控开关中的应用光敏电阻在声光控开关中的应用白天白天Rg小，小，VT2导通导通VT3截止截止VT4导通，晶闸管导通，晶闸管VS截截止止H灭；灭；晚上：晚上： Rg大，大，VT2截止失去对截止失去对VT3控制，控制，VT3由由VT1控制，待机控制，待机; 晚上晚上压电陶瓷片压电陶瓷片B 接收声音触发信号，接收声音触发信号，VT3导通导通VT4截止，截止，晶闸管晶闸管VS导通灯亮导通灯亮 ；同时整流压降

13、突然下降，；同时整流压降突然下降，VT3集电极保集电极保持低电压，使持低电压，使VS处于导通状态处于导通状态; H点亮后，点亮后，C3经电阻缓慢放电，直到不再维持经电阻缓慢放电，直到不再维持VT4截止。调截止。调节节C3可调节灯亮时间可调节灯亮时间. 光敏电阻在声光控开关中的应用光敏电阻在声光控开关中的应用 光敏晶体管包括光敏晶体管包括光敏二极管光敏二极管和和光敏三极管光敏三极管，其工作，其工作原理主要基于原理主要基于光生伏特效应光生伏特效应。 光敏晶体管特点：光敏晶体管特点： 响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高。响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高。 广泛应用于可见光和远红外探

14、测，以及自动控制、广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。自动报警、自动计数等领域和装置。8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管 结构：与一般二极管相似，它们都有一个结构：与一般二极管相似，它们都有一个PN结，结，并且都是单向导电的非线性元件。并且都是单向导电的非线性元件。 为了提高转换效率有大面积受光，为了提高转换效率有大面积受光，光敏二极管光敏二极管P-N结结面积面积比一般二极管大。比一般二极管大。硅光敏二极管结构硅光敏二极管结构 + -+ -+ -光敏二极管光敏二极管电路符号电路符号8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管1）光敏二极管）光敏二极管1）光敏二极管）光

15、敏二极管 光敏二极管光敏二极管工作原理工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态， 无光照无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照有光照时，时，P-NP-N结处产生光生电子结处产生光生电子- -空穴对；空穴对； 在电场作用下形成光电流，在电场作用下形成光电流， 光照越强光电流越大；光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致光电流方向与反向电流一致。 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 RE EDgDgI8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管+ -发光二极管与光敏二极管工作原理不同，发光二极管是利用发光二极管与

16、光敏二极管工作原理不同，发光二极管是利用固体材料发光（电致发光），加正向电压时，固体材料发光（电致发光），加正向电压时，P-N结的电子和结的电子和空穴在结合过程中发射一定频率的光信号。空穴在结合过程中发射一定频率的光信号。 材料不同发光颜色不同，是一种将材料不同发光颜色不同，是一种将电能电能光能光能的器件；的器件； + +- - -+ +光敏二极管符号光敏二极管符号 发光二极管符号发光二极管符号8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管 发光二极管发光二极管（LED ）与）与光敏二极管光敏二极管发光二极管工作时加发光二极管工作时加正向电压，正向电压，光敏二极管工作时加光敏二极管工作时加反向电压反向电压。

17、 结构：与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将结构：与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极基极集电极集电极(集电结集电结)作为光敏二极管（控制结），集电结做受作为光敏二极管（控制结），集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。 大多数光敏晶体管的基极无引线，无论大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般一般集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。光光敏敏三三极极管管结结构构 NNPc cb be e电路电路符号符号8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管2）光敏三极管）

18、光敏三极管2）光敏三极管）光敏三极管 硅（硅（Si Si）光敏三极管）光敏三极管0gCLLUI Ri R晶体管电流放大系数；电流晶体管电流放大系数；电流ig与光强有关与光强有关NNPc cb be e+ +- -光敏三极管光敏三极管等效电路等效电路 在负载电阻上的输出电压为在负载电阻上的输出电压为遥控器检测电路遥控器检测电路: 100电阻限流在电阻限流在15mA， 无光照时复合管截止，无光照时复合管截止， LED不发光；不发光； 用遥控器对准光敏管按键，用遥控器对准光敏管按键， LED点亮时说明遥控器有红点亮时说明遥控器有红外线发射。外线发射。电视遥控器检测电路电视遥控器检测电路3 3）应用）

19、应用光电转换电路光电转换电路8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管硅管压降硅管压降0.7V0.7V（两只（两只1.5V1.5V）10K10K红红外外光光敏敏管管100100复合管复合管LEDLED压降压降1.5V1.5V3V3VK K1.5V1.5V遥控器遥控器红外光敏二极管检测方法红外光敏二极管检测方法 用电视遥控器发射光信号用电视遥控器发射光信号检测光敏二极管时，当有检测光敏二极管时，当有红外线光照射在光敏管时，红外线光照射在光敏管时，光敏管的电流增加电阻值光敏管的电流增加电阻值减小。减小。 数字式万用表应表笔正极数字式万用表应表笔正极接光敏管负极，表笔负极接光敏管负极，表笔负极接光敏管正极。接

20、光敏管正极。 指针式万用表表笔内电池指针式万用表表笔内电池极性相反。极性相反。3 3）应用）应用光敏管检测光敏管检测8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管光电器件检测光电器件检测 烟雾报警演示烟雾报警演示发射式烟雾报警器发射式烟雾报警器（被（被测物体反射光通量的应用测物体反射光通量的应用实例）实例） 光电池工作原理也是基于光电池工作原理也是基于光生伏特效应光生伏特效应，是直接将，是直接将光能转换成电能的器件。光能转换成电能的器件。 有光线作用时就是电源有光线作用时就是电源( (太阳能电池太阳能电池) )，所以广泛，所以广泛用于宇航用于宇航电源电源，另一类用，另一类用于检测和于检测和自动控制自动控制等

21、。等。8.2.5 光电池光电池光信号光信号光电池光电池电信号电信号太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能电池太阳能电池8.2.5 光电池光电池 光电池种类很多，有光电池种类很多，有硒光电池硒光电池、锗光电池锗光电池、硅光电池硅光电池、砷化镓砷化镓、氧化铜氧化铜等等。等等。 硒、硅光电池转换效率高、价廉；砷化镓材料的光谱硒、硅光电池转换效率高、价廉；砷化镓材料的光谱响应与太阳光谱吻合、耐高温和宇宙射线，用于航天响应与太阳光谱吻合、耐高温和宇宙射线，用于航天器。器。8.2.5 光电池光电池 太阳能交通标志有助于降低成本和减少二氧化碳排放太阳能交通标志有助于降低成本和减少二氧化碳排放 8.2.5 光

22、电池光电池 光电池结构：光电池结构：光电池实质是一个大面积光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状结，上电极为栅状受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。 原理：原理：当光照射当光照射PN结的一个面时，电子结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，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电动势。一般普在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般普通光电池可产生通光电池可产生0.2V0.6V电压，电压，50mA电流电流。 光电池结构光电池结构 电路符号电路符号 光电池作为光电池作为控制元件，控制元件，通常接非线性负载，若控制锗

23、管，通常接非线性负载，若控制锗管，发射结导通电压为发射结导通电压为0.2V0.3V；若控制硅管，发射结导通；若控制硅管，发射结导通电压为电压为0.6V0.7V，光电池的，光电池的0.5V电压不能起到控制作用。电压不能起到控制作用。 光电池电路连接光电池电路连接 光电池做电源时当光电池做电源时当电压源电压源使用使用; 用做控制元件时当用做控制元件时当电流源电流源使用。使用。光电池光电池电路符号电路符号光电池电路连接光电池电路连接 可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二极管产可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二极管产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流生附加电压。有光照度变化

24、时，引起基极电流Ib变化，集电变化，集电极电流发生极电流发生倍的变化。电流倍的变化。电流Ic与光照近似线性关系。与光照近似线性关系。光电池作为光电池作为电源使用电源使用，需要电压高时应将光电池，需要电压高时应将光电池串联串联使用；使用；需要大电流时应将光电池需要大电流时应将光电池并联并联使用。使用。 光电池电路连接光电池电路连接 光电池应用光电池应用 作检测控制元件作检测控制元件 光电池应用光电池应用 作检测控制元件作检测控制元件红外反射式红外反射式色差传感器色差传感器（DRSC-12-A），它的工作原理是依据），它的工作原理是依据不同颜色的物体表面对红外线的吸收率和反射率。不同颜色的物体表面

25、对红外线的吸收率和反射率。在相同的测试距离上，黑色的吸收率最高，白色的吸收率最低。在相同的测试距离上，黑色的吸收率最高，白色的吸收率最低。因此，可以根据物体对红外线的反射率来判断物体的表面颜色。因此，可以根据物体对红外线的反射率来判断物体的表面颜色。在标准测试距离上，随输送线提供的三种测试颜色样品在色差在标准测试距离上，随输送线提供的三种测试颜色样品在色差传感器的测试结果如下。传感器的测试结果如下。8.2.6 色敏传感器色敏传感器物体表面颜色识别原理物体表面颜色识别原理反射光物体反射光物体吸收率低吸收率低吸收率高吸收率高发射发射接收接收 当有光照射时，当有光照射时，P+、N、P三个区域三个区域

26、光子吸收效果不同，构成可以测定光子吸收效果不同，构成可以测定波长的半导体色敏传感器。波长的半导体色敏传感器。对紫外光吸收系数大穿透距离短对紫外光吸收系数大穿透距离短； 对红外光吸收系数小穿透距离长。对红外光吸收系数小穿透距离长。8.2.6 色敏传感器色敏传感器深结深结浅结浅结 一般光电器件是检测在一般光电器件是检测在一定波长范围一定波长范围内的光强度或内的光强度或光子数目。光子数目。 而而半导体色敏传感器半导体色敏传感器可以直接测量可以直接测量从可见光到近远从可见光到近远红外波段内红外波段内单色辐射波长。单色辐射波长。 光电耦合器件光电耦合器件 光电耦合器又称光电耦合器又称光电隔离器光电隔离器

27、（简称（简称 “光耦光耦” ） 由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏晶体管等）由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏晶体管等）集成集成在一起；在一起； 器件的器件的光信号封闭光信号封闭在器件内，发光管辐射可见光或红外在器件内，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。 器件通过器件通过电电光光、光光电电两次转换进行输入输出耦合。两次转换进行输入输出耦合。8.2.7 其他光电管其他光电管 输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗，绝缘电阻在输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗，绝缘电阻在1 1万兆以上。器件有很强的抗干扰能

28、力和隔离性能，可避万兆以上。器件有很强的抗干扰能力和隔离性能，可避免振动、噪声干扰。免振动、噪声干扰。特别适宜工业现场做数字电路开关信号传输；可作逻辑电特别适宜工业现场做数字电路开关信号传输；可作逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。F “光耦光耦” 集成器件的特点：集成器件的特点： 光电耦合器件结构形式光电耦合器件结构形式光电耦合器用于光电耦合器用于天然气高压点火器确认电路天然气高压点火器确认电路可避免失火时明火打开点燃天然气。可避免失火时明火打开点燃天然气。 光电耦合器件光电耦合器件光电耦合器应用光电耦合器应用 光电耦合器件光

29、电耦合器件J 光电开关光电开关（光电断续器）（光电断续器）透射式透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器件，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器件无光电信号输出。无光电信号输出。反射式反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，并以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测并以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。 器件由发光元件和接收光敏元件组成，分为透射式和反射式；器件由发光元件和接收光敏元件组成，分为透射式和反射式； 光光路信号由外部光信

30、号控制，光敏器件是光敏电阻或光敏管。路信号由外部光信号控制，光敏器件是光敏电阻或光敏管。光电开关基本电路光电开关基本电路R Rx xR RL L+V+VCCCC8.2.7 8.2.7 其他光电管其他光电管光电开关结构与外形光电开关结构与外形限流限流电阻电阻I ID D=100mA, V=100mA, VCCCC=5V, R=5V, RX X=50=50 光电开关光电开关R Rx xR RL L+V+VCCCC限流限流电阻电阻光电开关基本电路光电开关基本电路ID=100mA, VCC=5V, RX=50光电开关检测方法光电开关检测方法电梯平层用光电开关电梯平层用光电开关光电开关器件光电开关器件 光电开关光电开关应用应用 光电开关光电开关应用应用 光电开关光电开关应用应用 光电开关光电开关应用应用 光电开关光电开关应用应用 光电开关反射式检测方法光电开关反射式检测方法 光电开关光电开关应用应用 光电开关检测方法光电开关检测方法运动物体运动物体8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用 光电开关检测运动物体光电开关检测运动物体BUD-30S传感器传感器 BUD-30S传感器传感器 特性参数特性参数尺寸尺寸W52XH20,L72mm探测距离探测距离30mm探测物体探测物