第8章光电式传感器课件

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 8.1 8.1 光电效应光电效应光敏器件主要利用各种光电效应光敏器件主要利用各种光电效应光电效应可分为：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 8.1 8.1 光电效应光电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

2、量每个光子具有能量 J.S1/波长短，频率高，能量波长短，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 ，当物体吸入的，当物体吸入的能量超出物体能量超出物体逸出功逸出功A A时，电子就会逸出物体表面，产生时，电子就会逸出物体表面，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大于物体表光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。面

3、的电子逸出功。 2012EhmvA 由能量守恒定律可得出由能量守恒定律可得出每个光子具有的能量为每个光子具有的能量为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）；A A 为电子的逸出功为电子的逸出功； m 为电子质量为电子质量 ， 0 0为电子逸出物体表面时的速度为电子逸出物体表面时的速度爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程光照射光照射光电子光电子 8.1 8.1 光电效应光电效应外光电效应外光电效应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，在入射光作用这种效应几乎所有高电阻

4、率半导体都有，在入射光作用下下电子电子吸收光子能量，电子从价带激发到导带过度到自由吸收光子能量，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，使导带电子和价带状态，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空穴浓度增大引起电阻率减小电阻率减小。8.1 8.1 光电效应光电效应8.1.2 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宽入射光子的能量应大于禁带宽度的能量度的能量 E E0 0 E Eg g 基于光电导效应的光电器件基于光电导效应的光电器件有有光敏电阻光敏电阻。1 1）光电导效应）光

5、电导效应 为什么为什么PNPN结会因光照产生光生伏特效应呢？结会因光照产生光生伏特效应呢？PN电子电子空穴空穴- - - -+ + + +- -+ +光源8.1 8.1 光电效应光电效应8.1.2 8.1.2 内光电效应内光电效应 下面分两种情况讨论：下面分两种情况讨论：2 2）光生伏特效应）光生伏特效应光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PNPN结上结上 产生产生电动势电动势的效应。的效应。 当光照射在当光照射在P-NP-N结时，如果电子能量足够大结时，如果电子能量足够大, ,可激发出可激发出电子电子空穴对空穴对, ,在在P-NP-N结内电场作用下空穴

6、移向结内电场作用下空穴移向P P区，区，而电子移向而电子移向N N区区, ,使使P P区和区和N N区之间产生电压，这个电压就区之间产生电压，这个电压就是是光生电动势光生电动势. .8.1 8.1 光电效应光电效应8.1.2 8.1.2 内光电效应内光电效应 基于这种效应的器基于这种效应的器件有件有光电池。光电池。0SkT PUPhc IchkT s，光生电压与光功率 、波长 成正比光速、普朗克常数、 ，为常数， 绝对温度，I暗电流PN结开路电压结开路电压PN电子电子空穴空穴- - - -+ + + +- -+ +光源 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；无光照时，反向电阻很大，反向电流很小

7、； 有光照时，产生光生电子有光照时，产生光生电子空穴对，在外电场作用下，空穴对，在外电场作用下，光生电子光生电子N N，空穴，空穴P P运动，形成光电流运动，形成光电流IgIg。8.1 8.1 光电效应光电效应8.1.2 8.1.2 内光电效应内光电效应 - -+ + 处于反偏时的处于反偏时的P-N结结 电流方向与反向电流一致，电流方向与反向电流一致， 光照强光电流越大。光照强光电流越大。 具有这种性能的器件有：具有这种性能的器件有： 光敏二极管光敏二极管、光敏晶体管光敏晶体管 从原理上讲，不加偏压的从原理上讲，不加偏压的光光 电二极管就是光电池。电二极管就是光电池。 光敏二极管通常光敏二极管

8、通常加反向电压。加反向电压。8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.1 8.2.1 光电管光电管RLUI 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 K、阳极、阳极A 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 E大于电大于电子的逸出功子的逸出功A A（E EA A），会有电子逸出产生光电子发射；），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子吸引在光电管内形成电子流，电流在回路电阻流，电

9、流在回路电阻 R RL L上上产生正比于电流大小的压产生正比于电流大小的压降。降。主要用于：分析仪器和各种自动控制装置主要用于：分析仪器和各种自动控制装置;如，分光光度计、光电比色计等如，分光光度计、光电比色计等 8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.1 8.2.1 光电管光电管光电管电路光电管电路符号符号光电管外壳不透明光电管外壳不透明电子管电子管 光照很弱时，光电管产生光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。常使用光电倍增管。 核仪器中核仪器中闪烁探测器闪烁探测器使用使用光电倍增管做光电转换元件，光电倍增管做光电转换元件，构成射线检测

10、仪器。构成射线检测仪器。 光电倍增管是利用光电倍增管是利用二次电二次电子释放子释放效应，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，将光体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。电流在管内进行放大。8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.2 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在光阴极和阳极之间加了许多加了许多倍增极倍增极（1010级左右），在阳极和阴极之间加有级左右），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几百上千伏的高压，每个倍增极间分压有100100200V200V； 光电倍增管

11、的电流增益很大在光电倍增管的电流增益很大在10105 510106 6之间。倍增极之间。倍增极外加电压外加电压U Ud d与与增益增益GG的关系近似为：的关系近似为：NdGKUKN8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.2 8.2.2 光电倍增管光电倍增管光电倍增管的灵敏度很高光电倍增管的灵敏度很高,不能直接受不能直接受强光照射强光照射,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，倍增极外加电压上式可见，倍增极外加电压U Ud d的变化将引起光电倍增管增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压要求较高，必益的变

12、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。须有极好的稳定性。 射线仪器的电源稳定性要求较高，为减少光电倍增管受温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，也可以采用稳谱装置，在核探测技术中度影响，也可以采用稳谱装置，在核探测技术中“稳谱稳谱”是是数据分析的一个重要内容。数据分析的一个重要内容。/(/)ddG GNUU 增益变化与外加电压增益变化与外加电压（电源）有关（电源）有关8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.2 8.2.2 光电倍增管光电倍增管谱线漂移曲线可见，仪器稳定性与光电倍增管的性能谱线漂移曲线可见，仪器稳定性与光电倍增管的性能指标、参数密

13、切相关。指标、参数密切相关。光电倍增管受温度的影响是比较复杂的光电倍增管受温度的影响是比较复杂的, ,温度影响程度温度影响程度与入射光线的波长有关与入射光线的波长有关, ,同一只管子波长不同同一只管子波长不同, ,同样温度同样温度条件下影响不同条件下影响不同. .核探测器的温度影响和谱线漂移核探测器的温度影响和谱线漂移8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.2 8.2.2 光电倍增管光电倍增管阳阳极极电电流流温度温度( () )红光红光蓝光蓝光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 8.2 光电器件光电器件 8

14、.2.2 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. 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应光敏电阻的工作原理是基于光电导效应 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，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。质，两端有梳状金属电极，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 8.2 光电器件光电器件 8.2.3 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光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性 无无光照光照

15、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 8.2 光电器件光电器件 8.2.3 8.2.3 光敏电阻光敏电阻1.1.伏安特性伏安特性 给定光照

16、度给定光照度，电压越大光电流越大；，电压越大光电流越大； 给定偏压给定偏压，光照越大光电流越大；，光照越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、 无饱和，但受最大功耗限制。无饱和，但受最大功耗限制。光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.3 8.2.3 光敏电阻光敏电阻 基本特性基本特性光照度为光照度为 Lx = lm（流明）（流明）/s 单位面积的光通量单位面积的光通量 2.2.光谱特性光谱特性 光敏电阻光敏电阻灵敏度灵敏度与入射与入射波长波长有关有关; ; 灵敏度与半导体灵敏度与半导体掺杂掺杂的材料有关，的材料有关，图例

17、中材料与相对灵敏度峰位波长图例中材料与相对灵敏度峰位波长硫化镉（硫化镉（C Cd dS S）0.30.30.8 (m)0.8 (m)硫化铅（硫化铅（P Pb bS S）1.01.03.5 (m)3.5 (m)硫化铊（硫化铊（TlSTlS）1.01.07.3 (m) 7.3 (m) 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性3.3.温度特性温度特性温度变化影响光敏电阻的灵敏度、温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。温度暗电流和光谱响应。温度T上升上升，波长波长变短，曲线向左移动。变短，曲线向左移动。 光敏电阻温度特性光敏电阻温度特性8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.3 8.2.3 光

18、敏电阻光敏电阻几种光敏电阻的特性参数几种光敏电阻的特性参数有光照时有光照时，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,VDW1DW1反向饱和导通反向饱和导通, ,继电器闭合继电器闭合. .光敏电阻开关电路光敏电阻开关电路Rg磁电式磁电式继电器继电器8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.3 8.2.3 光敏电阻光敏电阻应用应用 白天白天RgRg小，小，VTVT2 2导通导通VTVT3 3截止截止VTVT4 4导通，晶闸管导通，晶闸管VSVS截止截止H H灭；灭； 晚上晚上RgRg大，大，VTVT2 2截止失去

19、对截止失去对VTVT3 3控制，控制，VTVT3 3由由VTVT1 1控制，待机控制，待机; ; 晚上晚上压电陶瓷片压电陶瓷片B B 接收声音触发信号，接收声音触发信号，VTVT3 3导通导通VTVT4 4截止，截止，晶闸管晶闸管VSVS导通，灯亮导通，灯亮 ；同时；同时D D整流压降突然下降，整流压降突然下降，VTVT3 3集电集电极保持低电压，使极保持低电压，使VSVS处于导通状态处于导通状态; ;HVSVSB8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.3 8.2.3 光敏电阻光敏电阻应用应用光敏电阻在声光光敏电阻在声光控开关中的应用控开关中的应用 H H点亮后，点亮后，C C3 3经电阻缓

20、慢放经电阻缓慢放电，直到不再电，直到不再维持维持VTVT4 4截止。截止。调节调节C C3 3可调节灯可调节灯亮时间亮时间. . 光敏晶体管包括光敏二极管和光敏三极管，其工作光敏晶体管包括光敏二极管和光敏三极管，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：响应速度快、频率响应好、灵敏光敏晶体管特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高度高、可靠性高; ; 广泛应用于可见光和远红外探测，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 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.

21、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PNPN结，结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效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，率有大面积受光，P-NP-N结面积结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 - -+ + -+ -光敏二极管符号光敏二极管符号8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管1）光敏二极管）光敏二极管 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

22、， 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 R RE EDgDgI I8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 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，发光二极管是利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色是

23、利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色不同，是一种将不同，是一种将电能电能光能光能的器件；的器件； 加正向电压时，加正向电压时，P-NP-N结的电子、空穴在结合过程中发结的电子、空穴在结合过程中发射一定频率的光信号。射一定频率的光信号。+ +- - -+ +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 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管发光二极管与光敏二极管发光二极管与光敏二极管 发光二极管发光二极管工作时加正向电压工作时加正向电压。 光敏二极管光敏二极管基本特性：基本特性：1.1.光照特性光照特性 图是硅光敏二极管在小负载电阻下

24、的图是硅光敏二极管在小负载电阻下的 光照特性。光电流与照度成线性关系。光照特性。光电流与照度成线性关系。 2.2.光谱特性光谱特性（硅光敏管为例（硅光敏管为例) )当入射当入射波长波长0.9m0.9m时，响应逐渐时，响应逐渐下降，虽光波长短能量大，但光下降，虽光波长短能量大，但光穿穿透深度小透深度小，使光电流减小；，使光电流减小；当入射当入射波长波长0.9m0.9m时，响应下降时，响应下降是因波长长光子能量小，当小于禁是因波长长光子能量小，当小于禁带宽度时带宽度时 不产生电子、空穴对。不产生电子、空穴对。8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管/Ehh3.

25、3.伏安特性伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。乎无关，只取决于光照强度。4.4.温度特性温度特性由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。流对温度变化很敏感。 8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管5.5.频率响应频率响应 光敏管的频率响应是指光敏管输光敏管的频率响应是

26、指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。出的光电流随频率的变化关系。 光敏管的频响与本身的物理结构、光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。因素有关。 图中光敏二极管频率响应曲线说图中光敏二极管频率响应曲线说明，明，调制频率高于调制频率高于1000Hz1000Hz时，时，硅硅光光敏晶体管灵敏度急剧下降。敏晶体管灵敏度急剧下降。光敏二极管频率响应曲线光敏二极管频率响应曲线 8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管硅光敏二极管基本参数硅光敏二极管基本参数结构：与普通晶体管不同的是，光敏晶结构：与普通晶体

27、管不同的是，光敏晶体管是将体管是将基极基极集电极集电极( (集电结集电结) )作为光敏作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的二极管，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。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NPNNPN、PNPPNP一般集电结加反偏。玻璃封装上一般集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。有个小孔，让光照射到基区。光敏三极管结构光敏三极管结构 NNPc cb be e电路电路符号符号8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管2）光敏三极管）光敏三极

28、管硅硅（Si Si）光敏三极管光敏三极管光敏晶体极管一般是光敏晶体极管一般是NPNNPN结构结构，光照，光照射在集电结的基区产生电子射在集电结的基区产生电子- -空穴，电空穴，电场作用下，光生电子被拉向集电极，场作用下，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，发射极便有发射极之间的电压升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流极管输出电流, ,使晶体管具有电流增益。使晶体管具有电流增益。在负载电阻上的输出电压为在负载电阻上的输出电压为 0gCLLUI Ri R晶体管电流放大系数

29、晶体管电流放大系数 NNPc cb be e+ +- -光敏三极管等效电路光敏三极管等效电路 8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管由伏安特性曲线可见光敏晶体管对光信号具有放大作用由伏安特性曲线可见光敏晶体管对光信号具有放大作用光敏晶体管伏安特性曲线光敏晶体管伏安特性曲线8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管伏安特性光敏晶体管伏安特性光敏晶体管的光谱特性光敏晶体管的光谱特性 硅材料的光敏管峰值波长在硅材料的光敏管峰值波长在0.9m0.9m附近（可见光）附近（可见光） 灵敏度最大；灵敏度最大； 探测探测可见

30、光可见光或或赤热状赤热状物体时波长短物体时波长短, ,一般都一般都用用硅管硅管0.9 m0.9 m； 锗管的峰值波长约为锗管的峰值波长约为1.5 m1.5 m（红外光红外光）对红外进行探测时用对红外进行探测时用锗管锗管较适宜。较适宜。 基本参数基本参数 光敏晶体管光谱特性光敏晶体管光谱特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管硅光敏三极管基本参数硅光敏三极管基本参数电视遥控器检测电路电视遥控器检测电路: : 100100 电阻限流在电阻限流在15mA15mA， 开关闭合时复合管截止，开关闭合时复合管截止， LEDLED不发光；不发光； 用遥控器对准光敏

31、管按键，用遥控器对准光敏管按键， LEDLED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）应用光电转换电路光电转换电路8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 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用电视遥控器发射光信号检测光敏二极管时，当号检测光敏二极管时，当有红外线光照射

32、在光敏管有红外线光照射在光敏管时，光敏管的电流增加电时，光敏管的电流增加电阻值减小。阻值减小。 数字式万用表应表笔正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。极接光敏管正极。指针式万用表表笔内电指针式万用表表笔内电池极性相反。池极性相反。3 3）应用）应用光敏管检测光敏管检测8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管 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，是直接将光能，是直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源转换成电能的器件。有光线作用时就是电源( (太阳能电池太阳能电池) )

33、所以广泛用于宇航所以广泛用于宇航电源电源，另一类用于检测和，另一类用于检测和自动控制自动控制等。等。光光电电池池符符号号8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.5 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LED 太阳能供电警示牌太阳能电池8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.5 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。硒、硅光电池转换效率高、价廉；等等。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

34、射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。线。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PNPN结，上电极为栅状受光电极，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。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PNPN结的一个面时，电子结的一个面时，电子空穴对迅速扩空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般普通光电池可产生一般普通光电池可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压，电压，50mA50mA电流电流。 光电池结构光电池结构 光电池

35、工作原理示意图光电池工作原理示意图 8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.5 8.2.5 光电池光电池1.1.光照特性光照特性开路电压开路电压光生电动势与照度之间关系；光生电动势与照度之间关系；开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压在照度开路电压在照度2000lx2000lx趋于饱和。趋于饱和。短路电流短路电流光电流与照度之间关系称短光电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载相路电流曲线，短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光电流。对内阻很小时的光电流。 实验证明，实验证明，R RL L小线性范围好，具体根据小线性范围好，具体根据光照大小

36、而定，通常光照大小而定，通常R RL L100100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, ,用做控制用做控制元件时当元件时当电流源电流源使用。使用。光电池光照与负载的关系光电池光照与负载的关系 光电池光照特性光电池光照特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.5 8.2.5 光电池光电池2. 2.光谱特性光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度不同光电池对不同波长的光灵敏度不同硅光电池硅光电池的光谱响应峰值在的光谱响应峰值在0.8m0.8m附近，波长范围附近，波长范围0.40.41.2m1.2m。硅光电池可在很宽的波长范围应用。硅光电池可在很宽的波长范围应用。硒光电池硒光电

37、池光谱响应峰值在光谱响应峰值在0.5m0.5m附近附近, , 波长范围波长范围0.380.380.75m0.75m。8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.5 8.2.5 光电池光电池3.3.频率特性频率特性- -指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。硅光电池频率响应较好，硅光电池频率响应较好，硒光电池较差硒光电池较差。所以。所以高速计数器高速计数器的转的转换电路一般采用硅光电池作为传感器元件。换电路一般采用硅光电池作为传感器元件。 硅、硒光电池的频率特性硅、硒光电池的频率特性 4.4.温度特性温度特性8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2

38、.5 8.2.5 光电池光电池硅光电池特性参数硅光电池特性参数 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串联使用；，需要电压高时应将光电池串联使用；需要大电流时应将光电池并联使用。需要大电流时应将光电池并联使用。光电池光电池电路连接电路连接 光电池作为光电池作为控制元件，控制元件，作为电流源的形式应用，通常接非线性负载，作为电流源的形式应用，通常接非线性负载，若控制硅管，发射结导通电压为若控制硅管，发射结导通电压为0.6V0.6V0.7V0.7V，光电池的，光电池的0.5V0.5V电压起不到电压起不到控制作用，这时可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二控制作用，这时

39、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，引起基极电流极管产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流I Ib b变化，集电极变化，集电极电流发生电流发生 倍的变化。电流倍的变化。电流I Ic c与光照近似线性关系。与光照近似线性关系。8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.5 8.2.5 光电池光电池 光电池电路连接光电池电路连接8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.6 8.2.6 色敏传感器色敏传感器 色敏传感器是一种半导体光敏器色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理基于件，工作原理基于光电效应光电效应，该，该器件可将不同波长的光信号转换器件可将

40、不同波长的光信号转换为不同电流信号的输出，视为光为不同电流信号的输出，视为光辐射探测器。辐射探测器。 光在半导体中传播时的衰减是由光在半导体中传播时的衰减是由于电子吸收光子，从价带跃迁到于电子吸收光子，从价带跃迁到导带的结果，该过程称为导带的结果，该过程称为本征吸本征吸收收，吸收系数吸收系数随入射波长变化。随入射波长变化。本征吸收本征吸收导带导带价带价带电电子子吸吸收收光光子子能能量量 禁带禁带自由状态自由状态 半导体色敏传感器，类似晶体管，半导体色敏传感器，类似晶体管，P P+ +-N-P-N-P结构不是三极管结构不是三极管, ,而是而是深、浅深、浅不同的两个不同的两个P-NP-N结组成的二

41、极管，又称结组成的二极管，又称光电双结二极管光电双结二极管。色敏器件结构及等效电路色敏器件结构及等效电路8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.6 8.2.6 色敏传感器色敏传感器深深结结浅浅结结波长短波长短的光子衰减快，穿透的光子衰减快，穿透深度较浅深度较浅，波长长的波长长的光子衰减较慢，能穿透硅片光子衰减较慢，能穿透硅片较深较深区域。区域。浅结浅结的光电二极管对的光电二极管对紫外光紫外光灵敏度高，灵敏度高，深结深结的光电二极管对的光电二极管对红外光红外光灵敏度高；灵敏度高；这一特征为色敏器件提供了识别颜色的可这一特征为色敏器件提供了识别颜色的可能能, ,测波长。测波长。 当有光照射时，当有

42、光照射时，P P+ +、N N、P P三个区域三个区域光子吸收效果不同，构成可以测定波光子吸收效果不同，构成可以测定波长的半导体色敏传感器。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。色敏器件结构及等效电路色敏器件结构及等效电路8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.6 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定波长范围内的光强度或光一般光电器件是检测在一定波长范围内的光强度或光子数目。而子数目。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

43、从可见光到近远红外波段内近远红外波段内单色辐射波长。单色辐射波长。U Ui iU U0 0I I1 1U UD DI ID DR R1 1R R2 2- -+ +11/,26DTDiUUDSSIIURII eIUUm VTT二 极 管 伏 安 特 征 方 程 :反 向 饱 和 电 流电 压 当 量 ，室 温 时 检测光波长（颜色）处理电路检测光波长（颜色）处理电路 彩色信号处理电路彩色信号处理电路8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.6 8.2.6 色敏传感器色敏传感器 用二极管用二极管P-NP-N结做反馈元件，利用二极管正向导通的结做反馈元件，利用二极管正向导通的伏安特性成指数规律变化的

44、特征，构成对数运算放大伏安特性成指数规律变化的特征，构成对数运算放大器电路。器电路。 色彩识别须获得两个光电二极管的色彩识别须获得两个光电二极管的短路电流比短路电流比，由此，由此确定二者确定二者比值与入射波长比值与入射波长关系。关系。色敏传感器检测电路示意图色敏传感器检测电路示意图对数运算电路对数运算电路 检测电路组成：对数电路检测电路组成：对数电路OPOP1 1、OPOP2 2，差放，差放OPOP3 3；8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.6 8.2.6 色敏传感器色敏传感器 I I1 1 是是浅结浅结二极管的短二极管的短路电流，它在路电流，它在短波短波区区电流较大；电流较大； I I2

45、 2 是是深结深结二极管的短二极管的短路电流，它在路电流，它在长波长波（红外）（红外）区电流较大。区电流较大。 02121lnlnln/UCIICIIC C 为比例常数为比例常数色敏传感器检测电路示意图色敏传感器检测电路示意图对数运算电路对数运算电路 电流较小时二极管两端电压存在近似对数关系；电流较小时二极管两端电压存在近似对数关系； OPOP1 1、OPOP2 2输出分别与输出分别与lnIlnI1 1、lnIlnI2 2成比例，由成比例，由OPOP3 3取出差值；取出差值； 经经A/DA/D转换电路处理后输出。转换电路处理后输出。8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.6 8.2.6 色敏传

46、感器色敏传感器/DTUUDSII e两色敏管的光谱特性两色敏管的光谱特性短路电流比短路电流比波长特性波长特性相相对对灵灵敏敏度度% /m/mVD1VD2浅浅结结深结深结色敏器件是测定不同波长时色敏器件是测定不同波长时两只光电二极管两只光电二极管的的短路电流短路电流比值比值，具体应用时需要的对器件进行，具体应用时需要的对器件进行标定标定，通过判别两只，通过判别两只光电二极管光电流的大小判别颜色。光电二极管光电流的大小判别颜色。8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.6 8.2.6 色敏传感器色敏传感器/m/m1001010.10.4 0.8 1.2C ln(IC ln(I2 2/I/I1 1)

47、)U0红外反射式色差传感器（红外反射式色差传感器（DRSC-12-ADRSC-12-A），它的工作原理是），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。依据不同颜色的物体表面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。表面颜色。在标准测试距离上，随环形输送线提供的三种测试颜色样在标准测试距离上，随环形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。品在色差传感器的测试结果如下

48、。8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.6 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 PINPIN型硅光电二极管型硅光电二极管，高速高速光电二极管，响应时间达光电二极管，响应时间达1nS1nS，适用于，适用于遥控装置。遥控装置。 雪崩式光电二极管雪崩式光电二极管，具有，具有高速响应高速响应和放大功能，和放大功能，高电流增益高电流增益，可，可有效读取微弱光线，用于有效读取微弱光线，用于0.8m0.8m范围的光纤通信、光磁盘受光元件范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。装置。 光电闸流晶体管光电闸流晶体管（光激可控

49、硅），由入射（光激可控硅），由入射光线触发导通光线触发导通的可控硅。的可控硅。 光敏场效应晶体管光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫范围宽、输出阻抗低、体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检测。外光的检测。8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.7 8.2.7 其他光电管其他光电管复复合合管管I I1 1I I2 2I IV+V+ 达林顿光电三极管达林顿光电三极管（光电复合晶体管）（光电复合晶体管） 输入是光电三极管，输出是普通晶体管，输入是光电三极管，输出是普通晶体管，

50、增益大，增益大，由由 I = II = Ig gI I1 1I I2 2 作驱动。作驱动。 光电耦合器件光电耦合器件 光电耦合器又称光电隔离器（简称光电耦合器又称光电隔离器（简称 “光耦光耦” ） 由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏晶体由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏晶体管等）管等）集成集成在一起，在一起，器件的光信号封闭器件的光信号封闭在器件内，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。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两次转换进行输入输出耦合。合。8.2

51、 8.2 光电器件光电器件 8.2.7 8.2.7 其他光电管其他光电管 “ “光耦光耦”集成器件的特点集成器件的特点： 输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗，绝缘电输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗，绝缘电阻在阻在1 1万兆以上。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、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。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辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。等。8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2

52、.7 8.2.7 其他光电管其他光电管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。8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.7 8.2.7 其他光电管其他光电管 器件由发光元件和接收光敏元件组成器件由发光元件和接收光敏元件组成 光路信号由外部光信号控制光路信号由外部光信号控制 透射式透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受，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。器件无光电信号输出。 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，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面

53、上，并以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经上，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。过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.7 8.2.7 其他光电管其他光电管 光电开关光电开关光电开关基本电路光电开关基本电路R Rx xR RL L+V+VCCCC8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.7 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=508.2 8.2

54、光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用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 8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用光电开关检测方法光电开关检测方法8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用光电开关检测方法光电开关检测方法8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用光电开关检测方法光电开关检测方法8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8

55、光电器件的应用光电器件的应用 光电光电- -机械式鼠标内置了二个滚轴，分机械式鼠标内置了二个滚轴，分别是别是X X方向滚轴和方向滚轴和Y Y方向滚轴方向滚轴, ,这两个滚这两个滚轴都与一个可以滚动的小球接触，当小轴都与一个可以滚动的小球接触，当小球滚动时便带动了两个滚轴转动，译码球滚动时便带动了两个滚轴转动，译码轮被带动时，轮被带动时，LEDLED发出的光照到光敏晶发出的光照到光敏晶体管而被阻断时，产生表示位移的脉冲；体管而被阻断时，产生表示位移的脉冲； 通过鼠标的控制芯片转换处理后被通过鼠标的控制芯片转换处理后被CPUCPU接收并对其计数。互相垂直的传动轴分接收并对其计数。互相垂直的传动轴分

56、别对应着屏幕上的横轴和纵轴，脉冲信别对应着屏幕上的横轴和纵轴，脉冲信号的数量和频率决定了鼠标在屏幕上移号的数量和频率决定了鼠标在屏幕上移动的距离和速度。动的距离和速度。 光电鼠标结构和工作原理图光电鼠标结构和工作原理图8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用 当心脏跳动时，一个压力波会沿着动脉血管以每秒几米的速度传递。当心脏跳动时，一个压力波会沿着动脉血管以每秒几米的速度传递。我们触摸手腕可以感觉到它，通常称为脉搏。这个压力波也会引起人我们触摸手腕可以感觉到它，通常称为脉搏。这个压力波也会引起人体组织毛细血管中血流量的变化，可以用脉波计测出来。体组

57、织毛细血管中血流量的变化，可以用脉波计测出来。 光学测量法是，在一个夹子的两边分别装一个红外发光管和一个光敏光学测量法是，在一个夹子的两边分别装一个红外发光管和一个光敏电阻，然后夹在耳垂上。测量时心脏压力波引起的人体组织毛细血管电阻，然后夹在耳垂上。测量时心脏压力波引起的人体组织毛细血管中血流量的变化导致耳垂的透光率不同，从而使光敏电阻的阻值变化，中血流量的变化导致耳垂的透光率不同，从而使光敏电阻的阻值变化，阻值的变化周期就是每秒心跳的次数。阻值的变化周期就是每秒心跳的次数。心脏跳动测量传感器（光敏电阻受光）心脏跳动测量传感器（光敏电阻受光）8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2

58、.8 光电器件的应用光电器件的应用 按照电路图接测量电路，制作出简易传感器，经采样、波按照电路图接测量电路，制作出简易传感器，经采样、波形和频谱分析，然后可以用它测量自己的心脏跳动频率。形和频谱分析，然后可以用它测量自己的心脏跳动频率。 心脏跳动测量传感器（光敏电阻受光）心脏跳动测量传感器（光敏电阻受光）透射式透射式反射式反射式8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用反射式光电开关检测物体方法反射式光电开关检测物体方法8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用目标检测方法目标检测方法8.2 8.2 光电器

59、件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用计数与标记位置检测方法计数与标记位置检测方法8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用目标位置检测方法目标位置检测方法8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用工件检测方法工件检测方法小小车车行行驶驶路路线线20032003年全国大学生电子设计大赛题目：年全国大学生电子设计大赛题目： 自动寻迹小车自动寻迹小车8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用 传感器安装位置传感器安装位置自动寻迹避障小车自动寻

60、迹避障小车8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用 反射式红外光电（开关）传感器应用反射式红外光电（开关）传感器应用 障碍传感器安装位置障碍传感器安装位置 速度传感器安装位置速度传感器安装位置8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用自动寻迹、避障小车检测方法自动寻迹、避障小车检测方法可设计为自动存储记忆可设计为自动存储记忆寻迹传感器安装位置寻迹传感器安装位置 寻迹过程中的常见的情况寻迹过程中的常见的情况8.2 8.2 光电器件光电器件 8.2.8 8.2.8 光电器件的应用光电器件的应用 反射式红外传感