第6章磁场与成分参数测量传感器

1、2022-3-261实用传感器技术教程实用传感器技术教程2磁敏电阻传感器磁敏电阻传感器1.2第第6章章磁场与成分参数测量传感器磁场与成分参数测量传感器6.1磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管6.3气敏传感器气敏传感器6.4集成磁场传感器集成磁场传感器1.26.2湿敏传感器湿敏传感器6.43v磁场以及成分参数的测量在日常生活以及工业磁场以及成分参数的测量在日常生活以及工业中占据重要的地位。磁场的测量主要是磁场强中占据重要的地位。磁场的测量主要是磁场强度以及磁场方向的测量，成分参数测量主要是度以及磁场方向的测量，成分参数测量主要是指气体参数与湿度参数的测量。指气体参数与湿度参数的测量。v

2、在本章中，磁场主要是通过磁敏电阻器、集成在本章中，磁场主要是通过磁敏电阻器、集成磁场传感器、磁敏二极管和磁敏三极管进行测磁场传感器、磁敏二极管和磁敏三极管进行测量的，而气体参数和湿度参数是通过气敏传感量的，而气体参数和湿度参数是通过气敏传感器和湿敏传感器进行测量的。器和湿敏传感器进行测量的。 46.1 磁敏电阻传感器磁敏电阻传感器 v磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类，前者有霍尔传感器（其材料主要有类，前者有霍尔传感器（其材料主要有InSb，InAs，Ge，Si，GaAs等）和磁敏电阻（等）和磁敏电阻（1nSb，InAs），后者有磁敏二极管（），

3、后者有磁敏二极管（Ge，Si）、磁敏）、磁敏晶体管（晶体管（Si等）。等）。v它们都是利用半导体材料中的自由电子或空穴它们都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的一种随磁场改变其运动方向这一特性而制成的一种磁敏传感器。磁敏传感器。 56.1.1 磁敏传感器原理与结构磁敏传感器原理与结构 v磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。 当长方形半导体片受到与电流方向垂直的磁场作用时，不但产生霍尔效应，而且还会出现电流密度下降、电阻率增大的现象。若适当地选几何尺寸，还会出现电阻值增大的现象。前一种现象称为物理磁阻效应物理磁阻效应，后一种现

4、象称为几几何磁阻效应何磁阻效应。半导体磁阻器件就是综合利用这样两种效应而制成的磁敏器件。66.1.1 磁敏传感器原理与结构磁敏传感器原理与结构v 1.磁阻效应磁阻效应 磁阻效应是指将一载流导体置于外磁场中，其电阻率会发生变化磁阻效应是指将一载流导体置于外磁场中，其电阻率会发生变化（增大），它是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。（增大），它是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。 当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的简单情况下，理论推导出正比。如果器件只有在电子参与导电的简单情况下，理论推

5、导出来的磁阻效应方程为来的磁阻效应方程为22010.273BB76.1.1 磁敏传感器原理与结构磁敏传感器原理与结构v1 1.磁阻效应磁阻效应 当电阻率变化为当电阻率变化为 时，则电阻率的相对变化率为时，则电阻率的相对变化率为 半导体中仅存在一种载流子时，磁阻效应很弱。若同时存在两种半导体中仅存在一种载流子时，磁阻效应很弱。若同时存在两种载流子，则磁阻效应很强，此时载流子，则磁阻效应很强，此时0B 22200.273BkB20PBp nB 86.1.1 磁敏传感器原理与结构磁敏传感器原理与结构v2.2.磁敏电阻的结构磁敏电阻的结构 常见的磁敏电阻有如下三种结构，如图常见的磁敏电阻有如下三种结构

6、，如图6-1所示。所示。图6-1 常见磁敏电阻结构96.1.2 磁敏电阻常用型号磁敏电阻常用型号 v1. FCC/MC1. FCC/MC系列磁性传感器系列磁性传感器 该传感器是一种磁电转换器件，它利用磁敏材料的固有特性，通该传感器是一种磁电转换器件，它利用磁敏材料的固有特性，通过不同的特殊电路将磁信号转换为电信号。过不同的特殊电路将磁信号转换为电信号。 参数型号表6-1 FCC/MC磁性传感器型号及参数磁灵敏度 V/nT）分辨能力（nT）测量范围（mT）工作温度（）频率范围（Hz）电源（V）功耗（mW）尺寸（mm）非晶态FCC-1200.50.2-35400169826231FCC-21050

7、.2-3540020610825631FCC-3500.20.04-35400169825631FCC-4600020.3-35400.0116158090磁膜mc-1550.3-3050025004.53825631mc-2500020.3-30500.011658090106.1.2 磁敏电阻常用型号磁敏电阻常用型号v2. CGC2. CGC系列磁传感器系列磁传感器 该传感器可用于地磁脉动观测，它是大地磁法或电磁法勘探仪该传感器可用于地磁脉动观测，它是大地磁法或电磁法勘探仪器的磁场信息接收器。器的磁场信息接收器。 参数型号表6-2 CGC磁传感器型号及参数直流电阻（）电感量（H）分布电容（

8、pF）外壳等效电阻 （k）工作灵敏度( V/Hzt）开路灵敏度（ V/r）总长度（mm）重量（kg）CGC-A4306505505514080215036CGC-B13501050200300693012002011发光二极管常用的材料与发光波长发光二极管常用的材料与发光波长124 4、激光器、激光器 激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。 激光器种类繁多，按工作物质分类：u 固体激光器（如红宝石激光器）u 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）u 半导体激光器（如砷化镓激光器）u 液

9、体激光器13所谓光电效应所谓光电效应是指物体吸收了光能后把光能转换为该物是指物体吸收了光能后把光能转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。体中某些电子的能量而产生的电效应。 光电效应按原理又分为以下光电效应按原理又分为以下3 3种：种： 1 1、外光电效应外光电效应：在光线照射下，电子逸出物体表面向外：在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。其中，向外发射的电子称发射的现象称为外光电效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。 2 2、内光电效应内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生：在光线作

10、用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。 7.2光电效应光电效应14 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hh普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）外光电效应外光电效应15 根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化

11、物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。 根据能量守恒定理 式中 m电子质量；v0电子逸出速度。02021Amh该方程称为爱因斯坦光电效应方程。16n 光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，入射光子数目越多，逸出的电子数也就

12、越多。n 光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。17内光电效应又可分为以下两类：内光电效应又可分为以下两类：v1 1）光电导效应）光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量后引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等。 v2 2）光生伏特效应）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池等。 187.3 光敏电阻光敏电阻v

13、光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料制成的一类光电器件，其作用原理基于光电导效应。当无光照时，光敏电阻具有极高的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，其电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低，当光照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。19 1. 1. 光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料制成的一类光电器件，其作用原理基于光电导效应。当无光照时，光敏电阻具有极高的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，其电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低，当光照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。7.3 7.3 光敏电阻光敏电阻207.3

14、光敏电阻光敏电阻v当在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻是一个纯电阻器件，没有极性，因而使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。制造光敏电阻的材料一般由金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成。由于光电导效应只限于光照的表面薄层，因此光敏材料一般都做成薄层。同时为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，如图7-2 a所示：为了避免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求光谱范围光的透明保护窗（如玻璃），同时为了避免光敏电阻的灵敏度受潮湿等因素的影响，通常将光敏材料严密封装在金属壳中。21）a 光敏电阻外观） b 光敏电阻符号电

15、极光敏材料）c 光敏电阻接线图图7-2 光敏电阻外观符号及接线图IGRGRR光敏电阻外观符号及接线图光敏电阻外观符号及接线图 22 2. 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 1）亮电阻：是指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。 2）暗电阻：是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。 3）最高工作电压：是指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压。 4）亮电流：是指在有光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。7.3 7.3 光敏电阻光敏电阻235）暗电流：是指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。6）光电流：在一定外加电压下亮电流与暗电流之差。7）时间常数：是指光

16、敏电阻器的光电流从光照跃变开始到稳定亮电流的63%时所需的时间。8）温度系数：是指光敏电阻器在环境温度改变1时，其电阻值的相对变化。9）灵敏度：是指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。24 3. 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 (1)在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图7-3为硫化镉光敏电阻在不同照度下的伏安特性曲线。25图 7-3 硫化镉光敏电阻的伏安特性 403020100I / mA10010001 x500 mW1001 x功率200U / V101 x26v1）光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为斜率不同的直线，

17、说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。v2）光敏电阻两端电压不能过高，因为光敏电阻有最大额定功率（如图7-3中的500mW功率曲线）限制，当光敏电阻两端的电压和电流超过最大允许工作电压和最大额定电流时，可能导致光敏电阻的永久性损坏。27（2）光照特性 在一定的外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系称为光敏电阻的光照特性。材料不同，光照特性也不同，绝大多数光敏电阻的光照特性都是非线性的，这也决定了光敏电阻作为定量检测元件使用的机会不多，这是光敏电阻的不足之处，一般常用作自动控制系统中的光电开关。图7-4为硫化镉光敏电阻的光照特性曲线。28图7-4 硫化镉光敏电阻的光照特性 0.05

18、0.100.150.200.250.300.350.4000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4I / mA / lm29（3）光谱特性 光敏电阻的相对灵敏度与入射光波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。光敏电阻对不同波长的入射光有着不同的灵敏度。图7-5为几种不同材料光敏电阻的光谱特性，可以看出：对应于不同的入射光波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。 30图7-5 光敏电阻的光谱特性 Sr / (%) / A2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉31 （4）频率特性 实验证明：光敏电阻的光电流不能随着光强的改变而立刻

19、变化，称为光电驰豫现象，这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（从几十毫秒到几百毫秒），因而它们的频率特性也各不相同。当光敏电阻在光照快速变化的场合应用时，要考虑其频率特性的影响。图7-6为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，纵轴S表示相对灵敏度，从图中可以看出，硫化铅的使用频率范围相对较大。光敏电阻的响应时间除了与元件的材料有关，还与光照的强弱有关，光照越强，响应时间越短。32图7-6 光敏电阻的频率特性 100806040200101001 00010 000硫化镉硫化铅S /( %)f / Hz33 （5）温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。当使用环境温

20、度变化较大时，会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也会随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图7-7为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，其峰值响应随着温度的上升而向波长短的方向移动。故硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用，而对于可见光范围的光敏电阻，温度对其影响相对要小一些。 34图 7-7 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 1.02.03.04.00204060801002020 / mS / (%)35光敏电阻器的分类和常用型号光敏电阻器的分类和常用型号（1 1）按光敏电阻器的制作材料分类）按光敏电阻器的制作材料分类 v光敏电阻按其制作材料不同分为多

21、晶光敏电阻和单晶光敏电阻，还可细分为硫化镉光敏电阻、硒化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、硒化铅光敏电阻、锑化铟光敏电阻等。36v（2 2）按光谱特性分类）按光谱特性分类 v 光敏电阻按其光谱特性可分为可见光光敏电阻、紫外光光敏电阻和红外光光敏电阻。v 可见光光敏电阻器主要对可见光敏感：常见的有硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于可见光范围的各种光电控制系统，如光电自动开关门，光控灯和其他照明系统的自动亮灭控制等，洗手间自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，照相机的自动测光装置等方面。v 紫外光光敏电阻器主要对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化

22、镉等光敏电阻器，主要用于紫外线的探测。v 红外光光敏电阻器主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测等国防、科学研究和工农业生产中。37常用光敏电阻器的命名规则及型号常用光敏电阻器的命名规则及型号38常用光敏电阻器的命名规则及型号常用光敏电阻器的命名规则及型号39光敏电阻器性能检测光敏电阻器性能检测 v首先把万用表拨到R1k档，把光敏电阻的受光面与入射光线保持垂直，这时在万用表上测得的电阻就是亮阻。再把光敏电阻置于完全黑暗的场所，此时用万用表所测出的电阻就是暗阻。如果亮阻为几千欧至几十千欧，暗阻为几兆欧至几十兆欧，则说明光敏电阻性能良

23、好。亮阻与暗阻阻值相差越大，则光敏电阻器灵敏度越高。40光敏电阻器的应用光敏电阻器的应用 v1.简易光控灯简易光控灯+R1100KR210KGR1uFC1VT19014VT29012S1LED3V图7-8 光控灯电路图其工作原理为：合上开关S1，当有一定强度的光照射光敏电阻时，其阻值迅速减小（约几十千欧），三极管VT1的基极电压被拉低而处于截止状态，而此时VT2的基极电压升高，VT2截止，此时LED熄灭；当光敏电阻所受光照小于一定值时，其阻值增大（约几兆欧），此时VT1的基极电压升高并使其导通，而VT2的基极电压降低，VT2导通，LED发光。41光敏电阻器的应用光敏电阻器的应用v2.照相机电子

24、快门照相机电子快门A A_bbU2RP10KR15.1KR2300VD1M1RP10KVT1GNDC11uFCdSthURU图7-9 照相机电子快门GR+ +1242光敏电阻器的应用光敏电阻器的应用v3.光控闪烁安全警示灯光控闪烁安全警示灯VD1IN4004VTMAC9726VD22CTS1A+C 220uF/50V图7-10 光控闪烁安全警示灯1R150KGR2R1KE 220V43光敏电阻器的应用光敏电阻器的应用v4.心脏跳动次数的光心脏跳动次数的光电传感器测量电传感器测量）a ）b 图7-11 基于光敏电阻的心跳测量传感器结构及输出波形图光敏电阻发光二极管引线4412022K4.7K47

25、K47K10K10K1M1M321+-5167LM358/1LM358/2IN4148IN4148GRLED2.2uF2.2uF68nF68nF图7-12 基于光敏电阻的心跳测量传感器电路图OUTUK45v 5.煤气炉熄火检测报警装置煤气炉熄火检测报警装置46光敏电阻特点及使用注意事项光敏电阻特点及使用注意事项v1.1.光敏电阻优点光敏电阻优点v1）光谱响应范围宽。根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度。v2）工作电流大，可达数毫安。v3）所测光强范围宽，既可测强光也可测弱光。v4）灵敏度高，光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小则性

26、能越好，即灵敏度越高。v5）无极性之分，使用方便。47光敏电阻特点及使用注意事项光敏电阻特点及使用注意事项v2.2.光敏电阻缺点光敏电阻缺点v1）光电驰豫过程较长，频率响应很低。v2）型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。48光敏电阻特点及使用注意事项光敏电阻特点及使用注意事项v3.3.光敏电阻使用注意事项光敏电阻使用注意事项v1）使用中不要超过最大光电流和最高功率，必要时要控制入射光的辐射通量以限制光电流，尤其在高温下使用时更要注意限制光电流大小，防止烧坏器件。v2）高温环境下尽量选择玻璃和金属封装的光敏电阻。v

27、3）新光敏电阻的光电性能如果不稳定，可以进行人工老化处理，使其性能更加稳定。497.4光敏晶体管光敏晶体管v光敏晶体管指的是光敏二极管和光敏三极管，都是电子电路中常用的光敏器件，文字符号分别为“VD”和“VT”，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏二极管和光敏三极管都是很好的光电转换半导体器件，与前面讲过的光敏电阻相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。507.4.1 光敏晶体管结构和工作原理光敏晶体管结构和工作原理v1.光敏二极管结构和工作光敏二极管结构和工作原理原理入射光玻璃透镜管壳管芯引脚光敏面2SiO 保护层铝电极P型扩散层PN结N型衬底图7-14 光敏二极管的

28、外形和结构图RLE图7-15 光敏二极管的符号和接线图a)b)LRE51v2.2.光敏三极管的结构和工作原理光敏三极管的结构和工作原理ecbbec光图7-16 光敏三极管的结构和等效电路图）a 光敏三极管结构图 b)光敏三极管等效电路图ecbELRccbbee图7-17 光敏三极管的符号和接线图c)常用光敏三极管接线图b)PNP型光敏三极管符号）a NPN型光敏三极管符号527.4.2 光敏晶体管参数和特性光敏晶体管参数和特性v1.1.光敏二极管主要参数光敏二极管主要参数v 1）最高反向工作电压VRM：是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1A时所能承受的最高反向电压值。v 2）

29、暗电流ID：是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。v 3）光电流IL：是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。其测量的一般条件是：2856K色温的钨丝光源，照度为1000 1x。53v 4）光电灵敏度：是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示，单位为A/W。v 5）响应时间：是指光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短，说明光敏二极管频率特性越好。v 6）正向压降VF：是指光敏二极管中通过一定大小正向电流时，其两端产生的压降。v 7）结电

30、容Cj：指光敏二极管PN结的电容。结电容是影响光电响应速度的主要因素。结面积越小，结电容也就越小，工作频率也越高。54v2.2.光敏三极管主要参数光敏三极管主要参数v 1）最高工作电压Umax：最高工作电压是指在无光照状态下，e、c极间漏电流不超过规定值（约0.5）时，光敏三极管所允许施加的最高工作电压，一般在10V-50V之间。v 2）暗电流：在无光照的情况下，集电极与发射极间的电压为规定值时，流过集电极的反向漏电流称为光敏三极管的暗电流，通常小于1。v 3）光电流：在规定光照下，当施加规定的工作电压时，流过光敏三极管的电流称为光电流，光电流越大，说明光敏三极管的灵敏度越高，通常能达到几个m

31、A。v 4）最大允许功耗：指光敏三极管在不损坏的前提下所能承受的最大功耗。55v5）集电极-发射极击穿电压VCE：在无光照下，集电极电流IC为规定值时，集电极与发射极之间的电压降称为集电极-发射极击穿电压。v6）峰值波长p：当光敏三极管的光谱响应为最大时对应的波长称为峰值波长。v7）光电灵敏度：在给定波长的入射光输入单位光功率时，光敏三极管管芯单位面积输出光电流的强度称为光电灵敏度。v8）响应时间：响应时间指光敏三极管对入射光信号的反应速度，一般为S。56v3.3.光敏晶体管的特性光敏晶体管的特性（1 1）光谱特性）光谱特性 光敏晶体管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光光敏晶体管的光谱特性是

32、指在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度电流（或用相对灵敏度S S表示）与入射光波长的关系。表示）与入射光波长的关系。硅和锗光敏二（三）极管的光谱特性曲线如图硅和锗光敏二（三）极管的光谱特性曲线如图7-187-18所所示。示。 57100806040200500100015002000入射光锗硅 / nmS / (%)硅锗入射光图7-18（） 光敏二极 三级 管的光谱特性58v （2）伏安特性 图7-19 a为硅光敏二极管的伏安特性曲线，横坐标表示所加的反向偏压。当有光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大，在不同的照度下，其伏安特性曲线几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏

33、压大小的影响。图7-19 b为硅光敏三级管的伏安特性曲线，纵坐标为光电流，横坐标为集电极-发射极电压。 从图7-19可见，由于晶体管的放大作用，在同样照度下，其光电流比相应的二极管大上百倍。 590.080.060.040.02I / mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x0 10 20 30 40 50864201020304050500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI / mA反 向电压/ V集电极 发 射极电压/ V(a)(b)集电极-发射极电压/Vb)硅光敏三极管反向电压/Va)硅光敏二极管图7-19 硅光敏管的伏安特性

34、60v （3）频率特性 v 光敏晶体管的频率特性是指光敏晶体管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10s。光敏三级管的频率特性主要受负载电阻的影响，响应速度比光敏二极管低一个数量级，图7-20为硅光敏三级管的频率特性，通过减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压大小同时也变小。 61图7-20 光敏晶体管的频率特性 100806040200110100100 k10 kRL1 kS / (%)f / kHz62（4）温度特性温度特性是指光敏晶体管的暗电流及光电流与温度的关系。温度变化不仅影响光敏晶体管的

35、灵敏度，同时对其光谱特性也有影响，光敏晶体管温度特性曲线如图7-21所示：从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响较小(图b)，而对暗电流影响很大(图a)。 63100255020 30 40 50 60 7010 20 30 40 50 60 70 80100200300400? ? / ? ? ? / mA? ? ? / A? ? / ?(a)(b)暗电流/mA光电流/uAC温度/C温度/）a 温度与暗电流关系曲线）b 温度与光电流关系曲线图7-21 光敏晶体管的温度特性647.4.3 常用光敏晶体管型号和参数常用光敏晶体管型号和参数6566677.4.4 光敏晶体管好坏及引脚判断方法光敏

36、晶体管好坏及引脚判断方法v1.1.光敏二极管和光敏三极管的区分光敏二极管和光敏三极管的区分v光敏二极管和大部分光敏三极管外壳形状基本相同，颜色为黑色，判别管子类型时可以用黑布遮住感光窗口，选择指针式万用表“R1k”档测量两管脚引线间的正反向电阻，均为无穷大的是光敏三极管，一大一小的是光敏二极管。68v 2.2.管脚极性及性能检测管脚极性及性能检测v （1）光敏二极管检测方法v 1) 从外观上识别：光敏二极管外观颜色为黑色，管脚较长的是正极，较短的是负极，另外，在光敏二极管的管体顶端有一个小斜切平面，通常带有此斜切平面的一端为负极。v 2) 电阻测量法：选择指针式万用表“R1k”档测量光敏二极管

37、正反向电阻，正常时阻值一大一小，以阻值较小一次为准，红表笔所接管脚为负极，黑表笔为正极。 69v3) 数字万用表测量法：用数字万用表检测红外线接收管是很方便的。将挡位开关置于“二极管挡”，黑表笔接负极、红表笔接正极时的压降值应为0.450.65V，对调表笔后，屏幕显示的数字应为溢出符号“OL”或“1”。 70v （2）光敏三极管检测方法v 1）光敏三极管管脚较长的是发射极，较短的是集电极。或者用红黑表笔测量光敏三极管的两根引脚，然后把红黑表笔对调继续测量，两次测量中阻值较小的那次，黑表笔接的是光敏三极管的“C”极，红表笔接的是“E”极。v 2）电阻测量法 v 用万用表“R1K”档，红表笔接光敏

38、三极管的发射极，黑表笔接集电极。无光照时，指针微动并接近；有光照时，应随光照的增强，其电阻变小，可达1k以下。若黑表笔接光敏三极管的发射极，红表笔接集电极，无光照时，电阻为；有光照时，电阻为或指针微动。 71v3）数字万用表法v将数字万用表档位开关置于“R20K”挡（或电阻自动挡），红表笔接集电极，黑表笔接发射极，有光照时，屏幕显示的压降值应在10 k以下；无光照时，屏幕显示的数字应为溢出符号“OL”或“1”。727.4.5 光敏晶体管的应用光敏晶体管的应用v 1.光敏二极管的应用光敏二极管的应用（1）光敏二极管反偏压状态（光导模式）光敏二极管反偏压状态（光导模式） 烟雾收集容器LED光敏二极

39、管烟雾颗粒图 7-22 烟雾检测器原理及电路图比较器报警器基准电压光敏二极管EE73v （2）光敏二极管零偏压状态（光伏模式）图7-24 有三个灵敏度的光照度表电路1M10M100MRfUoPI图7-24 有三个灵敏度的光照度表电路1M10M100MRfUoPI74v 2.光敏三级管的应用光敏三级管的应用图 7 -2 5 光 敏 三 极 管 基 本 应 用 电 路+ EU oU oa ) 有 光 照 输 出 高电 平 电 路b ) 有 光 照 输 出 低电 平 电 路+ ELRLR图7-25 光敏三极管基本应用电路+EUoUoa)有光照输出高电平电路b)有光照输出低电平电路+ELRLR7576

40、7.4.6 光敏晶体管的特点及应用注意事项光敏晶体管的特点及应用注意事项v 光敏二极管的光电流小，输出特性线性度好，响应时间快；可与可见光、远红外光光源配合使用。v 光敏三极管的光电流大，输出特性线性度较差，响应时间慢。一般要求灵敏度高，工作频率低的开关电路，选用光敏三极管，而要求光电流与照度成线性关系或要求在高频率下工作时，应采用光敏二极管。v 无论光敏二极管或光敏三极管，它们不仅对红外线敏感，对较强的日光和灯光也有作用，当光照过强时会使放大电路输出饱和而失控，应加红色有机玻璃滤光，以减少环境光所造成的影响。同时光敏晶体管的工作条件不要超过规定的最大极限参数，使用中要控制光照强度，以使通过光

41、敏晶体管的光电流不超过最大限额。此外由于光敏晶体管的灵敏度与入射光的方向有关，应尽量保持光源和光敏晶体管的位置不变。777.5 光电耦合器光电耦合器 光电耦合器OC (optical coupler)，亦称光电隔离器，简称光耦，它是把发光器件和光敏器件同时封装在一个外壳内，以光为媒介把输入端的电信号耦合到输出端的一种器件。 光电耦合器大致分为两类：一类是光隔离器，它是把发光器件和光敏器件对置在一起构成的，能够完成电信号的耦合、放大和传递。78+ +- -+ + + +- - - - -+ +C CC CE EE EA AK K）a 光敏二极管型光耦）c 达林顿管型光耦）d 晶闸管输出型光耦）b

42、 光敏三极管型光耦图7-28 常见的几种光耦类型 光隔离器的结构原理如图7-28所示。当输入电信号加到输入端发光器件上时，发光器件在电信号的作用下发光，光敏器件接收到该光信号并转换成电信号，然后将电信号直接输出（如图a），或者将电信号放大处理成标准数字电平输出（如图中b、c、d），这样就实现了“电光电的转换及传输，因为光是整个电路传输的媒介，因而输入端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离。 79v另一类是光传感器，有反光式和遮光式两种，图7-29所示的光电耦合器即属于此类。用光传感器可以测量物体的有无、个数和距离等物理量。a)窄缝透射式b)反射式图7-29 光传感器结构图807.5.2 光电

43、耦合器主要参数光电耦合器主要参数v 1）正向压降VF：二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降。 v 2）正向电流IF：在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。 v 3）反向电流IR：在被测管两端加规定反向工作电压VR时，二极管中流过的电流。 v 4）反向击穿电压VBR：被测管通过的反向电流IR为规定值时，在两极间所产生的电压降。 v 5）结电容CJ：在规定偏压下，被测管两端的电容值。 v 6）反向击穿电压V(BR)CEO：发光二极管开路，集电极电流IC为规定值时集电极与发射极间的电压降。 81v 7）输出饱和压降VCE(sat)：发光二极管工作电流IF和集电极电流I

44、C为规定值时，并保持IC/IFCTRmin时（CTRmin在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。 v 8）反向截止电流ICEO：发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。 v 9）电流传输比CTR：输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。v 10）脉冲上升时间tr、下降时间tf：光电耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IF大小的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%所需时间为脉冲上升时间tr，从输出脉冲后沿幅度的90%到10%所需时间为脉冲下降时间tf。 82

45、v 11）传输延迟时间tPHL、tPLH：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IF的脉冲波，输出端则输出相应的脉冲波，从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到 1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL。从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到 1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。 v 12）入出间隔离电容CIO：光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。 v 13）入出间隔离电阻RIO：光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。 v 14）入出间隔离电压VIO：光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。 837.5.3 常用光电耦合器型号及参数常用光电耦合器型号及参数848

46、57.5.4光电耦合器好坏及性能检测光电耦合器好坏及性能检测v 1.1.指针式万用表法指针式万用表法v 利用指针式万用表R100或R1K档测量发光二极管的正反向电阻，通常正向电阻为几百欧姆，反向电阻为几千欧姆或几十千欧姆，如果测量的正反向电阻阻值非常接近，则表明发光二极管性能欠佳或者已损坏。检查时要注意不要用R10K电阻档测量，因为此时万用表电池电压为9V15V，远远高于发光二极管1.5V2.3V 的工作电压，从而导致发光二极管被击穿。然后分别测量接收光敏三极管的集电极和发射极的正反向电阻，其阻值均应是无穷大，否则说明光敏三极管已经损坏。再用R10K档检查发射管与接收管之间的绝缘电阻，应为无穷

47、大。 867.5.4光电耦合器好坏及性能检测光电耦合器好坏及性能检测v .数字万用表检测法数字万用表检测法 ecb+-数字万用表+-指针式万用表PC1111245图7-30 光耦的数字万用表检测法hFE插口NPN档R1K档877.5.4光电耦合器好坏及性能检测光电耦合器好坏及性能检测v .光电效应判断法光电效应判断法 +-指针式万用表PC1111245R 1K档1.5V图7-31 光耦的光电效应检测法100887.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用v 1.1.在逻辑电路上的应用在逻辑电路上的应用 A AB B3003004 4N N2 25 54 4N N2 25 5+ +E EL

48、L10K1KV V3 3D DG G6 6图7-32 光耦实现的与门电路 光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更为可靠。图7-32电路为“与门”逻辑电路，其逻辑表达式为L=AB，图中两只光敏三级管串联，只有当输入逻辑电平A=1、B=1时，输出L=1，同理，还可以组成“或门”、“与非门”、“或非门”等逻辑电路。897.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用v 2.作为固体开关应用作为固体开关应用 907.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用v 3起隔离作用起隔离作用 917.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的

49、应用v 使用光耦隔离需注意以下几个问题： 1）光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题。 2）光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题。 3）如果输出有功率要求的话，还要考虑光耦的功率接口设计问题。 4）在光耦的输入输出部分必须分别采用独立的电源，若两端公用一个电源，则光耦的隔离作用将失去意义。 5）当用光耦来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号进行全部隔离，使得被隔离的两端没有任何电气上的联系，否则这种隔离没有意义。927.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用v 4.4.在脉冲放大电路中的应用在脉冲放大电路中的应用 光电耦合器应用于数字电光电耦合器应用于数字电路，可

50、以将脉冲信号进行放路，可以将脉冲信号进行放大。如图大。如图7-357-35所示为光耦组所示为光耦组成的电压反馈脉冲放大器的成的电压反馈脉冲放大器的原理图，其输出脉冲与输入原理图，其输出脉冲与输入脉冲同频率，脉冲幅值放大脉冲同频率，脉冲幅值放大倍数取决于倍数取决于R2R2和和R1R1的比值和的比值和电源电压。电源电压。937.5.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用v 5.5.电平转换电平转换各种集成电路所用的电源电压是各种集成电路所用的电源电压是不同的，如在一个系统中用二种不同的，如在一个系统中用二种材料的集成电路芯片，一起使用材料的集成电路芯片，一起使用时需要进行电平的转换。另外各时需要

51、进行电平的转换。另外各种传感器的电源电压有时也难于种传感器的电源电压有时也难于与集成电路相同，故也需要进行与集成电路相同，故也需要进行电平转换。图电平转换。图7-367-36是是CMOSCMOS电路电电路电平转到平转到TTLTTL电路电平的电路图。电路电平的电路图。该电路中输入的是该电路中输入的是20V20V到到0V0V的的脉冲，输出的是脉冲，输出的是0V0V到到5V5V的脉冲，的脉冲，前后电路完全隔离的，实现了不前后电路完全隔离的，实现了不同电平标准之间的转换。同电平标准之间的转换。947.6 光电池光电池v光电池是一种用途很广的光敏器件，其优点是体积小、重量轻、寿命长、性能稳定、光照灵敏度

52、较高、光谱响应频带较宽且本身不耗能，是小型化、微功耗仪器中常用的换能器件。当光电池受到光照时不需要外加其它形式的能量即可产生电流输出，电流大小反应了光照强度大小。957.6.1 光电池原理与结构光电池原理与结构v1.1.光电池原理光电池原理光） a 光电池的结构图RL）b 光电池的工作原理示意图SiO2光I图7-37 光电池的结构和工作原理示意图96v2.2.光电池结构光电池结构v光电池实质是一个大面积的光电池实质是一个大面积的PNPN结，其结构如图结，其结构如图7-37a7-37a所所示，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射示，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射膜，用以增加透光

53、，减小反射，下电极是一层衬底铝。膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。当光照射当光照射PNPN结的一个面时，由此产生的电子空穴对迅结的一个面时，由此产生的电子空穴对迅速扩散，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，一般可产生电动势，一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压，约电压，约50mA50mA左右大左右大小电流。小电流。97v 3.光电池电路符号与外观光电池电路符号与外观 图7-39 常见光电池的外观IUIdIIULRa)光电池符号b)基本工作电路c)光电池等效电路图7-38 光电池符号和基本工作电路987.6.2 光电

54、池特性及参数光电池特性及参数v 1.1.光谱特性光谱特性v 图图7-407-40可见，硒光电池在可可见，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在度，峰值波长在540nm540nm附近，附近，在人眼的视觉范围内，因此在人眼的视觉范围内，因此适宜测量可见光。硅光电池适宜测量可见光。硅光电池应用的光谱范围是应用的光谱范围是400nm400nm1100nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm850nm附附近，其光谱应用范围比硒光近，其光谱应用范围比硒光电池的更宽。电池的更宽。 硒硅相对灵敏度I/%/ nm入射光波长图7-40 光电池的光谱特性99v 2.光照

55、特性光照特性100101v3.3.频率特性频率特性v 光电池的频率特性是指其输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。v 从光电池的频率响应曲线（图7-43）可知，硅光电池频率响应较好而硒光电池较差。102v 4.4.温度特性温度特性v 光电池的温度特性是指其开光电池的温度特性是指其开路电压和短路电流随温度变路电压和短路电流随温度变化的关系。由图化的关系。由图7-447-44可见，可见，开路电压与短路电流均随温开路电压与短路电流均随温度的变化而变化，它将关系度的变化而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或

56、控温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标。制精度等主要指标。1037.6.3部分常用光电池的型号参数部分常用光电池的型号参数1047.6.4 光电池的应用光电池的应用v 1.1.太阳能电池电源太阳能电池电源105v 2 2光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池在光电检测和自动控制方面的应用（1 1）光探测器）光探测器106v （2）光电池作为控制元件的应用107108光纤光纤光导纤维，是由光导纤维，是由石英、玻璃、石英、玻璃、塑料塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。纤维，是一种理想的光传输线路。光纤传感器光纤传感器（Fib

57、er Optic Sensor，FOS）兴起于兴起于20世纪世纪70年代，是一类较新的光敏器年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、强度、频率、波长、相位、偏振态波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。等特性产生变化来工作。可以测量可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、位移、加速度、压力、温度、磁、声、电声、电等物理量。等物理量。7.7 光纤传感器光纤传感器1097.7.1 光纤传感器基本理论光纤传感器基本理论v1.1.光纤的结构光纤的结构 光纤光纤通常由通常由纤芯、

58、包层纤芯、包层及及护套护套组成。纤芯是由玻璃、组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5 5150150m m。包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯的折射率包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯的折射率n n1 1稍大于稍大于包层的折射率包层的折射率n n2 2。外套起保护光纤的作用。较长的光纤又。外套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆称为光缆。2.2.光纤波导的原理光纤波导的原理110 2.2.光纤波导的原理光纤波导的原理 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角1由光密介质1射向光疏介质2(即n1n

59、2)时(见图9.2)，则一部分入射光将以折射角2折射入介质2，其余部分仍以1反射回介质1。图7-49 光在两介质界面上的折射和反射111依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有 (7-6 ) 当1角逐渐增大，直至1=c时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(2=90)。对应于2=90时的入射角1称为临界角c；由式(7-7)则有 (7-7 ) 由图(7-48)和图(7-49)可见，当1c时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。2211sinsinnn12sinnnc112 同理，由图7-49和Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为 (9-3) 上式的sini0即为光纤的“数值孔径”NA(NumericalAperture)，它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2c张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.20.4。22012sininn1137.7.2光纤传感器分类光纤传感器分类光纤光源光敏元件空载波调制波传感元件被测对象图7-51 功能型光纤传感器示意图光纤光源光敏元件空载波调制波传感