第8章23光敏传感器100601

1、主要内容：主要内容： 光电式传感器通常能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号。喜马拉雅山东侧 印度恒河 墨西哥的活火山 美宇航局给这组照片起了一个令人无限遐想的名字“地球艺术”(Earth Art)，将利用其来研究地球不断变化的地形及从上升的海平面到采伐森林等环境变化。1999年，美宇航局地球资源卫星携带的先进仪器增强型专题制图仪(ETM+)捕捉到落基山部分上石炭地形一张“伪彩色”(false-colour)照片。之所以称为“伪彩色”，是因为摄像机使用的过滤器主要用于捕捉环境现象，以利于研究人员深入研究。一、应用领域：一、应用领域：工业、农业、航天、军事等工业、农业、航天、

2、军事等(1) (1) 零件的识别与定位零件的识别与定位1 1、工业检测、工业检测例：双目立体视觉检测系统例：双目立体视觉检测系统 简单视觉的机器人系统简单视觉的机器人系统 自动连接引线、对准自动连接引线、对准芯片和封装；芯片和封装； 自动安装部件，自动焊自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自接或自动切割加工、自动浇注系统等。动浇注系统等。 (2) (2) 零件尺寸的在线测量零件尺寸的在线测量(3) (3) 零件外观及内部缺陷检测零件外观及内部缺陷检测芯片定位芯片定位芯片管脚检测芯片管脚检测钢板厚度的在线测量钢板厚度的在线测量 木料检测原理木料检测原理例：木料检测：缺陷、体积例：木料检测：缺陷

3、、体积 (3) (3) 产品分类、分组产品分类、分组(5) (5) 产品标识、编码识别产品标识、编码识别苹果分级、分色、配色苹果分级、分色、配色商品条码、印鉴、标签商品条码、印鉴、标签“手手-眼眼”定位：定位： 两个摄像机两个摄像机 - 两幅平面图像两幅平面图像 - 三维场景信息三维场景信息 用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航 无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人实例：美国实例：美国Sojourner系列和系列和Rocky系列火星探测移动机器人系列火

4、星探测移动机器人2 2、机器人导航、机器人导航“机遇机遇”号火星车拍摄号火星车拍摄火星土壤的显微照片火星土壤的显微照片 “勇气勇气”号火星车号火星车发回的彩色照片发回的彩色照片美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人3、生物医学图像分析、生物医学图像分析（1）医学临床诊断）医学临床诊断 ： X射线、射线、B超、超、CT、核磁共振（、核磁共振（MRI）医学影像融合分析医学影像融合分析 细胞个数统计细胞个数统计 CT图像图像 自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象三维人体扫描三维人体扫描（2）生物图像分析：形状、组织

5、切片、染色体配对、细菌、病毒、）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、 病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析叶片细胞显微放大图片叶片细胞显微放大图片 转基因大豆孢子转基因大豆孢子例：水果分类；发芽土豆；杂草识别例：水果分类；发芽土豆；杂草识别 4 4、遥感图像分析：、遥感图像分析：卫星遥感图像卫星遥感图像 - 气象卫星（红外成象气象卫星（红外成象 - 云图云图 - 气象状况）气象状况） 资源卫星（多光谱成象资源卫星（多光谱成象 - 地质、矿藏、森林、灾害）地质、矿藏、森林、灾害） 海洋卫星（合成孔径雷达成象

6、海洋卫星（合成孔径雷达成象 - 海洋、海浪、海滩）海洋、海浪、海滩） 航空摄影图像航空摄影图像 - （多目成象（多目成象 - 大地测量、测绘）大地测量、测绘）交通交通 - 车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测安全安全 - 指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）监视监视 - 超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视6、军事与国防：军事与国防：5、监控、安防、交通管理：监控、安防、交通管理：超低空雷达、超视距雷

7、达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象7、办公与家电：办公与家电：办公设备办公设备 - 数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器家用电器 - 数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃二、视觉系统的一般构成二、视觉系统的一般构成光源图像卡场景摄像机计算机典型视觉系统典型视觉系统工作原理：工作原理： 光光 敏感元件敏感元件 电电 （光电元件）（光电元件） 光源光源光通路光通路光电元件光电元件

8、测量电路测量电路光光光光电电电电yx1x2传感器：传感器：单目视觉：一个摄像组件（镜头单目视觉：一个摄像组件（镜头+摄像机）摄像机）多目视觉：多个摄像组件（镜头多目视觉：多个摄像组件（镜头+ +摄像机）摄像机）图像采集部分、图像处理部分、通信和图像采集部分、图像处理部分、通信和I/O部分以及输出和执行机构部分以及输出和执行机构图像采集系统：可视化图像或特征图像采集系统：可视化图像或特征数据数据场景场景镜头镜头光源光源摄像机摄像机图像存储体图像存储体计算机计算机输出输出镜头镜头摄像机摄像机镜头镜头摄像机摄像机控制控制电缆电缆视觉系统流程图视觉系统流程图图像质量好图像质量好 图像处理简单、结果理想

9、图像处理简单、结果理想图像质量差图像质量差 图象处理麻烦、结果不理想图象处理麻烦、结果不理想由由光源、镜头、摄像机、图像采集卡等构成光源、镜头、摄像机、图像采集卡等构成1、眼睛的结构及成像、眼睛的结构及成像人类视觉人类视觉 眼睛眼睛计算机视觉计算机视觉 图像输入系统图像输入系统晶状体晶状体 镜头；视网膜镜头；视网膜 像敏面；像敏面；远物体远物体 晶状体扁平晶状体扁平 屈光能力小屈光能力小 距离大（最大距离大（最大17mm)近物体近物体 晶状体厚晶状体厚 屈光能力大屈光能力大 距离小（最小距离小（最小14mm)物体光谱光谱 - 紫外紫外 可见光可见光 红外红外2 2、电磁波谱、电磁波谱可见光谱可

10、见光谱 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指纹锁指纹锁指纹门禁指纹门禁光光 电电 鼠鼠 标标概述概述光电开关概述概述光栅光栅光纤光纤光电管光电管光敏电阻光敏电阻一、光敏式传感器 将光量转换为电量的传感器光电器件的物理基础是光电效应 1.光电效应及光电器件 (1)外光电效应 光线作用下，物质内的电子逸出物体表面而向外发射的现象 外光电效应根据爱因斯坦假设，一个光子的能量只能给一个电子电子从物质表面逸出，光子能量必须大于物质表面的逸出功 A0逸出表面的电子具有动能 Ek： 20012kEmvhvA=-(3-42)式中： m电子质量； v0 电子逸出时的初速度； h普朗克

11、常数，h=6.2610-34js； v 光的频率。 光电子逸出时的初始动能 Ek与光的频率有关 频率高，则动能大逸出功因材料不同而异材料都有一个频率限 入射光的频率低于频率限，不论光强多大，也不能激发出电子 入射光的频率高于频率限，光线微弱也会有光电子发射 该频率限称为“”20012kEmvhvA=-(3-42) 基于外光电效应的光电发射型器件有： 光电管 光电倍增管光电管有： 真空光电管 充气光电管在一个真空的玻璃泡内装有两个电极： 光电阴极 光电阳极光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料 如：铯（Cs）光线照射到光敏材料上便有电子逸出逸出电子被具有正电位的阳极所吸引 在光电管内形成空间电子流

12、在外电路中产生电流 若外电路串入电阻电阻上的电压降或电路中的电流大小与光强成函数关系 从而实现光电转换 (2) 内光电效应 受光照的物体(通常为半导体材料)电导率发生变化 或产生光电动势的效应称为内光电效应内光电效应按工作原理分为两种： 光电导效应 光生伏特效应 (2) 内光电效应 半导体材料受到光照会产生电子-空穴对，其导电性能增强光线愈强，阻值愈低 光照后电阻率发生变化的现象称为光电导效应光电导效应的光电器件有： 光敏电阻(光电导型) 反向工作的光敏二极管 光敏三极管(光电导结型) 光电导效应 光敏电阻是一种电阻元件优点： 灵敏度高 体积小 重量轻 光谱响应范围宽 机械强度高 耐冲击和振动

13、 寿命长 在黑暗的环境下，阻值很高受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度VEg的光子激发由价带越过禁带而跃迁到导带，使其导带的电子和价带的空穴增加 电阻率变小光敏电阻常用的半导体材料有： 硫化镉(CdS，VEg2.4eV) 硒化镉(CdSe，VEg1.8eV) 光敏电阻的工作原理图(2) 内光电效应 光敏管工作原理与光敏电阻相似 差别在于光照在半导体结上光敏二极管的P-N结装在管的顶部 上面有一个透镜制成的窗口 以便入射光集中在P-N结上 光敏管及其符号 光敏二极管在电路中反向偏置无光照时，流过的反向电流很小 因为P型材料中的电子和N型材料中的空穴很少光照射

14、在P-N结上时 耗尽区内吸收光子而激发的电子-空穴对越过结区，使少数载流子浓度大增，通过P-N结产生稳态光电流 漂过光敏二极管结区的电子-空穴对立刻被重新俘获，故增益系数为1特点：体积小，频率特性好，弱光下灵敏度低 结构与光敏二极管相似有两个P-N结基极大多无引出线仅有集电极和发射极两端引线 当集电极上相对于发射极为正的电压而不接基极时，基极-集电极的结反向偏置当光照射在基极-集电极结上时，就会在结附近产生电子-空穴对，从而形成光电流(约几A)，输出到三极管的基极集电极电流是光生电流的倍(是三极管的电流放大倍数)光敏三极管具有放大作用优点：电流灵敏度高 NPN型光敏三极管的结构及图示符号(2)

15、 内光电效应 光生伏特效应 半导体材料P-N结受到光照后 产生一定方向的电动势的效应光生伏特型光电器件是自发电式的有源器件常用的光生伏特型器件： 以可见光做光源的光电池常用的光电池材料： 硒、硅、锗 硅光电池也称硅太阳能电池用单晶硅制成 在N型硅片上用扩散法掺入P型杂质 形成一个大面积的P-N结 P层做得很薄 使光线能穿透到P-N结上 硅太阳能电池特点： 轻便 简单 不会产生气体或热污染 易于适应环境凡是不能铺设电缆的地方都可采用太阳能电池尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器 工作原理： 首先将被测量的变化转换成光信号变化 然后通过光电转换元件

16、变换成电信号 可用于检测直接引起光量变化的非电量，如： 光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等 也可用于检验能转换成光量变化的其他非电量，如： 零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度、物体形状、工作状态识别等 2.光电式传感器的形式 光电测量方法灵活多样，可测参数众多 优点： 非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快 种类： 激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维 光电传感器在检测和控制领域应用广泛 光电传感器按接收状态可分为： 模拟式光电传感器 脉冲式光电传感器 工作原理是基于光电元件的光电特性 光通量随被测量而变，光电流就成为被测量的函数 故又称为函数运用状态型光电

17、传感器(1)模拟式光电传感器 被测物体位于恒定光源与光电元件之间根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数，如： 测量液体、气体的透明度、混浊度 对气体进行成分分析 测定液体中某种物质的含量(1)模拟式光电传感器 吸收式恒定光源发出的光投射到被测物体上被测物体把部分光通量反射到光电元件上根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质，如： 测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等(1)模拟式光电传感器 反射式被测物体位于恒定光源与光电元件之间光源发出的光通量经被测物遮去其一部分 使作用在光电元件上的光通量减弱 减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关利用原理可以测量：长度、厚度、线

18、位移、角位移、振动等(1)模拟式光电传感器 遮光式被测物体本身就是辐射源直接照射在光电元件上或经过一定的光路后作用在光电元件上，如： 光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等可以用于防火报警和制成光照度计等 (1)模拟式光电传感器 辐射式脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态 “通”的开-关状态 光电元件的开关运用状态这类传感器要求光电元件灵敏度高，光电特性的线性要求不高主要用在零件或产品的自动计数、光控开关、计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等 (2)脉冲式光电传感器 光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光在光线作用下，

19、物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。光电池光电池外形外形光敏面光敏面能提供较大电流的大能提供较大电流的大面积光电池面积光电池外形外形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的光电特性光电池的光电特性 一个典型的一个典型的硅光电池的光电特性硅光电池的光电特性 1 1开路电压曲线开路电压曲线 2 2短路电流曲线短路电流曲线 开路电压为开路电压为 对数特性对数特性短路电流为短路电流为 线性特性线性特性 8.2

20、.2 8.2.2 光电器件光电器件 （2 2）光敏电阻）光敏电阻 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 结构：在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，结构：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。两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。 光敏电阻结构及符号光敏电阻结构及符号 光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻受当光敏电阻受到光照时，到光照时，光生光生电子电子空穴对增空穴对增加，加，阻值减小，阻值减小，电流增大。电流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 （2

21、2）光敏电阻）光敏电阻（2）光敏电阻）光敏电阻原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照-电子-空穴对很少-电阻大(暗电阻) 有光照-电子-空穴对增多-导电性增强 特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定 批量生产，价格便宜 应用：工业自动化-开关元件，快速响应 家电-(感应式节能灯：判断照度)特性：光照特性为非线性，光谱特性存在单峰，动态特性好 光照特性结构：金属封装-防潮光谱特性动态特性光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性 无无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值； 有光照时，电阻值随光强增加而降低；有光照时，电阻值随光强增加而降低； 光照

22、停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻光敏电阻主要参数光敏电阻主要参数 暗电阻暗电阻 无光照时的电阻；无光照时的电阻； 暗电流暗电流 无光照时的电流；无光照时的电流； 亮电阻、亮电流亮电阻、亮电流 受光照时的阻值、电流；受光照时的阻值、电流； 光电流光电流 亮电流与暗电流之差称亮电流亮电流与暗电流之差称亮电流 。 伏安特性伏安特性 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； 给定光照度给定光照度 电压越大光电流越大；电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性光

23、敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和，曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 光照度光照度 Lx = lm Lx = lm （流明）（流明）/s /s 单位面积的光通量单位面积的光通量 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 （2 2）光敏电阻）光敏电阻 基本特性基本特性光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性 光谱特性光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关光敏电阻灵敏度与入射波长有关; ; 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关， 材料与相对灵敏度峰位波长材料与相对灵敏度峰位波长 例图：例图： 硫化镉（硫化镉（CdSCdS）0.30.30.8

24、(m) 0.8(m) 硫化铅（硫化铅（PbSPbS）1.01.03.5(m) 3.5(m) 硫化铊（硫化铊（TlSTlS）1.01.07.3(m) 7.3(m) 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 （2 2）光敏电阻）光敏电阻 基本特性基本特性光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 温度特性温度特性 温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电电电流和光谱响应。电流和光谱响应。 温度温度T ，波长波长变短。变短。 光敏电阻温度特性光敏电阻温度特性8.2.2 8.2.2 光器件光器件 （2 2）光敏电阻）光敏电阻 基本特性基本特性光敏电阻开关电路光敏电阻开关电路, ,有

25、光照时，光敏电阻有光照时，光敏电阻RgRg下降下降8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 （2 2）光敏电阻）光敏电阻应用应用Rg光敏电阻在声、光控开关中的应用光敏电阻在声、光控开关中的应用应用应用8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 （2 2）光敏电阻）光敏电阻白天白天，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截止，截止，H灭；灭； 晚上，晚上，Rg大，大， VT2截止，截止，VT3由由VT1控制，待机，控制，待机，VT2失去对失去对VT3控控制压电陶瓷片制压电陶瓷片B接接收声音触发信号，收声音触发信号，VT3导通，导通，VT4截截止，晶闸管止，晶

26、闸管VS导导通，通，H点亮；点亮； 同时同时D整流压降突然下整流压降突然下降降VT3保持低电压，保持低电压，保持保持VS通，通， H亮亮后，后，C3经电阻缓经电阻缓慢放电，直到不再慢放电，直到不再维持维持VT4截止。截止。HB 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高特点：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测，以及自动控制、自动广泛应用于可见光和远红外探测，以及

27、自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。报警、自动计数等领域和装置。 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敏二极管光敏二极管 将光敏二极管的将光敏二极管的PN PN 结结设置在透明管壳顶部的正下设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的方，光照射到光敏二极管的PNPN结时，电子结时，电子- -空穴对数量增空穴对数量增加，光电流与照度成正比。加，光电流与照度成正比。 光敏二极管外形光敏二极管外形 光敏二极管阵列光敏二极管阵列 包含包含10241024个元件的线性光个元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。电二极管阵列，可用于分光镜。红外发射、接收对管外形红外发射

28、、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管光敏二极管光敏二极管（光电二极管, PD: Photo-Diode） 原理： 半导体PN结- 无光时-高阻特性，微弱电流暗电流，A； 光照时-电子N,空穴P 光电流 光照愈强 - 光电流愈大PN光照特性光敏三极管光敏三极管（光电三极管, PT: Photo-Triode） 原理：光敏二极管（bc结）+ 三极管应用：线性转换元件，开关元件， 特点：灵敏度高于光敏二极管，特性：光照特性-灵敏度和线性好，光谱特性-单峰性光谱特性 光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个个P PN N结，并且都是单向

29、导电的非线性元件。为了提结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，高转换效率大面积受光，PNPN结面积比一般二极管大。结面积比一般二极管大。硅光敏二极管结构硅光敏二极管结构 注：注：发光二极管与光敏二极管不同，发光二极管与光敏二极管不同，发光二极管利用固体材料发光（电发光二极管利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色不同，致发光），材料不同发光颜色不同，是一种将电能是一种将电能 光能的器件，加光能的器件，加正向电压时，在正向电压时，在N-PN-P的电子、空穴的电子、空穴结合过程中发射一定频率的光信号。结合过程中发射一定频率的光信号。 工作时加正向电压工作时加正向电压。

30、 光敏二极管光敏二极管8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管+ +- - -+ + -+ -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， 无光照时，反向电阻很大，无光照时，反向电阻很大， 反向电流很小；反向电流很小； 有光照时，有光照时，PNPN结处产生光生结处产生光生 电子空穴对；电子空穴对； 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

31、路 光敏二极管光敏二极管8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管R RE EDgDgI Iv 基本特性：基本特性： 光照特性光照特性 图是硅光敏二极管在小负载电阻下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。 光谱特性，光谱特性， 当入射波长当入射波长0.9m0.9m时响应下降，时响应下降， 因波长长光子能量小于禁带宽度，因波长长光子能量小于禁带宽度， 不产生电子、空穴对；不产生电子、空穴对； 当入射波长当入射波长0.9m0.9m时，响应也逐时，响应也逐 渐下降，波长短的光穿

32、透深度小，渐下降，波长短的光穿透深度小， 使光电流减小。使光电流减小。8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管光敏二极管 伏安特性伏安特性 当反向偏压较低时，光电流当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于加偏压几乎无关，只取决于光照强度。光照强度。 温度特性，温度特性， 由于反向饱和电流与温度密由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的切有关，因此光敏二极管的暗电流

33、对温度变化很敏感。暗电流对温度变化很敏感。 光敏二极管光敏二极管8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 频率响应频率响应: : 光敏管的频率响应是指光敏光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关管输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系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。光波长等因素有关。 图中图中光敏二极管频率响应曲线说明，光敏二极管频率响应曲线说明，调制频率高于调制频率高于1000Hz1000Hz时，硅光敏时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。

34、晶体管灵敏度急剧下降。光敏二极管频率响应曲线 光敏二极管光敏二极管8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 与普通晶体管不同的是，光敏与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极晶体管是将基极集电极结作为光集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。照面积。 大多数光敏晶体管的基大多数光敏晶体管的基极无引线，无论极无引线，无论NPNNPN、PNPPNP一般集电一般集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区

35、。让光照射到基区。 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管光敏三极管光敏晶极管结构光敏晶极管结构 NNPc cb be e硅（硅（SiSi）光敏晶体极管一般都是）光敏晶体极管一般都是NPNNPN结构，结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管

36、输出电流，使晶体管具有电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。流增益。 0gLVi R晶体管电流放大系数晶体管电流放大系数 光敏三极管光敏三极管8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管在负载电阻在负载电阻RLRL上的上的输出电压为：输出电压为： NNPc cb be e+ +- -所以光敏晶体管对光信号具有放大作用所以光敏晶体管对光信号具有放大作用 光敏三极管光敏三极管8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管伏安特性曲线光敏晶体管伏安特性曲线光敏晶体管等

37、效电路光敏晶体管等效电路 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； 探测可见光或赤热状探测可见光或赤热状 物体时波长短物体时波长短0.9m 0.9m 一般都用硅管；一般都用硅管； 锗管的峰值波长约为锗管的峰值波长约为 1.5m1.5m（红外光）（红外光） 对红外进行探测时用对红外进行探测时用 锗管较适宜。锗管较适宜。 P134P134基本参数基本参数 光敏晶体管光谱特性 光敏三极管光敏三极管8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二

38、极管和光敏三极管 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； 探测可见光或赤热状探测可见光或赤热状 物体时波长短物体时波长短0.9m 0.9m 一般都用硅管；一般都用硅管； 锗管的峰值波长约为锗管的峰值波长约为 1.5m1.5m（红外光）（红外光） 对红外进行探测时用对红外进行探测时用 锗管较适宜。锗管较适宜。 P134P134基本参数基本参数 光敏晶体管光谱特性 光敏三极管光敏三极管8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (3) (3) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光

39、敏三极管光敏二极管光敏二极管（光电二极管, PD: Photo-Diode） 原理： 半导体PN结- 无光时-高阻特性，微弱电流暗电流，A； 光照时-电子N,空穴P 光电流 光照愈强 - 光电流愈大PN光照特性光敏三极管光敏三极管（光电三极管, PT: Photo-Triode） 原理：光敏二极管（bc结）+ 三极管应用：线性转换元件，开关元件， 特点：灵敏度高于光敏二极管，特性：光照特性-灵敏度和线性好，光谱特性-单峰性光谱特性 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，太阳能光能转换成电能的器件。

40、有光线作用时就是电源，太阳能电池，所以广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控电池，所以广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。制等。 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。硒、硅光电池转换效率高、电池、砷化镓、氧化铜等等。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。宇宙射线。 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件） 光光 电电 池池 符符 号号太阳能手机充电器太阳能手机充电器

41、太阳能供 LED电警示太阳能电池8.2.2 8.2.2 光电器光电器件件 (5) (5) 光电池光电池 结构：光电池实质是一个大面积结构：光电池实质是一个大面积PNPN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：当光照射原理：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。一般可产生一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压电压50mA50mA电流。电流。 光电池结构光

42、电池结构 光电池工作原理图光电池工作原理图 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (5) (5) 光电池光电池光电池符号光电池符号 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光生电动势与照度之间关系；开路电压与光照度关系是非关系；开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压在照度线性关系，开路电压在照度2000lx2000lx趋于饱和，非线性。趋于饱和，非线性。 短路电流短路电流光电流与照度之间关系光电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外称短路电流曲线，短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光电流。接负载相对内阻很小时的光电流。 实验证明，实验证明，RLRL小线性范围好，

43、具体小线性范围好，具体根据光照大小而定，通常根据光照大小而定，通常RL100 RL100 作控制元件时当电流源使用。作控制元件时当电流源使用。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 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (5) (5) 光电池光电池RLRL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， 硅光电池的光谱响应峰值在硅光电池的光谱响应峰值在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。 硒光电池光谱响应峰值在硒光电池光

44、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。8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (5) (5) 光电池光电池频率特性频率特性 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。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。 硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池频率响应较好硒光硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池频率响应较好硒光电池较差。电池较差。 所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。所以高速计数器的转换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 温度特性温度特性 特性参数特性

45、参数 P137 P137 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (5) (5) 光电池光电池硅管的发射结导通电压为硅管的发射结导通电压为0.6V0.6V0.7V0.7V，光电池的，光电池的0.5V 0.5V 电压起不到控制作用，可将两个光电池串联后接入基极，电压起不到控制作用，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，或用偏压电阻、二极管产生附加电压。有光照度变化时， 引起基极电流引起基极电流IbIb变化，集电极电流发生变化，集电极电流发生倍的变化。电倍的变化。电 流流IcIc与光照近似线性关系。与光照近似线性关系。 （应用（应用P145P145）v

46、光电池电路连接光电池电路连接 光电池作为电源使用时的不同连接。光电池作为电源使用时的不同连接。需要高电压时应将光电池串联使用；需要高电压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。光电池电路连接光电池电路连接 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (5) (5) 光电池光电池 光电池作为控制元件时作为电流源的形式应用，通常光电池作为控制元件时作为电流源的形式应用，通常接非线性负载，如接在基极控制晶体管工作。接非线性负载，如接在基极控制晶体管工作。 PINPIN型硅光电二极管，高速光电二极管，型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达响应时间达1n

47、S1nS，适用于遥控装置。，适用于遥控装置。 雪崩式光电二极管，具有高速响应和放雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大功能，高电流增益，可有效读取微弱大功能，高电流增益，可有效读取微弱光线，用于光线，用于0.8m0.8m范围的光纤通信、光范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。磁盘受光元件装置。 光电闸流晶体管（光激可控硅），由入光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通的可控硅元件。射光线触发导通的可控硅元件。 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件(6) (6) 其他光电管其他光电管 达林顿光电三极管（光电复合晶体管），达林顿光电三极管（光电复合晶体管），输入是光电三极管，输出是普通晶体

48、管，输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益大，增益大，I=II=Ig gI I1 1I I2 2 作驱动。作驱动。 光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、低、体积小等优点。广泛用于对微弱信号体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检测。和紫外光的检测。 半导体色敏传感器，可直接测量从可见光半导体色敏传感器，可直接测量从可见光到红外波段的单色辐射波长。到红外波段的单色辐射波长。 复复 合合 管管I1I1I2I2I I+ +8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (6) (6) 其他

49、光电管其他光电管 光电耦合器件光电耦合器件 又称光电隔离器（器件的光信号封闭）又称光电隔离器（器件的光信号封闭）“光耦光耦”器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光管阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控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。通过电制输出电流大小。通过电光、光光、光电，两次电，两次转换进行输入输出耦合。转换进行输入输出耦合。 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (6) (6) 其他光电管其他光电管 光电耦合器件光电耦合器件 “光

50、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，有输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，绝缘电独立的输入输出抗，绝缘电阻在阻在1 1万兆以上。器件有很强万兆以上。器件有很强的抗干扰能力和隔离性能，的抗干扰能力和隔离性能，可避免振动、噪声干扰。特可避免振动、噪声干扰。特别适宜工业现场做数字电路别适宜工业现场做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔开关信号传输、逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。统中做无触点开关等。8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (6) (6) 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

51、高压点火器确认电路P1458.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (6) (6) 其他光电管其他光电管 透射式，当不透明物质位于中透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器产生间时会阻断光路，接受器产生相应的电信号。相应的电信号。 反射式，光电开关的发射与接反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，以受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为待测某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射接受元件接收到物体表面反射的光线。的光线。光电开关结构与外形光电开关结构与外形 P139P139 光电开关光电开关 （由外部光

52、信号控制由外部光信号控制） 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (6) (6) 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电开关结构与外形光电开关结构与外形 P139P139 光电开关光电开关 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (6) (6) 其他光电管其他光电管光电开关基本电路光电开关基本电路R RR R+V+VCCCC 8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (7) (7) 光电器件的测量方法光电器件的测量方法 透射式透射式反射式反射式8.2.2 8.2.2 光电器件光电器件 (7) (7) 光电器件的测量方法光电器件的测量方法

53、8.2.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 、光源本身是被测物的应用实、光源本身是被测物的应用实例例 光的照度光的照度E的单位是的单位是lx（勒勒克斯），它是常克斯），它是常用的光度学单位用的光度学单位之一，它表示受之一，它表示受照物体被照亮程照物体被照亮程度的物理量，可度的物理量，可以用照度计来测以用照度计来测量。量。 光电池光电池（外加柔（外加柔光罩）光罩）1.1.红外线辐射温度计：红外线辐射温度计： 红外辐射温度计既可用于高温红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红

54、外辐射温度计的温度范围可以从的红外辐射温度计的温度范围可以从-30-3030003000，中间分成若干个不同，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。的规格，可根据需要选择适合的型号。红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光仅激光仅 用于瞄准用于瞄准红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度红外线辐射温度计计用于食品温度用于食品温度测量测量红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量 红外线辐射温度计在非接红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用触温度

55、测量中的应用集成集成IC 温度测量温度测量 红外线辐射温度计在非接触温度测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）中的应用（续）利用红色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食）红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）（续）利用红色激光瞄准被利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花测物（电控柜、天花板内的布线层）板内的布线层）温度温度 采集系统采集系统比色式温度传感器温度非接触比色式温度传感器温度非接触测量中的应用测量中的应用 比色式温度传感器采用比色式比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标（双

56、波段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的的非接触测温，用户不需知道物质的发射率发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准准 , ,测量小目标，可不考虑距离系数，测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。可准确测量。 比色温度计比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如 : :烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。场。2.2.热

57、释电传感器在人体检测、报警中的应用热释电传感器在人体检测、报警中的应用 热释电元件在红外线检测中得到广热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。门、自动灯的控制等。 热释电元件外形热释电元件外形 热释电传感器简介热释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重提出过利

58、用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；

59、开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等或数码照相机自动记录动物或人的活动等等 您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。热释电传感器的内部电路热释电传感器的内部电路两块反向两块反向串联的热串联的热释电晶片释电晶片场效应管场效应管热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每

60、一透镜单元都只有一个不大的视镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是件前面，它是“视而不见视而不见”的。的。 菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透菲涅尔透镜镜热释电晶片热释电晶片菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离透镜