第7章 光电式传感

1、12光电式传感器光电式传感器光电式传感器是以光电式传感器是以光电效应光电效应为基础，将光信号转换成电信为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。领域中。工业生产和现实生活中光电传感器的应用工业

2、生产和现实生活中光电传感器的应用非常广泛非常广泛，现，现举几个常见的实例。举几个常见的实例。 3光电式传感器光电式传感器照相机自动测光工业测光亮度传感器通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。4光电式传感器光电式传感器光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移与光敏晶体管组合来测量位移5光电式传感器光电式传感器6光电式传感器光电式传感器一、一、 光电效应光电效应 光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面。所谓子轰击这些物体的表面。所

3、谓光电效应光电效应是指物体吸收了光能是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。 光电效应一般分为光电效应一般分为外光电效应、内光电效应和光生伏特外光电效应、内光电效应和光生伏特效应效应三类。后两类又称为三类。后两类又称为内光电效应内光电效应，根据这些效应可制成，根据这些效应可制成不同的光电转换器件不同的光电转换器件(或称光敏元件或称光敏元件)。 77 光电式传感器光电式传感器87 光电式传感器光电式传感器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发射的现象称为在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电

4、效应外光电效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光其中，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。电效应的物质称为光电材料。 根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量E 大于该大于该物体的表面逸出功物体的表面逸出功A0。h h_普朗克常数普朗克常数 f_光的频率光的频率; ;hfE 每个光子具有的能量：每个光子具有的能量：光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰

5、击这些物体。些物体。97 光电式传感器光电式传感器 1当光子能量大于逸出功时，才会有光电子发射出来，才会产生外光电效当光子能量大于逸出功时，才会有光电子发射出来，才会产生外光电效应。应。各种不同的材料具有不同的逸出功各种不同的材料具有不同的逸出功A0，因此对某特定材料而言，将有，因此对某特定材料而言，将有一个频率限一个频率限f0(或波长限或波长限0)，称为，称为“红限红限”。显然，如果入射光的频率低与显然，如果入射光的频率低与于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。当入射于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。当入射频率高于频率高于fo时，不管它多么微弱

6、也会使被照射的物体激发电子，光越强则激时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。发出的电子数目越多。 2当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。 3由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需加反向电压才能使其截止。加反向电压才能使其截止。也就是单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使也就是单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使自由电子的能量增加自由电子的能量增加hf。这些能量一部分用作电子逸出物体。

7、这些能量一部分用作电子逸出物体表面的逸出功表面的逸出功A0，另一部分变电子的初动能，另一部分变电子的初动能EK。即。即00221AhfEAmhfk基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管 。 10光电效应的规律是：光电效应的规律是： 任何一种金属都有一个任何一种金属都有一个_频率频率, 入射光的频率必须入射光的频率必须_这个频率这个频率, 才能产生光电效应才能产生光电效应; (2) 光电子的最大初动能与光电子的最大初动能与 无关无关, 只随着只随着 的增大而增大的增大而增大; (3) 产生光电效应时产生光电效应时, 光电流的强度与光电流的强度与

8、成正比成正比. 红限红限大于大于入射光的强度入射光的强度入射光频率入射光频率入射光的强度入射光的强度117 光电式传感器光电式传感器内光电效应内光电效应在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电阻率发生变化的效应称为内光电效应。使物体的电阻率发生变化的效应称为内光电效应。内光电效应分为：内光电效应分为：光电导效应、光生伏特效应光电导效应、光生伏特效应E电子能量导带价带禁带h光生电子-空穴对光电导效应光电导效应：半导体材料受到光照时会产半导体材料受到光照时会产生电子生电子-空穴对，使其导电性空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，

9、能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的这种光照后电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。现象，称为光电导效应。基于基于这种效应的光电器件有这种效应的光电器件有光敏电光敏电阻和光敏二、三极管阻和光敏二、三极管 。 127 光电式传感器光电式传感器光生伏特效应光生伏特效应： 半导体材料受到光照后，在半导体材料受到光照后，在PN结上产生一定方向电结上产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。动势的现象称为光生伏特效应。 光生伏特效应型器件是自发电式的，是有源器件。光生伏特效应型器件是自发电式的，是有源器件。常用的光生伏特器件有常用的光生伏特器件有光电池光电池。13光电式传感器光电式传感

10、器|光电管与光电倍增管（外光电效应）光电管与光电倍增管（外光电效应）|光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管 （内光电效应）（内光电效应）|光电池光电池 （光生伏特效应）（光生伏特效应）二二.光电器件光电器件14光电式传感器光电式传感器光电器件参数光电器件参数光电流光电流：亮电流与暗电流之差称为：亮电流与暗电流之差称为光电流光电流暗电阻暗电阻：光电器件在无光照射时的电阻值称为暗：光电器件在无光照射时的电阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为电阻，此时流过的电流称为暗电流暗电流亮电阻亮电阻：光电器件在光照射时的电阻值称为亮电：光电器件在光照射时的电阻值称为亮电阻，此时流过的

11、电流称为阻，此时流过的电流称为亮电流亮电流15光电式传感器光电式传感器1 光电管与光电倍增管（光电管与光电倍增管（外光电效应外光电效应）光电阴极光电阴极光电阳极光电阳极光电管结构光电管结构入射光入射光光电管的阴极K受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光光电管、光电倍增管电倍增管等。光电管有等。光电管有真空光电管和充气光电管真空光电管和充气光电管。光光电电管管 16光电式传感器光电式传感器1 光电管与光电倍增管（光电管与光电倍增管

12、（外光电效应外光电效应）外外接接电电路路ER光电管结构光电管结构基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光光电管、光电倍增管电倍增管等。光电管有等。光电管有真空光电管和充气光电管真空光电管和充气光电管。光光电电管管 光电管的阴极K受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻电阻R上产生的电压降正比于上产生的电压降正比于光电流，其值与照射在光电管光电流，其值与照射在光电管阴极上的光成函数关系。阴极上的光成函数关系。17光电式传感器光电式传感器 充充气气 光光电电管管 光电光

13、电管受管受光照光照发射发射电子电子 如果在玻璃管内充入惰性气体如果在玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等如氩、氖等)即构成即构成充气光电管充气光电管。由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵敏度。而提高光电变换的灵敏度。(a) 充气光电管结构示意图图(b) 光电管电路1.1 光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管光电管有光电管有真空光电管和充气光电管真空光电管和充气光电管18光电式传感器光电式传感器 紫外光电管外形紫外光电管外形 当入射紫外线照射在当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，紫外管阴极板

14、上时，电子克服金属表面对电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。测量、火焰监测等。 紫外线紫外线19光电式传感器光电式传感器光电倍增管光电倍增管 当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，不易检测，这时常用当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，不易检测，这时常用光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度。如下图所示。在光电管的阴极光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度。如下图所示。在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极与阳极之间安装若干个倍增极D1、D2、Dn，就构成了光电倍增管。，就构成了光

15、电倍增管。光电倍增管的工作原理建立在光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础光电发射和二次发射的基础之上。工作时倍增极电位是之上。工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射逐级增高的，当入射光照射光电阴极光电阴极K时，立刻有电子时，立刻有电子逸出，逸出的电子受到第一逸出，逸出的电子受到第一倍增极倍增极D1正电位作用，使之正电位作用，使之加速打在加速打在D1倍增极上，产生倍增极上，产生二次电子发射。二次电子发射。20光电式传感器光电式传感器 同理同理D1发射的电子在发射的电子在D2更更高正电位作用下，再次被加速高正电位作用下，再次被加速打在打在D2极上，极上，D2又会产生二次又会产生二

16、次电子发射，这样逐级前进，直电子发射，这样逐级前进，直到电子被阳极到电子被阳极A收集为止。通常收集为止。通常光电倍增管的阳极与阴极间的光电倍增管的阳极与阴极间的电压为电压为1000 2500V，两个相邻，两个相邻倍增电极的电位差为倍增电极的电位差为50 100V，其灵敏度比普通真，其灵敏度比普通真空光电管高几万到几百万倍，空光电管高几万到几百万倍，因此在很微弱的光照下也能产因此在很微弱的光照下也能产生很大的光电流。生很大的光电流。1R2R3R4R5RLR1D2D3D4DOUTUKAI21光电式传感器光电式传感器u光电阴极灵敏度光电阴极灵敏度和和光电倍增管总灵敏度光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴

17、极上能够打出的平均电子数叫做光电倍一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的增管的阴极灵敏度阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的管的总灵敏度总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。太高反而会使阳极电流不稳。光电阴极到光电阳极后大约放大光电阴极到光电阳极后大约放大105108倍倍(单光子测量单光子测量)由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，由于光电

18、倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。否则将会损坏。22光电式传感器光电式传感器(1)(1)光电管光电管（2 2）光电倍增管）光电倍增管23光电式传感器光电式传感器1.2 光电管的特性光电管的特性 1）光电特性）光电特性 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量量与光电流与光电流I之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。如图所示。光电流光电流I与光通量成线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与光通量成线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的

19、灵敏度。与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。 24光电式传感器光电式传感器2）光电管的伏安特性）光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。 图图3a 真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 图图3b 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性 25光电式传感器光电式传感器3）光电管光谱特性）光电管光谱特性 由于光

20、阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。系叫光电管的光谱特性。 一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的极限一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的极限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射频率，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于极限频，并且强度相同，随着入在阴极上的入射光的频率高于极限频，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数

21、量还会不同，即射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。电阴极。 26光电式传感器光电式传感器27光电式传感器光电式传感器2 2、光敏电阻、光敏电阻光敏电阻是一种用光导材料制成的没光敏电阻是一种用光导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管有极性的光电元件，也称光导管。纯粹是一个电阻器件。无光照时，光纯粹是一个电阻器件。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电

22、路中电敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵此时光敏电阻的灵敏度高。敏度高。根据电流值的变化，即可推根据电流值的变化，即可推算出照射光强的大小。算出照射光强的大小。28当光敏电阻受到光照时，若当光敏电阻受到光照时，若光子能量光子能量hf 大于该半导体材料大于该半导体材料的禁带宽带，则价带中的电子的禁带宽

23、带，则价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，成为自由电子，同时产生空穴，电子电子-空穴对的出现使电阻率空穴对的出现使电阻率变小。光照越强，光生电子变小。光照越强，光生电子-空空穴对就越多，阻值就愈低。入穴对就越多，阻值就愈低。入射光消失，电子射光消失，电子-空穴对逐渐空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。复合，电阻也逐渐恢复原值。29在半导体光导材料两端装上在半导体光导材料两端装上电极引线，将其封装在带有电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏透明窗的管壳里就构成光敏电阻。如图电阻。如图a所示。所示。为了增加灵敏度，两电极为了增加灵敏

24、度，两电极常做成栅状，如图常做成栅状，如图b所示。所示。图形符号如图图形符号如图c所示。所示。307 光电式传感器光电式传感器317 光电式传感器光电式传感器如果把光敏电阻连接如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加到外电路中，在外加电压的作用下，用光电压的作用下，用光照射就能改变电路中照射就能改变电路中电流的大小：电流的大小：327 光电式传感器光电式传感器 当光敏电阻受当光敏电阻受到光照时，光生到光照时，光生电子电子空穴对增空穴对增加，阻值减小，加，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）v光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性 无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻

25、值；无光照时，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。v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光电流亮电流与暗电流之差称光电流 。7 光电式传感器光电式传感器v 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

26、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。 光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性7 光电式传感器光电式传感器v 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; ;半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同的，因半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同的，因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子出光生电子- -空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。空穴对。而光

27、子能量的大小与光的波长有关。 7 光电式传感器光电式传感器36光电式传感器光电式传感器3 3、光敏二极管和光敏三极管、光敏二极管和光敏三极管 光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在的差别仅在于光线照射在半导体半导体PN结上，结上，PN结参结参与了光电转换过程。将光敏二极管的与了光电转换过程。将光敏二极管的PN 结设置在结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光照射。光透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光照射。光照射到光敏二极管的照射到光敏二极

28、管的PN结时，电子结时，电子-空穴对数量增空穴对数量增加，光电流与光照成正比。加，光电流与光照成正比。 37光电式传感器光电式传感器 光敏二极管光敏二极管的结构和普通二极管的结构和普通二极管相似，只是它的相似，只是它的PNPN结装在管壳顶部，结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在照射在PNPN结上，光敏二极管在电路中结上，光敏二极管在电路中通常处于通常处于反向偏置状态反向偏置状态。处于反向偏。处于反向偏置的置的PNPN结，在无光照时具有高阻特性，结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子空穴

29、对，在结电场作用下，生电子空穴对，在结电场作用下，电子向电子向N N区运动，空穴向区运动，空穴向P P区运动，形区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此量级，因此光照时的反向电流基本上光照时的反向电流基本上与光强成正比与光强成正比。光敏二极管光敏二极管387 光电式传感器光电式传感器 光敏二极管光敏二极管的结构和普通二极管的结构和普通二极管相似，只是它的相似，只是它的PNPN结装在管壳顶部，结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的

30、窗口，可以集中光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在照射在PNPN结上，光敏二极管在电路中结上，光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。处于反向偏通常处于反向偏置状态。处于反向偏置的置的PNPN结，在无光照时具有高阻特性，结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子空穴对，在结电场作用下，生电子空穴对，在结电场作用下，电子向电子向N N区运动，空穴向区运动，空穴向P P区运动，形区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为

31、纳安数照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此量级，因此光照时的反向电流基本上光照时的反向电流基本上与光强成正比与光强成正比。光敏二极管光敏二极管PN光照内E39光电式传感器光电式传感器40光电式传感器光电式传感器 光敏三极管光敏三极管有两个有两个PNPN结，因而结，因而可以获得电流增益，它比光敏二可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其结构极管具有更高的灵敏度。其结构如图所示。如图所示。光敏三极管光敏三极管当光敏三极管按图当光敏三极管按图b)b)所示的电路所示的电路连接时，它的集电结反向偏置，连接时，它的集电结反向偏置，发射结正向偏置。无光照时仅有发射结正向偏置。无光照时仅有很

32、小的穿透电流流过。很小的穿透电流流过。417 光电式传感器光电式传感器 多数光敏三极管的基极多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（没有引出线，只有正负（c c、e e）两个引脚，所以其外形与）两个引脚，所以其外形与光敏二极管相似，从外观上光敏二极管相似，从外观上很难区别。很难区别。当光线通过透明窗口照射集电结时，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，这就造成基集电结的反向电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子的多数载流子(电子电子)将大量注人基区，将大量

33、注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而区注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电流极相接的集电极，形成集电极电流IC。这个过程与普通三极管的电流放大作这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流用相似，它使集电极电流IC是原始光是原始光电流的电流的(l+)倍。这样集电极电流倍。这样集电极电流IC将将随入射光照度的改变而更加明显地变随入射光照度的改变而更加明显地变化。化。42光电式传感器光电式传感器光敏三极管外形光敏三极管外形 43光电式

34、传感器光电式传感器44光敏二极管和光敏三极管的主要区别：光敏二极管和光敏三极管的主要区别：名称名称光敏二极管光敏二极管光敏三极管光敏三极管光电流光电流几微安几微安几百微安几百微安几百微安几百微安几毫安以上几毫安以上暗电流暗电流基本相同基本相同响应时间响应时间100ns以下以下510微秒微秒输出特性输出特性线性好线性好线性较差线性较差带宽带宽宽宽窄窄45路灯自动控制器原理图路灯自动控制器原理图KV1V2VDVR1R2+12VK1HL220VK1继电器线圈继电器线圈K的常闭触点即：的常闭触点即：K不带电时不带电时K1闭合闭合继电器继电器线圈线圈夜晚来临时，光线变暗，夜晚来临时，光线变暗，VD截止，

35、截止，V1饱和导通，饱和导通，V2截止，截止， K 失电，失电，K1闭闭合，合，HL点亮。点亮。天亮后，光线亮度达到预天亮后，光线亮度达到预定值时，定值时，VD导通，导通，V1截止，截止，V2饱和导通，饱和导通， K 通电，通电，K1断开，断开，HL熄灭。熄灭。46V1V2R1R2VccR3R4R5R6R7R8V3V4Uo光敏三极管的通断控制光敏三极管的通断控制Uo输出脉输出脉冲，将输出脉冲送到计数器。冲，将输出脉冲送到计数器。光敏三极管计数控制原理图光敏三极管计数控制原理图可以实现哪些量的测量？可以实现哪些量的测量？Uot47有光照射时，有光照射时，V1导通，导通，Ub2Ue2推出推出V2导

36、导通，通，Ub3Ue3，V3导通：导通：Ub3=Ue3+0.7=Ue4+0.7推出推出Ue4=Ub3-0.7Ub4=（Uc3/（R6+R7）*R7合理选择电阻可实现合理选择电阻可实现Ub4Ue4，V4截止，截止，U0输出为高电平。输出为高电平。48光电式传感器光电式传感器光电池是基于光生伏特效应制成的。光电池是基于光生伏特效应制成的。由于它可以像由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池光电池。因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的件。以可见光作光源的光电池光电池是常用的光生伏

37、特型是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。 PN结光生伏特效应原理图结光生伏特效应原理图 4 光电池光电池49光电式传感器光电式传感器 也称硅太阳能电池，它是也称硅太阳能电池，它是用单晶硅制成，在一块用单晶硅制成，在一块N型硅型硅片上用扩散的方法掺入一些片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的型杂质而形成一个大面积的P-N结，结，P层做得很薄层做得很薄,从而使从而使光线能穿透到光线能穿透到P-N结上。硅太结上。硅太阳能电池具有轻便、简单，阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易不会产生气体或热污染，易于适

38、应环境。因此凡是不能于适应环境。因此凡是不能铺设电缆的地方都可采用太铺设电缆的地方都可采用太阳能电池，尤其适用于为宇阳能电池，尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电宙飞行器的各种仪表提供电源。源。 硅光电池硅光电池50光电式传感器光电式传感器光电池光电池外形外形光敏面光敏面51光电式传感器光电式传感器能提供较大电流的大面积光电池外形能提供较大电流的大面积光电池外形52光电式传感器光电式传感器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硅光电池板太阳能硅光电池板53光电式传感器光电式传感器光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用

39、（续）太阳能发电太阳能发电54光电式传感器光电式传感器光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用55光电式传感器光电式传感器太阳能广告屏太阳能广告屏/太阳能广告牌太阳能广告牌/太阳能广告灯箱太阳能广告灯箱 56光电式传感器光电式传感器 主要用于道路十字路口、道路变窄、路面障碍、事故易主要用于道路十字路口、道路变窄、路面障碍、事故易发路口等危险路段，通过发路口等危险路段，通过LED的闪烁发光，提醒司机行车的闪烁发光，提醒司机行车注意，控制车速行驶。注意，控制车速行驶。 工作原理是利用太阳能电池白天将太阳能转化为电能储工作原理是利用太阳

40、能电池白天将太阳能转化为电能储存在可充电电池中，发光时存在可充电电池中，发光时LED将电能转化为光能，实现将电能转化为光能，实现太阳能黄闪灯的闪烁发光，从而起到引导交通的作用。太阳能黄闪灯的闪烁发光，从而起到引导交通的作用。 57光电式传感器光电式传感器3光电式传感器的测量电路光电式传感器的测量电路3 .1光电式传感器的常用光源光电式传感器的常用光源 光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。u发光二极管发光二极管 发光二

41、极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。u钨丝灯泡钨丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可

42、见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。u激光激光 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。好等优点，是很理想的光源。58光电式传感器光电式传感器 如图是两个光电管的差接电路，如图是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大管。在为放大管。在直接变换工作状态时示值可在指示仪表直接变换工作状态时示值可在指示仪表P上读得。在平衡工上读得。在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。这种电路解决了光电管供作状态时，指示仪表处在零位

43、。这种电路解决了光电管供电电压的变化及光电管的特性随时间变化等影响所带来的电电压的变化及光电管的特性随时间变化等影响所带来的测量误差。测量误差。3.2测量电路测量电路59光电式传感器光电式传感器 如图为光电倍增管的测量如图为光电倍增管的测量电路，各倍增极的电压由分压电路，各倍增极的电压由分压电阻链电阻链R1、R2、Rn获得获得的，流经负载电阻从放大电流的，流经负载电阻从放大电流便构成所需的输出电压。便构成所需的输出电压。图图7-15 光电倍增管的测量电路光电倍增管的测量电路60光电式传感器光电式传感器 光敏电阻的测量电路，晶体管光敏电阻的测量电路，晶体管VT1、VT2构成施密特触发电路。当减构

44、成施密特触发电路。当减少入射到光敏电阻上的光通量时，少入射到光敏电阻上的光通量时，VT1的基极电压上升，直到管子导电为的基极电压上升，直到管子导电为止，然后止，然后VT2由于反馈而变为截止状态，因此其集电极电压上升，直至达由于反馈而变为截止状态，因此其集电极电压上升，直至达到到12.7V左右为止。在左右为止。在12V时，稳压二极管时，稳压二极管VDW1便导电，通过便导电，通过VDW1的电流的电流使得使得VT3导通，于是继电器被接通。二极管导通，于是继电器被接通。二极管VDW2阻尼继电器线圈振荡，因阻尼继电器线圈振荡，因而对而对VT3起保护作用。起保护作用。50K的电位器可对灵敏度进行调整。的电

45、位器可对灵敏度进行调整。图图7-16 光敏电阻开关电路光敏电阻开关电路61光电式传感器光电式传感器n光敏晶体管的测量电路光敏晶体管的测量电路n光电池的测量电路光电池的测量电路同学们自己分析图7-17和图7-19的电路62光电式传感器光电式传感器4 4 光电传感器及其应用光电传感器及其应用工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。分类：按其接收状态可分为分类：按其接收状态可分为模拟式模拟式光电传感器和光电传感器和脉冲式脉冲式光电传感器光电传感器。 637 光电式传感器光电式传

46、感器1 1. . 模拟式光电传感器模拟式光电传感器模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性, ,其光通量是随其光通量是随被测量而变被测量而变, ,光电流就成为被测量的函数光电流就成为被测量的函数, ,故又称为光电传感器的函数运用故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。被测物体位于恒定光源与光电元件之被测物体位于恒定光源与光电元件之间间,根据被测物对光的吸收程度或对其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。如测量谱线的选择来测定被

47、测参数。如测量液体、气体的液体、气体的透明度、混浊度透明度、混浊度,对气体对气体进行进行成分分析成分分析,测定液体中某种物质的测定液体中某种物质的含量含量等等。恒定光源发出的光投射到被测物体上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被测物体把部分光通量反射到光电元件上件上,根据反射的光通量多少测定被测根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的物表面状态和性质。例如测量零件的表面表面粗糙度、表面缺陷、表面位移粗糙度、表面缺陷、表面位移等等。647 光电式传感器光电式传感器被测物体位于恒定光源与光电元件之被测物体位于恒定光源与光电元件之间间,光源发出的光

48、通量经被测物遮去光源发出的光通量经被测物遮去其一部分其一部分,使作用在光电元件上的光使作用在光电元件上的光通量减弱通量减弱,减弱的程度与被测物在光减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量可以测量长度、厚度、线位移、角位长度、厚度、线位移、角位移、振动移、振动等。等。被测物体本身就是辐射源，它可以被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这察和红

49、外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于种方式也可以用于防火报警防火报警和构成和构成光照度计光照度计等。等。657 光电式传感器光电式传感器 光电传感器在工业上的应用可归纳为光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式辐射式( (直射式直射式) )、吸收、吸收式、遮光式、反射式式、遮光式、反射式四种基本形式。四种基本形式。 667 光电式传感器光电式传感器遮光式67遮光式68遮光式69遮光式707 光电式传感器光电式传感器反反射射式式71反反射射式式722. 脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器(开关式）开关式） 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅

50、有两种稳定状态两种稳定状态,也就是也就是“通通”、“断断”的开关状态的开关状态,所以也所以也称为光电元件的开关运用状态。这类传感器要求光电元称为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，而对光电特性的线性要求不高。主要用于件灵敏度高，而对光电特性的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。737 光电式传感器光电式传感器透射式光电开关示意图透射式光电开关示意图747 光电式传感器光电式传感器透射式光电开关原理透射式光电开关

51、原理ObjectReceiver 透射式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。被检测物体光发射器光接收器757 光电式传感器光电式传感器光电开关在光电开关在 流水线上的应用流水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口透射式光电开关（计数）透射式光电开关（计数）767 光电式传感器光电式传感器光幕光幕接收器接收器两个柱形结构两个柱形结构相对而立，每相对而立，每隔数十毫米安隔数十毫米安装一对发光二装一对

52、发光二极管和光敏接极管和光敏接收管，形成光收管，形成光幕，当有物体幕，当有物体遮挡住光线时，遮挡住光线时，传感器发出报传感器发出报警信号。警信号。777 光电式传感器光电式传感器光幕应用光幕应用光线被遮断（报警）光线被遮断（报警） 当有物体遮挡住光当有物体遮挡住光线时，传感器发出线时，传感器发出报警信号，起保护、报警信号，起保护、预警等作用。预警等作用。787 光电式传感器光电式传感器 光幕应用（续）光幕应用（续）产品高度测量产品高度测量797 光电式传感器光电式传感器三维尺寸检测三维尺寸检测宽度测量宽度测量长度测量长度测量高度测量高度测量 光幕应用（续）光幕应用（续）807 光电式传感器光电

53、式传感器 光幕应用（续）光幕应用（续）木材外形截面积检测木材外形截面积检测817 光电式传感器光电式传感器光幕应用（续）光幕应用（续）纠偏纠偏光幕可检测出带光幕可检测出带材在卷曲过程中材在卷曲过程中的偏移，经控制的偏移，经控制器和执行机构使器和执行机构使带材向正确的方带材向正确的方向运动（纠偏）。向运动（纠偏）。827 光电式传感器光电式传感器光幕用于自动收费系统光幕用于自动收费系统的车辆检测的车辆检测红外线车辆分离器红外线车辆分离器:专为公路自动收费系专为公路自动收费系统的车辆分离检测和统的车辆分离检测和分类检测而设计分类检测而设计 ；用于判断车辆的结束用于判断车辆的结束从而计算整车重量；从

54、而计算整车重量；完全消除跟车现象，完全消除跟车现象，将半挂车、全挂车、将半挂车、全挂车、单车可靠分离，保证单车可靠分离，保证检测数据与车辆的一检测数据与车辆的一一对应关系。一对应关系。光幕应用（续）光幕应用（续）837 光电式传感器光电式传感器光幕应用（续）光幕应用（续）锻压机床的锻压机床的安全区域安全区域设置设置 及入侵报警及入侵报警847 光电式传感器光电式传感器光幕应用（续）光幕应用（续）安全区示警安全区示警857 光电式传感器光电式传感器反射型光电开关反射型光电开关 反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。测物

55、漫反射型（简称散射型）。 反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。 867 光电式传感器光电式传感器定区域反射式光电开关原理定区域反射式光电开关原理 定区域

56、式光电开关定区域式光电开关有一个非常确定的检测有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电被测物体不会引起光电开关产生开关信号。开关产生开关信号。检测距离检测距离877 光电式传感器光电式传感器反射型光电开关及反射镜外形反射型光电开关及反射镜外形 三角反射镜三角反射镜集发射、接收器于一身集发射、接收器于一身887 光电式传感器光电式传感器反射镜反射型光电开关工作原理反射镜反射型光电开关工作原理 反射镜反射型光电开关集光反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏

57、光三角棱镜，能将发射器使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振只能接受反射镜反射回来的偏振光。光。反射板反射镜反射镜被测物体偏振光偏振光发射光发射光897 光电式传感器光电式传感器被测物漫反射型光电开关原理被测物漫反射型光电开关原理 漫反射型光电开关集漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是

58、产生由接受器接受，于是产生开关信号。开关信号。漫反射光线反射光线光发射器和光接受器发射光线额定距离额定距离被检测物体907 光电式传感器光电式传感器漫反射型光电开关的应用漫反射型光电开关的应用917 光电式传感器光电式传感器反射型光电开关外形反射型光电开关外形电源指示电源指示信号指示信号指示927 光电式传感器光电式传感器反射型光电开关外形（续）反射型光电开关外形（续）灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器937 光电式传感器光电式传感器光电开关应用光电开关应用透明度测量、控制透明度测量、控制质量检测质量检测947 光电式传感器光电式传感器光电开关应用（续）光电开关应用（续）加工控制加工控制957

59、光电式传感器光电式传感器光电开关应用（续）光电开关应用（续）机械手定位机械手定位967 光电式传感器光电式传感器光电开关应用（续）光电开关应用（续）商标方向检测商标方向检测97 光电式传感器光电式传感器光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。 5 常见光电传感器及应用常见光电传感器及应用1 1：光电测速模型：光

60、电测速模型原理：在被测转速的电原理：在被测转速的电机上固定一个调制盘，机上固定一个调制盘，将光源发出的恒定光调将光源发出的恒定光调制成随时间变化的调制制成随时间变化的调制光。光线每照射到光电光。光线每照射到光电器件上一次，光电器件器件上一次，光电器件就产生一个电信号脉冲，就产生一个电信号脉冲，经放大器整形后记录。经放大器整形后记录。98光电式传感器光电式传感器光电测速模型的两种形式光电测速模型的两种形式99光电式传感器光电式传感器光电式转速表光电式转速表n =60( f /z ) 光电式转速表属光电式转速表属于反射式光电传感器，于反射式光电传感器，它可以在距被测物数它可以在距被测物数十毫米外非