第8章 光电式传感器

1、第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光光 电信号电信号 81 光电效应光电效应82 光电器件光电器件83 光源及光学元件光源及光学元件84 光电式传感器的应用光电式传感器的应用85 光纤传感器光纤传感器86 红外传感器红外传感器87 图像传感器简介图像传感器简介8.1 光电效应光电效应8.1.1 外光电效应外光电效应 外光电效应：外光电效应：当光线照射在某些物体上，使物体内的电子逸当光线照射在某些物体上，使物体内的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有：电子称为光电子。基于

2、外光电效应的光电器件有：光电管光电管和和光光电倍增管电倍增管。 光子能量：光子能量： E=h 式中，式中，h=普朗克常数普朗克常数； 光的频率（光的频率（s-1）。）。 Einstein光电方程：光电方程： h =mv02/2+A0 式中，式中，m电子质量；电子质量；v0逸出电子的初速度；逸出电子的初速度；A0物体的逸物体的逸出功（或物体表面束缚能）。出功（或物体表面束缚能）。基本规律：基本规律： 红限频率红限频率 0（又称光谱域值）：刚好从物体表面（又称光谱域值）：刚好从物体表面打出光电子的入射光波频率，随物体表面束缚能的不打出光电子的入射光波频率，随物体表面束缚能的不同而不同，与之对应的光

3、波波长同而不同，与之对应的光波波长 0（红限波长）为（红限波长）为 0 =hc/ A0 （8-3）式中，式中，h=普朗克常数；普朗克常数；c光速；光速；A0物体的逸出功。物体的逸出功。 当入射光频谱成分不变时，产生的光电子（或光当入射光频谱成分不变时，产生的光电子（或光电流）与光强成正比。电流）与光强成正比。 逸出光电子具有初始动能逸出光电子具有初始动能Ek=mv02/2，故外光电器，故外光电器件即使没有加阳极电压，也会产生光电流，为了使光件即使没有加阳极电压，也会产生光电流，为了使光电流为零，必须加负的截止电压。电流为零，必须加负的截止电压。8.1 8.1 光电效应光电效应8.1 光电效应光

4、电效应8.1.2 内光电效应内光电效应 当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化，或产生当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。导效应和光生伏特效应。8.1.2.1 光电导效应光电导效应 在光线作用下，材料内电子吸收光子能量从键合状态过在光线作用下，材料内电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化的现象称为光电导效渡到自由状态，而引起材料电阻率变化的现象称为光电导效应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻

5、。入射光能导出光电导效应的临界波长入射光能导出光电导效应的临界波长 0为为 0=hc/Eg (8-4)式中，式中，h=普朗克常数；普朗克常数；c光速；光速；Eg半导体材料禁带宽半导体材料禁带宽度。度。8.1 光电效应光电效应8.1.2.2 光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象称在光线作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象称为为光生伏特效应光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件有光电池和。基于光生伏特效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。光敏晶体管。 1势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时

6、，若结中，当光线照射其接触区域时，若光子能量大于其禁带宽度光子能量大于其禁带宽度Eg，使价带电子跃迁到导带，产生，使价带电子跃迁到导带，产生电子电子空穴对，由于阻挡层内电场的作用，形成光电动势的空穴对，由于阻挡层内电场的作用，形成光电动势的现象称为结光电效应。现象称为结光电效应。 2侧向光电效应侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由于载流子（光照当半导体光电器件受光照不均匀时，由于载流子（光照产生的电子产生的电子空穴对）浓度梯度的存在将会产生侧向光电效空穴对）浓度梯度的存在将会产生侧向光电效应。光照强的部分带正电，光照弱的部分带负电。应。光照强的部分带正电，光照弱的部分带负电。8.2

7、 8.2 光电器件光电器件8.2.1 光电管光电管8.2.1.1 光电管的结构和工作原理光电管的结构和工作原理 结构：真空（或充气）玻璃泡内装两个电极：光电阴极结构：真空（或充气）玻璃泡内装两个电极：光电阴极和阳极，阳极加正电位。如图和阳极，阳极加正电位。如图8-1所示。所示。 原理：当光电阴极受到适当波长的光线照社时发射光电原理：当光电阴极受到适当波长的光线照社时发射光电子，在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形成子，在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形成电子流，在外电路中便产生光电流电子流，在外电路中便产生光电流I。光电阴极阳极图图8-1 光电管的结构和工作原理光电管的结构和

8、工作原理 8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.1.2 光电管的特性光电管的特性 1伏伏安特性安特性 当入射光的频谱和光通量一定时，阳极电压与与阳极电当入射光的频谱和光通量一定时，阳极电压与与阳极电流流之间的关系称为伏之间的关系称为伏安特性。如图安特性。如图8-2（a）、（）、（b）所示。）所示。 图图8-2 光电管的特性光电管的特性（a）真空光电管伏安特性；（）真空光电管伏安特性；（b）充气光电管伏安特性；（）充气光电管伏安特性；（c）光电管的光电特性）光电管的光电特性8.2 8.2 光电器件光电器件2光电特性光电特性 当光电管的阳极与阴极间所加电压和入射光谱一定时，当光电管的阳极与阴极间

9、所加电压和入射光谱一定时，阳极电流阳极电流I与入射光在光电阴极上的光通量与入射光在光电阴极上的光通量之间的关系。之间的关系。如图解如图解8-2（c）所示。）所示。3光谱特性光谱特性 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光电管的光谱特性光谱特性。 光谱特性用光谱特性用量子效率量子效率表示。对一定波长入射光的一个表示。对一定波长入射光的一个光子射到物体表面上，该表面所发射的光电子平均数，光子射到物体表面上，该表面所发射的光电子平均数，称为量子效率，用百分数表示，它直接反映物体对这种称为量子效率，用百分数表示，它直接反映物体对这种波长的

10、光的光电效应的灵敏度。波长的光的光电效应的灵敏度。8.2 8.2 光电器件光电器件 锑铯（锑铯（Cs3Sb）材料）材料作为阴极，红限波长作为阴极，红限波长0=0.7 m ，对可，对可见光的灵敏度较高，转换效率可达见光的灵敏度较高，转换效率可达20%30%； 银银-氧氧-铯铯光电作为阴极，构成红外探测器，其红限波长光电作为阴极，构成红外探测器，其红限波长0=1.2 m，在近红外区（，在近红外区（0.750.80 m）的灵敏度有极大值，）的灵敏度有极大值，灵敏度较低，但对红外较敏感；灵敏度较低，但对红外较敏感； 锑钾钠铯阴极光谱范围较宽（锑钾钠铯阴极光谱范围较宽（0.30.85 m ）灵敏度也较）

11、灵敏度也较高，与人眼的光谱特性很接近，是一种新型光电阴极；高，与人眼的光谱特性很接近，是一种新型光电阴极； 对紫外光源，常采用锑铯阴极和镁镉阴极。对紫外光源，常采用锑铯阴极和镁镉阴极。 8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.2 光电倍增管光电倍增管8.2.2.1 光电倍增管的结构和工作原理光电倍增管的结构和工作原理 结构：结构：由光电阴极、若干倍增极和阳极组成，如图由光电阴极、若干倍增极和阳极组成，如图8-3示。示。 原理：原理：光电倍增管工作时，各倍增极（光电倍增管工作时，各倍增极（D1、D2、D3）和）和阳极均加上电压，并依次升高，阴极阳极均加上电压，并依次升高，阴极K电位最低，阳极电位

12、最低，阳极A电位电位最高。入射光照射在阴极上，打出光电子，经倍增极加速后，最高。入射光照射在阴极上，打出光电子，经倍增极加速后，在各倍增极上打出更多的在各倍增极上打出更多的“二次电子二次电子”。如果一个电子在一。如果一个电子在一个倍个倍增极上一次能打出增极上一次能打出 个二次电子，那么一个光电子经个二次电子，那么一个光电子经n个倍增个倍增极后，最后在阳极会收集到极后，最后在阳极会收集到 n个电子而在外电路形成电流。个电子而在外电路形成电流。一一般般 =36，n为为10左右，所以，光电倍增管的放大倍数很高。左右，所以，光电倍增管的放大倍数很高。 光电倍增管工作的直流电源电压在光电倍增管工作的直流

13、电源电压在7003000V之间，相邻倍之间，相邻倍增极间电压为增极间电压为50100V。8.2 8.2 光电器件光电器件 图图8-3 光电倍增管光电倍增管(a)结构图；(b)原理图；(c)供电电路8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.2.2 光电倍增管的主要参数光电倍增管的主要参数 1.倍增系数倍增系数M 当各倍增极二次电子发射系数当各倍增极二次电子发射系数 i=时，时，M= n，则阳，则阳极电流为极电流为I=i n (8-5)式中，式中，i光电阴极的光电流。光电阴极的光电流。 光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管的电流放大倍数为为=I/i= n (8-6)M一般在一般在105108之间，之间

14、，M与所加电压有关。与所加电压有关。8.2 8.2 光电器件光电器件 2.光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为光电阴极的光电阴极的灵敏度灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数称为。而一个光子在阳极上产生的平均电子数称为光电倍光电倍增管的总灵敏度增管的总灵敏度。灵敏度曲线见图。灵敏度曲线见图8-4。 注意注意:光电倍增管的灵敏度很高，切忌强光源照射。光电倍增管的灵敏度很高，切忌强光源照射。 极间电压放大倍数图图8-4 光电倍增管特性曲线光电倍增管特性曲线8.2 8.2 光电器件光

15、电器件 3暗电流和本底脉冲暗电流和本底脉冲 在无光照射（暗室）情况下，光电倍增管加上工作电在无光照射（暗室）情况下，光电倍增管加上工作电压后形成的电流称为压后形成的电流称为暗电流暗电流。 在光电倍增管阴极前面放一块闪烁体，便构成闪烁计在光电倍增管阴极前面放一块闪烁体，便构成闪烁计数器。当闪烁体受到人眼看不见的宇宙射线照射后，光数器。当闪烁体受到人眼看不见的宇宙射线照射后，光电倍增管就有电流信号输出，这种电流称为闪烁计数器电倍增管就有电流信号输出，这种电流称为闪烁计数器的暗电流，一般称为的暗电流，一般称为本底脉冲本底脉冲。 4光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性 光电倍增管的光谱特性与同材料

16、阴极的光电管的光谱光电倍增管的光谱特性与同材料阴极的光电管的光谱特性相似。特性相似。8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.3 光敏电阻光敏电阻8.2.3.1 光敏电阻的结构和工作原理光敏电阻的结构和工作原理 光敏电阻由梳状电极和均质半导体材料制成，基于内光光敏电阻由梳状电极和均质半导体材料制成，基于内光电效应，其电阻值随光照而变化。电效应，其电阻值随光照而变化。图图8-5 CdS光敏电阻结构和工作原理光敏电阻结构和工作原理1-玻璃；玻璃；2-光电导层；光电导层；3-电极；电极；4-绝缘衬底；绝缘衬底；5-金属壳；金属壳；6-黑色绝缘玻璃；黑色绝缘玻璃；7-引线引线 光敏电阻是纯电阻器件，具有

17、很高的光电灵敏度，常作为光敏电阻是纯电阻器件，具有很高的光电灵敏度，常作为光电控制用。光电控制用。梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AA8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.3.2 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数 1暗电阻、亮电阻和光电流暗电阻、亮电阻和光电流 暗电阻：暗电阻：光敏电阻在室条件下，无光照时具有的电阻光敏电阻在室条件下，无光照时具有的电阻值，称为暗电阻（值，称为暗电阻（1M）。此时流过的电流称为）。此时流过的电流称为暗电流暗电流。 亮电阻：亮电阻：光敏电阻在一定光照下所具有的电阻称其为在该光敏电阻在一定光照下所具有的电阻称其为在该光照下的亮电阻（光照下

18、的亮电阻（1k）。此时流过的电流称为）。此时流过的电流称为亮电流亮电流。 光电流光电流=亮电流亮电流 暗电流。暗电流。 8.2 8.2 光电器件光电器件 2伏安特性伏安特性 在在一定光照度一定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与其光电流下，光敏电阻两端所加的电压与其光电流之间的关系，称为伏安特性。它是线性电阻，服从欧姆定之间的关系，称为伏安特性。它是线性电阻，服从欧姆定律，但不同照度下具有不同的斜率。注意光敏电阻的功律，但不同照度下具有不同的斜率。注意光敏电阻的功耗，使用时保持适当的工作电压和工作电流。耗，使用时保持适当的工作电压和工作电流。图图8-6 CdS光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性

19、 8.2 8.2 光电器件光电器件 3光照特性光照特性 在在一定的偏压一定的偏压下，光敏电阻的光电流与照射光强之间的下，光敏电阻的光电流与照射光强之间的关关系，称为光敏电阻的光照特性。图系，称为光敏电阻的光照特性。图8-7示出示出CdS光敏电阻的光敏电阻的光照特性曲线，呈非线性，故其不宜作测量元件，一般在光照特性曲线，呈非线性，故其不宜作测量元件，一般在自自动控制系统中作开关式光电信号传感元件。动控制系统中作开关式光电信号传感元件。图图8-7 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 4光谱特性光谱特性 光谱特性表征光敏电阻对不同波长的光其灵敏度不同的光谱特性表征

20、光敏电阻对不同波长的光其灵敏度不同的性质。光敏电阻的光谱特性如图性质。光敏电阻的光谱特性如图8-8所示。所示。图图8-8 光敏电阻的光谱踏特性曲线光敏电阻的光谱踏特性曲线 8.2 8.2 光电器件光电器件 5响应时间和频率特性响应时间和频率特性 光敏电阻在照射光强变化时，由于光电导的光敏电阻在照射光强变化时，由于光电导的驰豫驰豫现象，其现象，其电阻的变化在时间上有一定的滞后，通常用电阻的变化在时间上有一定的滞后，通常用响应时间响应时间表示。表示。响应时间又分为上升时间响应时间又分为上升时间t1和下降时间和下降时间t2，如图，如图8-9所示。所示。 光敏电阻上升和下降时间的长短，表示其对动态光信

21、号响光敏电阻上升和下降时间的长短，表示其对动态光信号响应的快慢，即应的快慢，即频率特性频率特性，如图，如图8-10所示。光敏电阻的频率特所示。光敏电阻的频率特性不仅与元件的材料有关，而且还与光照的强弱有关。性不仅与元件的材料有关，而且还与光照的强弱有关。 图图8-10 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性 图图8-9 光敏电阻的时间响应曲线光敏电阻的时间响应曲线 8.2 8.2 光电器件光电器件 6温度特性温度特性 在光照一定的条件下，光敏电阻的阻值随温度的升高而下在光照一定的条件下，光敏电阻的阻值随温度的升高而下降，即降，即温度特性温度特性，用温度系数，用温度系数 来表示。来表示。 (8-7

22、)式中，式中，R1在一定光照下，温度为在一定光照下，温度为T1时的阻值；时的阻值；R2在一定在一定光照下，温度为光照下，温度为T2时的阻值。时的阻值。 温度不仅影响光敏电阻的灵敏度，而且还影响其光谱特温度不仅影响光敏电阻的灵敏度，而且还影响其光谱特性，温度升高，光谱特性向短波方向移动，如图性，温度升高，光谱特性向短波方向移动，如图8-12所示。所示。CRTTRR%100212128.2 8.2 光电器件光电器件 7稳定性稳定性 光敏电阻在制作时经加温、光照和加负载条件下一至二光敏电阻在制作时经加温、光照和加负载条件下一至二周的老化处理后，其稳定性很好，使用寿命相当长，合理周的老化处理后，其稳定

23、性很好，使用寿命相当长，合理使用，几乎无限。使用，几乎无限。 图图8-11 CdS光敏电阻的温度特性曲线（光照一定）光敏电阻的温度特性曲线（光照一定） 图图8-12 PbS光敏电阻的光谱温度特性光敏电阻的光谱温度特性8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.4 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管8.2.4.1 光敏管的结构和工作原理光敏管的结构和工作原理 1光敏二极管光敏二极管 光敏二极管的基本结构就是具有光敏特性的光敏二极管的基本结构就是具有光敏特性的PN结，如图结，如图8-13（a）所示。光敏二极管在电路中处于）所示。光敏二极管在电路中处于反向工作状态反向工作状态，如如8-13（b

24、）所示。）所示。图图8-13 光敏二极管结构模型和基本工作电路光敏二极管结构模型和基本工作电路（a）结构简化模型；（）结构简化模型；（b）基本工作电路）基本工作电路入射光玻璃透镜管壳引脚管芯8.2 8.2 光电器件光电器件n无光照时，反向电阻很大，电路中仅有反向饱和无光照时，反向电阻很大，电路中仅有反向饱和漏电流，一般为漏电流，一般为10-810-9A，称为，称为暗电流暗电流，相当于，相当于光敏二极管截止；当有光照射在光敏二极管截止；当有光照射在PN结上时，由于结上时，由于内光电效应，产生光生内光电效应，产生光生电子电子-空穴对空穴对，使少数载流，使少数载流子浓度大大增加，因此，通过子浓度大大

25、增加，因此，通过PN结的反向电流也结的反向电流也随之增加，形成光电流，相当于光敏二极管导通；随之增加，形成光电流，相当于光敏二极管导通；入射光照度变化，光电流也变化。可见，光敏二极入射光照度变化，光电流也变化。可见，光敏二极管具有光电转换功能，故又称为光电二极管。管具有光电转换功能，故又称为光电二极管。8.2 8.2 光电器件光电器件 2光敏三极管光敏三极管 光敏三极管与光敏二极管的结构相似，内部具有两个光敏三极管与光敏二极管的结构相似，内部具有两个PN结，通常只有两个引出电极。光敏三极管在电路中与普通结，通常只有两个引出电极。光敏三极管在电路中与普通三三极管接法相同，管基极开路，集电结反偏，

26、发射结正偏。极管接法相同，管基极开路，集电结反偏，发射结正偏。如如图图8-14所示。所示。图图8-14 NPN8-14 NPN型光敏二极管结构模型和基本工作电路型光敏二极管结构模型和基本工作电路（a a）结构简化模型；（）结构简化模型；（b b）基本工作电路）基本工作电路8.2 8.2 光电器件光电器件n当当无光照无光照时，管集电结因反偏，集电极与基极间有反向时，管集电结因反偏，集电极与基极间有反向饱和电流饱和电流Icbo，该电流流入发射结放大，使集电极与发射极，该电流流入发射结放大，使集电极与发射极之间有穿透电流之间有穿透电流Iceo=（1+）Icbo，此即光敏三极管的，此即光敏三极管的暗电

27、暗电流流。当。当有光照射有光照射光敏三极管集电结附近基区时，产生光生光敏三极管集电结附近基区时，产生光生电电子子空穴对，使其集电结反向饱和电流大大增加，此即为空穴对，使其集电结反向饱和电流大大增加，此即为光光敏三极管敏三极管集电结的光电流集电结的光电流；该电流流入发射结进行放大成；该电流流入发射结进行放大成为为集电极与发射极间电流，即为集电极与发射极间电流，即为光敏三极管的光电流光敏三极管的光电流，它将，它将光光敏二极管的光电流放大（敏二极管的光电流放大（1+）倍，所以它比光敏二极管具）倍，所以它比光敏二极管具有更高的光电转换灵敏度。有更高的光电转换灵敏度。 n由于光敏三极管中对光敏感的部分是

28、光敏二极管，所由于光敏三极管中对光敏感的部分是光敏二极管，所以，它们的特性基本相同，只是反应程度即灵敏度差以，它们的特性基本相同，只是反应程度即灵敏度差（1+）倍。）倍。PNNecPNN2SiO入射光8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.4.2 光敏管光敏管(光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管)的基本特性的基本特性 1光谱特性光谱特性 光敏管在光敏管在恒定电压恒定电压作用和恒定光通量照射下，光电流（用相对值或相对作用和恒定光通量照射下，光电流（用相对值或相对灵敏度）与入射光波长的关系，称为光敏管的光谱特性，如图灵敏度）与入射光波长的关系，称为光敏管的光谱特性，如图8-15所示。图所

29、示。图中可见：中可见： Si光敏管，光谱响应波段光敏管，光谱响应波段4001300nm，峰值响应波长约为，峰值响应波长约为900nm； Ge光敏管，光谱响应波段光敏管，光谱响应波段5001800nm，峰值响应波长约为，峰值响应波长约为1500nm。 图图8-15 8-15 硅和锗光敏管的光谱特性硅和锗光敏管的光谱特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 2伏安特性伏安特性 光敏管在光敏管在一定光照一定光照下，其端电压与器件中电流的关系，下，其端电压与器件中电流的关系，称为光敏管的伏安特性。图称为光敏管的伏安特性。图8-16是是Si光敏管在不同光照下的光敏管在不同光照下的伏安特性。伏安特性。图图8

30、-16 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性（a）硅光敏二极管；（b）硅光敏三极管8.2 8.2 光电器件光电器件 3光照特性光照特性 在在端电压一定端电压一定条件下，光敏管的光电流与光照度的关条件下，光敏管的光电流与光照度的关系，称为光敏管的光照特性。系，称为光敏管的光照特性。Si光敏管的光照特性如图光敏管的光照特性如图8-17所示。所示。光电流光电流图图8-17 硅光敏管的光电特性硅光敏管的光电特性（a）硅光敏二极管；（）硅光敏二极管；（b）硅光敏三极管）硅光敏三极管8.2 8.2 光电器件光电器件 4温度特性温度特性 在在端电压端电压和和光照度光照度一定条件下，光敏管的暗电流及光电一定条

31、件下，光敏管的暗电流及光电流与温度的关系，称为光敏管的温度特性。如图流与温度的关系，称为光敏管的温度特性。如图8-18所示。所示。喑电流光电流图图8-18 光敏管的温度特性光敏管的温度特性8.2 8.2 光电器件光电器件 5频率响应频率响应 光敏管的频率响应是指具有一定频率的调制光照射光敏光敏管的频率响应是指具有一定频率的调制光照射光敏管时，光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随调制频管时，光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随调制频率率的变化关系。图的变化关系。图8-19为硅光敏三极管的频率响应曲线。为硅光敏三极管的频率响应曲线。 一般情况下，锗管的频率响应低于一般情况下，锗管的频率响应低于

32、5000Hz，硅管的频率，硅管的频率响应优于锗管。响应优于锗管。图图8-19 硅光敏管的频率响应曲线硅光敏管的频率响应曲线8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.5 光电池光电池 光电池是利用光生伏特效应将光能直接转变成电光电池是利用光生伏特效应将光能直接转变成电能的器件，它广泛用于将太阳能直接转变为电能，能的器件，它广泛用于将太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。光电池的种类很多，应用因此又称为太阳能电池。光电池的种类很多，应用最广的是硅光电池和硒光电池等。最广的是硅光电池和硒光电池等。8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.5.1 光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理 光电池

33、的结构如图光电池的结构如图8-20所示，它实质上是一个大面积的所示，它实质上是一个大面积的PN结。当光照射到结。当光照射到PN结上时，便在结上时，便在PN结两端产生电动势结两端产生电动势（P区为正，区为正，N区为负）形成电源。区为负）形成电源。图图8-20 硅光电池硅光电池（a）结构简图；（）结构简图；（b）工作原理示意图）工作原理示意图8.2 8.2 光电器件光电器件n光电池机理：光电池机理： P型半导体与型半导体与N型半导体结合在一起时，由于载流子的扩型半导体结合在一起时，由于载流子的扩散作用，在其交界处形成一过渡区，即散作用，在其交界处形成一过渡区，即PN结，并在结，并在PN结形结形成一

34、内建电场，电场方向由成一内建电场，电场方向由N区指向区指向P区，阻止载流子的继区，阻止载流子的继续扩散。当光照射到续扩散。当光照射到PN结上时，在其附近激发电子结上时，在其附近激发电子-空穴空穴对，在对，在PN结电场作用下，结电场作用下，N区的光生空穴被拉向区的光生空穴被拉向P区，区，P区区的光生电子被拉向的光生电子被拉向N区，结果在区，结果在N区聚集了电子，带负电；区聚集了电子，带负电；P区聚集了空穴，带正电。这样区聚集了空穴，带正电。这样N区和区和P区间出现了电位差，区间出现了电位差，若用导线连接若用导线连接PN结两端，则电路中便有电流流过结两端，则电路中便有电流流过 ，电流方，电流方向由

35、向由P区经外电路至区经外电路至N区；若将电路断开，便可测出光生电区；若将电路断开，便可测出光生电动势。动势。8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.5.2 光电池的基本特性光电池的基本特性 1光谱特性光谱特性 光电池对不同波长的光，其光电转换灵敏度是不同的，光电池对不同波长的光，其光电转换灵敏度是不同的，即光谱特性，如图即光谱特性，如图8-21所示。所示。 硅光电池：光谱响应范围硅光电池：光谱响应范围4001200nm，光谱响应峰值，光谱响应峰值波长在波长在800nm附近；附近； 硒光电池：光谱响应范围硒光电池：光谱响应范围380750nm，光谱响应峰值波，光谱响应峰值波长在长在500nm附近

36、。附近。图图8-21 光电池的光谱特性光电池的光谱特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 2光照特性光照特性 光电池在不同照度下，其光电流和光生电动势是不同的。硅光电池光电池在不同照度下，其光电流和光生电动势是不同的。硅光电池的的开路电压和短路电流与光照度的关系曲线如图开路电压和短路电流与光照度的关系曲线如图8-22所示。所示。 开路电压与光照度关系是非线性的，而且在光照度为开路电压与光照度关系是非线性的，而且在光照度为1000Ix时出现时出现饱和，故其不宜作为检测信号；饱和，故其不宜作为检测信号； 短路电流（负载电阻很小时的电流）与光照度关系在很大范围是线短路电流（负载电阻很小时的电流）与光

37、照度关系在很大范围是线性的，负载电阻越小，线性度约好（见图性的，负载电阻越小，线性度约好（见图8-23），因此，将光电池作为），因此，将光电池作为检测元件时，是利用其短路电流，作为电流源的形式来使用。检测元件时，是利用其短路电流，作为电流源的形式来使用。光生电流光生电压开路电压 图图8-22 硅光电池的开路电压硅光电池的开路电压和短路电流与光照度关系和短路电流与光照度关系 图图8-23 硅光电池在不同负载下的光照特性硅光电池在不同负载下的光照特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 3频率特性频率特性 光电池的频率特性是指其输出电流随照射光调制频率变光电池的频率特性是指其输出电流随照射光调制频率

38、变化化的关系，如图的关系，如图8-24所示。所示。 硅光电池响应频率较高，高速计数的光电转换中一般采硅光电池响应频率较高，高速计数的光电转换中一般采用硅光电池；用硅光电池； 硒光电池响应频率较低，不宜用做快速光电转换。硒光电池响应频率较低，不宜用做快速光电转换。 图图8-24 光电池的频率特性光电池的频率特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 4温度特性温度特性 光电池的温度特性是指其开路电压和短路电流随温度变化的关系。光电池的温度特性是指其开路电压和短路电流随温度变化的关系。图图8-25是硅光电池在是硅光电池在1000Ix照度下的温度特性曲线。由图可见：照度下的温度特性曲线。由图可见： 开路

39、电压随温度升高下降很快，约开路电压随温度升高下降很快，约3mV/； 短路电流随温度升高而缓慢增加，约短路电流随温度升高而缓慢增加，约2 10-6A/。 5稳定性稳定性 光电池的稳定性很好，使用光电池的稳定性很好，使用寿命很长。但要防高温和强光寿命很长。但要防高温和强光照射，保存光电池时切忌短路。照射，保存光电池时切忌短路。 图图8-25 硅光电池的温度率特性（照度硅光电池的温度率特性（照度1000Ix）8.3 光源及光学元件光源及光学元件8.3.1 光源光源 1白炽灯白炽灯 白炽灯是利用电能将灯丝加热至白炽而发光，其辐射的白炽灯是利用电能将灯丝加热至白炽而发光，其辐射的光光谱是连续的，除可见光

40、外，同时还有辐射大量的红外线和谱是连续的，除可见光外，同时还有辐射大量的红外线和少少量的紫外线。量的紫外线。 2发光二极管发光二极管(电能电能 光能光能) 发光二极管发光二极管(Light Emitting Diode,LED)，由半导体，由半导体PN结结构成，能将电能转换成光能的半导体器件。构成，能将电能转换成光能的半导体器件。 特点：特点：工作电压低（工作电压低（13V），工作电流小），工作电流小(小于小于40mA)，响应快（一般为响应快（一般为10-610-9s），体积小，重量轻，坚固耐），体积小，重量轻，坚固耐振，寿命长，比普通光源单色性好等，广泛用来作为微型振，寿命长，比普通光源单色

41、性好等，广泛用来作为微型光光源和显示器件光光源和显示器件。8.4 光电式传感器的应用光电式传感器的应用 光电式传感器光电式传感器=光源光源+光学元件光学元件+光电元件光电元件设计应用中，要特别注意光电元件与光源的光谱特性匹配。设计应用中，要特别注意光电元件与光源的光谱特性匹配。8.4.1 模拟式光电传感器模拟式光电传感器 模拟式光电传感器将被测量转换成连续变化的电信号，模拟式光电传感器将被测量转换成连续变化的电信号，与被测量间呈单值对应关系。主要有四种基本形式，如图与被测量间呈单值对应关系。主要有四种基本形式，如图8-30所示。所示。 图图8-30 光电元件的应用方式光电元件的应用方式（a）吸

42、收式；（）吸收式；（b）反射式；（）反射式；（c）遮光式；（）遮光式；（d）辐射式）辐射式8.4 光电式传感器的应用光电式传感器的应用8.4.2 脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出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，即仅有两种稳定状态，即“通通”和和“断断”的开关状态，的开关状态，称称为光电元件的开关应用状态。这种形式的光电传感为光电元件的开关应用状态。这种形式的光电传感器主要用于光电式转速表、光电计数器、光电继电器主要用于光电式转速表、光电计数器、光电继电器等。器等。8.4 光电式传感器的应用光电式传感器的应用8.4.3 应用

43、实例应用实例 1光电式带材跑偏仪光电式带材跑偏仪 图图8-31是光电式带材跑偏仪原理图，主要由边缘位置传是光电式带材跑偏仪原理图，主要由边缘位置传感器、测量电路和放大器等组成。它是用于冷轧带钢生产感器、测量电路和放大器等组成。它是用于冷轧带钢生产过过程中控制带钢运动途径的一种自动控制装置。程中控制带钢运动途径的一种自动控制装置。 图图8-31 光电式边缘位置传感器原理图光电式边缘位置传感器原理图 图图8-32 测量电路测量电路8.4 光电式传感器的应用光电式传感器的应用 带材边缘位置检测选用遮光式光电传感器，如图带材边缘位置检测选用遮光式光电传感器，如图8-33所所示，光电三极管（示，光电三极

44、管（3DU12）接在测量电桥的一个桥臂上，如）接在测量电桥的一个桥臂上，如图图8-32所示。所示。 采用角矩阵反射器能满足安装精度不高、工作环境有振采用角矩阵反射器能满足安装精度不高、工作环境有振动场合中使用，原理如图动场合中使用，原理如图8-3所示。所示。图图8-33 带材跑偏引起光通量变化带材跑偏引起光通量变化 图图8-34 角矩阵反射器原理角矩阵反射器原理 8.4 光电式传感器的应用光电式传感器的应用 2光电式转速计光电式转速计 光电转速计主要有反射式和直射式两种基本类型，如图光电转速计主要有反射式和直射式两种基本类型，如图8-35所示。所示。图图8-35 光电转速计光电转速计（a）反射

45、型；（）反射型；（b）直射型）直射型8.4 光电式传感器的应用光电式传感器的应用 为了提高转速测量的分辨率，采用为了提高转速测量的分辨率，采用机械细分技术机械细分技术，使转动体每转动一，使转动体每转动一周有多个（周有多个（Z）反射光信号或透射光信号。）反射光信号或透射光信号。 若直射型调制盘上的孔（或齿）数为若直射型调制盘上的孔（或齿）数为Z（或反射型转轴上的反射体数（或反射型转轴上的反射体数为为Z），测量电路计数时间为），测量电路计数时间为T秒，被测转速秒，被测转速n(r/min)，则计数值为，则计数值为N=nZT/60 (8-9)为了使计数值为了使计数值N能直接读出转速能直接读出转速n值，

46、一般取值，一般取ZT=60 10m（m=0,1,2,） 光电脉转换电路如图光电脉转换电路如图8-36所示。所示。图图8-36 光电脉冲转换电路光电脉冲转换电路8.4 光电式传感器的应用光电式传感器的应用 3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 主要利用光电池的光电特性、光谱特性、频率特性和温主要利用光电池的光电特性、光谱特性、频率特性和温度度特性等，通过基本光电转换电路与其它电子线路组合，可特性等，通过基本光电转换电路与其它电子线路组合，可实实现检测和自动控制的目的。如图现检测和自动控制的目的。如图8-37、图、图8-38所示。所示。8.4 光电式传感器的应

47、用光电式传感器的应用图图8-37 光电池应用的几种基本电路光电池应用的几种基本电路8.4 光电式传感器的应用光电式传感器的应用图图8-38 路灯自动控制器路灯自动控制器8.4 光电式传感器的应用光电式传感器的应用 4光电耦合器光电耦合器 将发光器件与光电元件集成在一起便构成光电耦合器，将发光器件与光电元件集成在一起便构成光电耦合器，如图如图8-39所示。所示。图图8-39 光电耦合器典型结构光电耦合器典型结构（a）窄缝透射式；（）窄缝透射式；（b）反射式；（）反射式；（c）、（）、（d）全封闭式）全封闭式8.5 光纤传感器光纤传感器8.5.1 光导纤维导光的基本原理光导纤维导光的基本原理 1光

48、导纤维的结构光导纤维的结构 光纤光纤结构结构如图如图8-40所示。所示。 纤芯纤芯，玻璃或石英，直径，玻璃或石英，直径为几十微米，折射率为几十微米，折射率n1； 包层包层，玻璃或塑料，玻璃或塑料，=100200 m , 折射率折射率n2； 保护层保护层，塑料，折射率，塑料，折射率n3； 其中其中n2n390 时，光线发生全反射，时，光线发生全反射， i c =arcsinNA； rsin c =NA， iarcsinNA，光线散失。，光线散失。NAnnc2221sin2sin1nNAc8.5 光纤传感器光纤传感器 c是入射光线在纤芯中全反射传输的是入射光线在纤芯中全反射传输的临界角临界角，只要

49、入射，只要入射角小于角小于 c，全反射条件成立。，全反射条件成立。NA越大，越大， c也越大，满足全也越大，满足全反射条件的入射光的范围也越大。因此，反射条件的入射光的范围也越大。因此，NA是光纤的一个是光纤的一个重要参数。重要参数。 传感器所用光纤一般要求：传感器所用光纤一般要求： 0.2 NA 0.4(11.5 c 23.6 )；传输损耗；传输损耗 10dB/km。 光纤的光纤的“模模” 光纤中能传输的光波是其横向分量在光光纤中能传输的光波是其横向分量在光纤中纤中形成驻波的光线组。这样一些光线组称为形成驻波的光线组。这样一些光线组称为“模模”。通信技。通信技术上术上常用的光纤模式：常用的光

50、纤模式： 单模（基模）光纤：单模（基模）光纤： 510 m纤芯，只能传输一个模纤芯，只能传输一个模式（基模）的光波；式（基模）的光波； 多模光纤：多模光纤： 50150 m纤芯，传输多种模式的光波。纤芯，传输多种模式的光波。8.5 光纤传感器光纤传感器8.5.2 光纤传感器的结构和类型光纤传感器的结构和类型 结构：结构：光纤传感器一般由光源、敏感元件、光纤、光敏光纤传感器一般由光源、敏感元件、光纤、光敏元元件（光电接收）和信号处理系统组成。件（光电接收）和信号处理系统组成。 类型：类型： 按工作原理分类：按工作原理分类： 1功能型光纤传感器功能型光纤传感器 利用光纤本身的某种特性或功能利用光纤

51、本身的某种特性或功能制制成的传感器，如图成的传感器，如图8-42（a）所示。功能型光纤传感器只能）所示。功能型光纤传感器只能用单模光纤。用单模光纤。 2传光型光纤传感器传光型光纤传感器 光纤仅仅起传输光波的作用，必光纤仅仅起传输光波的作用，必须须在光纤端面加装其它敏感元件，才能构成传感器，如图在光纤端面加装其它敏感元件，才能构成传感器，如图8-42（b）所示。传光型光纤传感器主要采用多模光纤。）所示。传光型光纤传感器主要采用多模光纤。8.5 光纤传感器光纤传感器图图8-42 光纤传感器类型光纤传感器类型（a）功能型；（）功能型；（b）传光型）传光型 8.5 光纤传感器光纤传感器 按对光波的调制

52、方式分类：按对光波的调制方式分类： 1.强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器 利用被测对象的变化引起敏感利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变变化来实现敏感测量的传感器。化来实现敏感测量的传感器。 2.相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 利用被测对象对敏感元件的作利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对对象

53、的信息。象的信息。 3.频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器 利用被测对象引起光频率的变利用被测对象引起光频率的变化来进行检测的传感器。化来进行检测的传感器。 4.偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 利用光的偏振状态的变化来传利用光的偏振状态的变化来传递被测对象信息的传感器。递被测对象信息的传感器。8.5 光纤传感器光纤传感器8.5.3 光纤传感器的应用光纤传感器的应用8.5.3.1 光纤位移传感器光纤位移传感器 1光纤开关与定位装置光纤开关与定位装置 利用光纤中光强度的跳变（开关）来测出各种移动物体利用光纤中光强度的跳变（开关）来测出各种移动物体的极端位置，输出信号是跳变信号。的极

54、端位置，输出信号是跳变信号。 8.5 光纤传感器光纤传感器 简单光纤开关、定位装置简单光纤开关、定位装置，如图，如图8-43所示。所示。 图图8-43(a)：光纤计数；测位移（工件间隔均匀、已知）。：光纤计数；测位移（工件间隔均匀、已知）。 图图8-43(b)：测角为移；测转速。：测角为移；测转速。 图图8-43(c)：工件加工定位装置。：工件加工定位装置。 图图8-43(d)：光纤液位检测、控制装置。：光纤液位检测、控制装置。图图8-43 简单光纤开关定位装置简单光纤开关定位装置8.5 光纤传感器光纤传感器 移动球镜式光纤开关传感器移动球镜式光纤开关传感器，如图，如图8-44所所示。示。 图

55、图8-44 移动球透镜位移传感器移动球透镜位移传感器（a）原理图；（）原理图；（b）光强比值与位移关系）光强比值与位移关系8.5 光纤传感器光纤传感器 2.传光型光纤位移传感器传光型光纤位移传感器 由两段光纤构成，当它们之间产生相对位移时，通过它们由两段光纤构成，当它们之间产生相对位移时，通过它们的光强发生变化，从而达到测量位移的目的。的光强发生变化，从而达到测量位移的目的。 反射型光纤位移传感器反射型光纤位移传感器，如图，如图8-46所示。所示。 图图8-46 反射型光纤位移传感器反射型光纤位移传感器（a）原理图；（）原理图；（b）输出电压与位移关系）输出电压与位移关系8.5 光纤传感器光纤

56、传感器 直射型光纤位移传感器直射型光纤位移传感器，如图，如图8-45所示。所示。 图图8-45 直射型光纤位移传感器直射型光纤位移传感器8.5 光纤传感器光纤传感器 其它光纤位移传感器，如图其它光纤位移传感器，如图8-47所示。所示。图图8-47 光纤位移传感器光纤位移传感器（a）档光型；（）档光型；（b）楔合型）楔合型8.5 光纤传感器光纤传感器 3.受抑全内反射光纤位移（液面）传感器受抑全内反射光纤位移（液面）传感器 基于全内反射被破坏，而导致光纤传输特性改变的原理，基于全内反射被破坏，而导致光纤传输特性改变的原理，可以制成位移传感器来测位移、压力可以制成位移传感器来测位移、压力温度、液位

57、等。温度、液位等。 受抑全内反射光纤位移传感器受抑全内反射光纤位移传感器，如图，如图8-48所示，直接耦所示，直接耦合。合。图图8-48 受抑全内反射位移传感器受抑全内反射位移传感器8.5 光纤传感器光纤传感器 棱镜式全内反射光纤位移传感器棱镜式全内反射光纤位移传感器，如图，如图8-49所示，棱镜所示，棱镜耦合。耦合。 图图8-49 棱镜式全内反射光纤位移传感器棱镜式全内反射光纤位移传感器8.5 光纤传感器光纤传感器 全内反射光纤液面探测器全内反射光纤液面探测器，如图，如图8-50所示，空气耦合。所示，空气耦合。 图图8-50 光纤液面探测器光纤液面探测器（a）圆锥体测头；（）圆锥体测头；（b

58、）U型测头；（型测头；（c）棱镜测头）棱镜测头8.5 光纤传感器光纤传感器 光纤液体分界面探测器光纤液体分界面探测器，如图，如图8-51所示，液体耦合。所示，液体耦合。 图图8-51 光纤液体分界面探测器光纤液体分界面探测器（a）原理图；（）原理图；（b）改进测头）改进测头8.5 光纤传感器光纤传感器 4光纤干涉型位移传感器光纤干涉型位移传感器 为了提高测量精度或扩大测量范围，常使用相位调制的为了提高测量精度或扩大测量范围，常使用相位调制的光光纤干涉仪作为位移传感器。纤干涉仪作为位移传感器。 迈克尔逊（迈克尔逊（Michelson）光纤干涉仪）光纤干涉仪，如图，如图8-52所示。被所示。被测量

59、引起棱镜测量引起棱镜5位移，从而改变测量光束光程，与参考光束位移，从而改变测量光束光程，与参考光束间产生光程差，致使干涉条纹移动。干涉条纹量反映被测间产生光程差，致使干涉条纹移动。干涉条纹量反映被测位位移的大小，测位移。移的大小，测位移。图图8-52 迈克尔逊光纤位移干涉仪迈克尔逊光纤位移干涉仪8.5 光纤传感器光纤传感器 法布里法布里-泊罗（泊罗（Fabry-Perot）光纤干涉仪）光纤干涉仪，如图，如图8-53所所示。振动模片示。振动模片5与光纤与光纤4端面间的多光束干涉（端面间的多光束干涉（F-P干涉仪）干涉仪）受其间距的影响，可测振动模片的位移或振动。分辨率极受其间距的影响，可测振动模

60、片的位移或振动。分辨率极高，能反映高，能反映0.01 的微小位移。的微小位移。 图图8-52 Fabry-Perot光纤位移干涉仪光纤位移干涉仪1-He-Ne激光光源；激光光源；2-透镜；透镜；3-半反镜；半反镜；4-单模光纤；单模光纤；5-振动模片；振动模片；6-光探测器光探测器8.5 光纤传感器光纤传感器 5功能型光纤压力传感器功能型光纤压力传感器 图图8-54是一种功能型光纤压力传感器原理原理图。是一种功能型光纤压力传感器原理原理图。 基本原理基本原理：利用光纤的：利用光纤的微弯损耗微弯损耗效应，可以测压力或位效应，可以测压力或位移。移。 压力（位移）压力（位移） 光纤微弯光纤微弯 传输