第八章光电式传感器

1、主要内容：主要内容： 光电器件光电器件 概述概述: :概述概述指纹锁指纹锁门禁门禁光光 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 8.1 8.1 光电效应光电效应 . .传统的光敏器件利用各种光电效应，传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：光电效应可分为： 外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应 8.1 8.1 光电器件光电器件 在在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。电效应。 光被看作是具有一定能量的光粒子组成，光被看作是具有一定能

2、量的光粒子组成， 光照射物光照射物体时，物体中的电子吸收入射光子的能量，每个体时，物体中的电子吸收入射光子的能量，每个 光子光子具有的能量是：具有的能量是： Eh vhv 8.1 8.1 光电器件光电器件 如果光子的能量如果光子的能量E E大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A0 0，超出的，超出的能量表现在电子逸出的动能能量表现在电子逸出的动能。 能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。于物体表面的电子逸出功。 20012EhvmvA 由能量守恒定律有：由能量守恒定律有：（爱因斯坦光电效应方程）（爱因斯坦光电效应方程）20012

3、EhvAmv 8.1 8.1 光电器件光电器件 u光电导效应：光电导效应： 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。 这种效应几乎所有高电阻这种效应几乎所有高电阻 率半导体都有，为使电子从率半导体都有，为使电子从 价带激发到导带，入射光子价带激发到导带，入射光子 的能量的能量E E0 0应大于禁带宽度应大于禁带宽度EgEg。 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。8.1 8.1 光电效应光电效应 8.1 8.1 光电效应光电效应 u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

4、应是半导体材料吸收光能后，在PNPN结上产结上产生电动势的效应。生电动势的效应。 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？ 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.18.1.1光敏电阻光敏电阻 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光照特性光敏电阻光照特性 光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电导率；光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电导率； 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。 8.1 8.1 光电器

5、件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 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之为光电流亮电流与暗电流之差称之为光电流 。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。阻的灵敏度越高。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 伏安特性：在一定的照度下，流过光

6、敏电阻的电流伏安特性：在一定的照度下，流过光敏电阻的电流与光敏两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。与光敏两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。 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敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、曲线不弯曲、 无饱和，无饱和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 2.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 特性特性 光谱特性：光敏电阻的相对光敏

7、灵敏度与入射波长的光谱特性：光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性。关系称为光敏电阻的光谱特性。 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; ; 对于不同的光，光敏电阻的灵敏度不一样。对于不同的光，光敏电阻的灵敏度不一样。 例图：例图： 硫化镉（硫化镉（CdSCdS）0.30.30.8(m)0.8(m)硫化砣（硫化砣（TISTIS）0.30.31.4(m)1.4(m) 硫化铅（硫化铅（PbSPbS）1.01.03.5(m) 3.5(m) 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 2.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 温度特性温度

8、特性 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 2.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 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、特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、 可靠性高可靠性高; ; 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。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 1.结构原理结构原理硅光敏二极管结构硅光敏二极管结构

9、8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 1.结构原理结构原理8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 1.结构原理结构原理 与普通晶体管不同的是，与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极光敏晶体管是将基极集电极集电极结作为光敏二极管，集电结做结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。的很大，以扩大光照面积。 大多数光敏晶体管的基极大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到封装上

10、有个小孔，让光照射到基区。基区。8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 2.基本特性基本特性 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直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接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控源，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。电池、砷化镓、氧化铜等等。8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.3

11、 光电池光电池 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.3 光电池光电池 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.3 光电池光电池 （有源器件）（有源器件） 太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能供 LED电警示太阳能电池 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，上电极为栅结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。状受光电极，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。一般可产生的电动势。一般可产

12、生0.2V0.2V0.6V0.6V电压电压50mA50mA电流。电流。 8.1 光电器件光电器件 8.1.3 光电池光电池 v 电路连接电路连接 光电池作为控制元件时通常接非线性负载，光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制晶体管工作。控制晶体管工作。 光电池作为电源使用时，根据使用要求进行光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。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。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.3 8.1.3 光电池（有源器件）光电池（有源器件） 硅管的发射结导通电压为硅管

13、的发射结导通电压为0.6V0.6V0.7V0.7V，光电池的，光电池的 0.5V0.5V电压起不到控制作用，可将两个光电池串联电压起不到控制作用，可将两个光电池串联 后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。 有光照度变化时，引起基极电流有光照度变化时，引起基极电流IbIb变化，集电极变化，集电极 电流发生电流发生倍的变化。倍的变化。光电池电路连接光电池电路连接 又称光电隔离器又称光电隔离器 “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，发光阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光

14、 管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用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。通过电下控制输出电流大小。通过电光、光光、光电，电， 两次转换进行输入输出耦合。两次转换进行输入输出耦合。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件。“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，有独立输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗，器件有很的输入输出阻抗，器件有很强的抗干扰能力和隔离性能强的抗干扰能力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。可避免振动、噪声干扰。 特别适宜做数字电路开关特别适宜做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离

15、器信号传输、逻辑电路隔离器计算机测量、控制系统中做计算机测量、控制系统中做 无触点开关等无触点开关等。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 光电耦合器件光电耦合器件 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 透射式，当不透明物质位透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接于中间时会阻断光路，接受器产生相应的电信号。受器产生相应的电信号。 反射式，光电开关的发射反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平与接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，面上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物交点处为待测点

16、，当有物体经过待测点时，接受元体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的件接收到物体表面反射的光线。光线。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 光电开关光电开关 光电开关结构与外形光电开关结构与外形 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.5 8.1.5 光电器件的测量方法光电器件的测量方法. . 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 光电器件的测量方法光电器件的测量方法 透明度混蚀度纸的白度工件表面粗糙度工件的尺寸振动测量照度计高温计 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光

17、电耦合器件光电耦合器件 光电器件的测量方法光电器件的测量方法 电梯平层用光电开关电梯平层用光电开关 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 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光导纤维光导纤维简称光纤简称光纤 光纤传感器是光纤传感器是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一年代中期发展起来的一门新技术门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：传感器相比较，光纤传感器有如下特点：

18、不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火； 可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.18.2.1光纤的结构及其传光光纤的结构及其传光 1)1)光纤结构：光纤结构： 12sinsinirnn 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.18.2.1光纤的结构及其传光光纤的结构及其传光 2)2)光纤传光原理：光纤传光原理： 光的折射示意图光的折射示意图临界状态示意图临界状

19、态示意图光的全反射示意图光的全反射示意图122sinsin90cnnn21sincnn21arcsincnn0112sinsinsinsiniinnnn10sinsininn90i 21sinsininn21111000022221212010sinsinsin(90)cos1 sin11 (sin)siniiiinnnnnnnnnnnnnnn 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.18.2.1光纤的结构及其传光原理光纤的结构及其传光原理 2)2)光纤传光原理：光纤传光原理： 2212sincnnNAsincNC 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.18.2.1光纤的结构及其传光

20、光纤的结构及其传光 2)2)光纤传光原理：光纤传光原理： 2221201sinsininnn 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角 度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； v 光线在光纤端面入射角光线在光纤端面入射角减小到某一角度减小到某一角度cc时，时，光线全部反射。光线全部反射。 v 只要只要2c2c，光在纤芯和包层界面上经若干次，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。全反射向前传播，最后从另一端面射出。 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.18.2.1光纤的

21、结构和传光原理光纤的结构和传光原理 2)2)光纤的传光原理：光纤的传光原理：为保证全反射，必须满足全反射条件（即为保证全反射，必须满足全反射条件（即cc） 实现全反射的临界入射角为：实现全反射的临界入射角为： 221201arcsin()cNNN空气中空气中01N 2212arcsin()cNNv 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（质（N1N1、N2N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。）决定的，与光纤的几何尺寸无关。8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.28.2.2光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数） 数值孔径（数值孔

22、径（NANA） 临界入射角临界入射角cc的正弦函数定义为光纤的数值孔径的正弦函数定义为光纤的数值孔径. . 221201sincNANNN空气中：空气中：2212NANN12()NNNANA意义讨论：意义讨论： NANA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在大，只要在2c2c张角之内的入射光才能被光纤接收、张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。光。 一般一般NANA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但容易。

23、但NANA越大光信号畸变越大，要选择适当。越大光信号畸变越大，要选择适当。 产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率N N，只给数值孔径，只给数值孔径NANA，石英光，石英光纤的数值孔径一般为：纤的数值孔径一般为：0.20.4NA 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式值定义为：值定义为： 02()VNA式中：式中：为纤芯半径为纤芯半径；0为入射波长。为入射波长。 8.2 8.2 光纤传感器光纤

24、传感器8.2.28.2.2光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数） 光纤模式（光纤模式（V V）光纤模式光纤模式模式讨论：模式讨论： 模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变导致合成信号畸变。 模式值模式值V V小，就是小，就是值小，即纤芯直径小，只能值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最

25、好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。连接困难。 除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤常用的普通光纤。 光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲 处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.28.2.2光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数） 传播损耗传播损耗 8

26、.2 8.2 光纤传感器光纤传感器 8.2.3 8.2.3 光纤传感器光纤传感器FF FF （Function Fibre OptilFunction Fibre Optil Sensor Sensor） 又称传感型又称传感型 这类传感器利用光纤这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象具有本身对外界被测对象具有 敏感能力和检测功能，光敏感能力和检测功能，光 纤不仅起到传光作用，而纤不仅起到传光作用，而 且在被测对象作用下，如且在被测对象作用下，如 光强、相位、偏振态等光光强、相位、偏振态等光 学特性得到调制，调制后学特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。的信号携带了被测信息。 8.2 8.

27、2 光纤传感器光纤传感器 8.2.3 8.2.3 光纤传感器光纤传感器 功能型功能型 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器 8.2.3 8.2.3 光纤传感器光纤传感器 功能型功能型 NFFNFF（Non-Function Fibre OptilNon-Function Fibre Optil Sensor Sensor） 称传光型称传光型 传光型光纤传感器的传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介，光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由待测对象的调制功能是由 其它光电转换元件实现的，其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤的状态是不连续的， 光纤只起传光作用。光纤只起传光作用。8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器 8.2.3 8.2.3 光纤传感器光纤传感器 非功能非功能型型 传感器是由半导体光吸收器、光纤、光源和光敏器传感器是由半导体光吸收器、光纤、光源和光敏器件组成。敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传件组成。敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透输信号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透 过薄片的光强受温度的调制，当温度过薄片的光强受温度的调制，当温度T T升高，材料吸收光升高，材