光电传感器1课件

第九节光电传感器学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用。光电传感器通常是指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的器件。2023/1/161第四章非电量的电测技术一、光电效应及元件用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串具有能量（每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘以光的频率γ，即E=hγ）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应光导效应光生伏特效应2023/1/162第四章非电量的电测技术（一）外光电效应外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子，要使电子逸出物体表面，需对其做功A，以克服物体对电子的约束，A称为逸出功。设电子质量为m，逸出物体表面时的速度为υ，则电子的动能为mυ2/2。按照能量守恒与转换定律：

E=hγ=mυ2/2+A 爱因斯坦光电效应方程1、爱因斯坦光电效应方程2023/1/163第四章非电量的电测技术E=hγ=mυ2/2+A2．当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比。光愈强，意味着入射的光子数目越多，逸出的光电子数也就越多。3．光电子逸出物体表面时的初动能决定于光的频率。对于一定的物质，电子逸出功A是一定的，所以光子的能量hγ越大，则电子的初动能越大。2023/1/165第四章非电量的电测技术2、外光电元件紫外管当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线2023/1/166第四章非电量的电测技术光电管光电管的阴极受到从光窗透进的光照射后，向真空发射光电子，这些光电子向阳极作加速运动，形成空间电子流，光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强。停止光照，外电路将无电流输出。AKAK2023/1/167第四章非电量的电测技术（二）光导效应及器件半导体材料受到光照时，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光（电）导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。2023/1/169第四章非电量的电测技术2、光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。2023/1/1610第四章非电量的电测技术3、光敏电阻的主要参数及特点几乎都是用半导体材料制成的光电器件。没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小；当光敏电阻受到光照时，阻值减小。光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。2023/1/1611第四章非电量的电测技术工作原理：实质是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如p型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。最后建立一个与光照强度有关的电动势Es。图光电池工作原理图光生伏特效应PN结Es+-2023/1/1613第四章非电量的电测技术2、光电二极管工作原理与电池相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中,其PN结装在管的顶部,可以直接受到光照射。将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方2023/1/1614第四章非电量的电测技术工作原理光照射在PN结上；无光照时,反向电阻很大,反向电流很小（暗电流）。光照射PN结时,光子打在PN结附近,使PN结附近产生光生电子和空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。光的照度越大,光电流越大。光敏二极管在不受光照射时,处于截止状态,受光照射时,处于导通状态。光2023/1/1615第四章非电量的电测技术工作原理光敏晶体管与一般晶体管很相似,具有两个PN结,只是它的基区一边做得很大,以扩大光的照射面积。当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对,从而形成光电流,相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加,因此集电极电流是光生电流的β倍,所以光敏晶体管有放大作用。2023/1/1617第四章非电量的电测技术光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。2023/1/1618第四章非电量的电测技术4、光敏晶闸管导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。光敏晶闸管的特点：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。光敏面2023/1/1619第四章非电量的电测技术（2）光电开关从原理上讲，光电开关及光电耦合器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电耦合器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。遮断型光电开关反射型光电开关2023/1/1621第四章非电量的电测技术p210信号检测方法2023/1/1622第四章非电量的电测技术b）反射型光电开关反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（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，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。2023/1/1623第四章非电量的电测技术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，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光。反射板反射镜被测物体偏振光发射光2023/1/1625第四章非电量的电测技术被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线

漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。额定距离2023/1/1626第四章非电量的电测技术反射式烟雾报警器

在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。被测物体反射光通量的应用实例2023/1/1627第四章非电量的电测技术发电机起动，合S2～S4，