第7章光电式与光导式传感器

第7章光电式与光导式传感器7.1.1光电效应及分类7.1.2外光电效应的光电器件7.1.3内光电效应器件7.1.4光电元件的基本应用电路7.1.5*光电开关及光电断续器7.2光电传感器的应用7.3光导式传感器

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第7章1教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实验指导。

重点掌握光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管以及光电池的原理和应用。光电式传感器的核心部件是光电器件，它是将光能转换为电能的一种传感器件。光电器件的理论基础是光电效应，即金属、半导体等材料在光照下释放出电子的现象。根据释放出的电子的分布的不同，光电效应可分为以下三种情况：利用外光电效应工作的器件有光电管、光电倍增管等。利用内光电效应（光电导效应）工作的器件有光敏电阻等。利用光生伏特效应（阻挡层光电效应）工作的器件有光电晶体管、光电池等。光纤传感器以及CCD可以作为了解内容。授课时可以拿鼠标作为一个光敏二极管、三极管的应用实例，有实验设备的应开设本实验。

2几个世纪以来，关于光的本质，一直是物理学界争论的一个课题。两千多年前，人类已了解到光的直线传播特性，但对光的本质并不了解。1860年，英国物理学家麦克斯韦建立了电磁理论，认识到光是一种电磁波。光的波动学说很好地说明了光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象，但是仍然不能解释物质对光的吸收、散射和光电子发射等现象。1900年德国物理学家普朗克提出了量子学说，认为任何物质发射或吸收的能量是一个最小能量单位(称为量子)的整数倍。

31905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射等光电效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦认为，光是由一群光子组成的，每一个光子具有的能量E正比于光的频率v，即E=hv(h为普朗克常数)，光子的频率越高(即波长越短)光子的能量就越大。比如相同光通量的绿色光的光子就比红色光的光子能量大，而相同光通量的紫外线能量比红外线的能量大得多，紫外线可以杀死病菌，改变物质的结构等。爱因斯坦确立了光的波动—粒子两重性质，并为实验所证明。

4光照射在物体上会产生一系列的物理或化学效应，例如植物的光合作用，化学反应中的催化作用，人眼的感光效应，取暖时的光热效应以及光照射在光电元件上的光电效应等。光电传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化，就可以将非电量的变化转换成电量的变化。

5光电传感器具有结构简单、精度高、响应速度快、非接触等优点。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。

因此,利用各种光电元件制成的光电传感器广泛用于转速、位移、温度、浓度、浊度、距离等参数的测量，还可用于产品的计数、机床的保护装置等。随着电子工业的发展，新光源、新光电元件(如光导纤维、电荷耦合摄像、光电位置敏感元件)的出现，使光电传感器应用范围日趋扩大，不仅能测量一维量而且能够测量二维量，直接获得图形符号。光电传感器是一种很有发展前途的传感器。本章介绍光电效应、光电元件的结构和工作原理及特性，着重介绍光电传感器的各种应用。

67.1光电效应及分类1.光电效应光电传感器的工作原理基于光电效应。所谓光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生相应的电效应现象，如导电率变化、释放电子和产生电动势等。释放的电子叫光电子，能产生光电效应的物质叫光电材料。根据光电效应制造的转换元件称为光电元件或光敏元件。根据光电效应现象的不同将光电效应分为两类。

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1）外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

2）内光电效应：在光线作用下，物体的导电性(电阻率)能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：（1）光电导效应:在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。（2）光生伏特效应:在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光敏晶体管、光电池。

87.1.2外光电效应的光电器件1．光电管光电管有真空和充气光电管，常见的光电管外形和电路如图所示，阳极A与阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极上，阴极表面电子吸收光子的能量，当其自身能量足以克服阴极束缚力的时候，就会逸出阴极表面，如果在阴极与阳极之间加以正向电压，逸出的电子就会定向射向阳极而形成光电流。

9光电管主要有以下几点特性：(1).光电管的光谱特性

光电管的光谱特性是指光电管在工作电压不变的条件下，入射光的波长与其绝对灵敏度（即量子效率）的关系。光电管的光谱特性主要取决于阴极材料，常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴极等，前两种阴极使用比较广泛，图3和图4分别给出了它们的光谱特性曲线。

10(2).光电管的伏安特性

光电管的伏安特性是指在一定光通量照射下，光电管阳极与阴极之间的电压UA与光电流IΦ之间的关系。光电管在一定光通量照射下，光电管阴极在单位时间内发射一定量的光电子，这些光电子分散在阳极与阴极之间的空间，若在光电管阳极上施加电压UA，则光电子被阳极吸引收集，形成回路中的光电流IΦ。当阳极电压升高，阳极发射的光电子指引一部分被阳极收集，其余部分仍返回阴极。随着阳极电压的升高，阳极在单位时间内收集到的光电子数增多，光电流IΦ也增加。如果阳极电压升高到一定数值时，阴极在单位时间内发射的光电子全部被阳极收集，称为饱和状态，以后阳极电压升高，光电流IΦ也不会增加。

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(3).光电管的光电特性光电管的光电特性是指光电管阳极电压和入射光频谱不变的条件下，入射光的光通量Φ与光电流IΦ之间的关系，在光电管阳极电压足够大，使光电管工作在饱和状态条件下，入射光通量和光电流线性关系，参见图6所示。

(4).暗电流

如果将光电管置于无光的黑暗条件下，当光电管施加正常的使用电压时，光电管产生微弱的电流，此时电流称为暗电流。暗电流的产生主要是由漏电流引起的。

光电管常用在自动控制、无线电传真、有声电影及其它光电转换设备上。

122．光电倍增管图为光电倍增管的结构、图形符号和光电特性。光电倍增管在普通光电管阴、阳极的基础上，又加入了光电二次发射的倍增极。这些光电倍增极上面有着Sb(锑)-Cs(铯)或Ag(银)-Mg(镁)等光敏材料。在工作时，这些电极的电位逐级提高，当光照射阴极K时，阴极的光电子受第一倍增极VD1正电位的作用，加速并打在VD1上，由VD1产生的二次发射电子，在更高电位的VD2极的作用下，又加速射到VD2极上，在VD2极又将产生二次发射，这样逐级加速，一直到最后到达阳极A为止。

13若每级的倍增率均为δ，且倍增极的个数为n个，则该光电倍增管的灵敏度将是普通光电管的δn倍。一般光电倍增管的倍增极9~14个。光电倍增管的输出特性(光电特性)基本上是一条直线，如图(c)所示。在激光测量中，光电倍增管的应用相当广泛。

147.1.3内光电效应器件1.光敏电阻1).光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，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，电路中电流迅速增大。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量级，亮电阻值在几千欧以下。

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光敏电阻演示

暗电流（越小越好）16在半导体光敏材料两端装上电极导线，并将其封装在带有透明窗口的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的种类繁多，一般由金属的硫化物、硒化物等材料制成(如硫化镉、硫化铅、硫化铊、硒化镉、硒化铅等)。光敏电阻结构示意图及图形符号如图所示.

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第7章17光敏电阻具有很高的灵敏度，测量入射光的范围可以从紫外线区域到红外线区域，且体积小,性能稳定,广泛应用于自动化技术中.

182).光敏电阻的主要参数与基本特性①暗电阻与亮电阻:所谓暗电阻是指光敏电阻在不受光照射时的电阻值，流过光敏电阻的电流称为暗电流；在有光照射时，光敏电阻的阻值称为亮电阻，此时流过它的电流称为亮电流。亮电流与暗电流的差值称为光电流。光电流越大，灵敏度也越高，光敏电阻的性能越好。实用的光敏电阻，其暗电阻往往超过1MΩ，甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几千欧以下。②伏安特性：在一定的照度下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间的关系曲线，如图所示。

19③光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系曲线如图所示。由图可见，该曲线是非线性的。因此光敏电阻不宜做定量检测元件，而常在自动控制中用做光电开关。④光电灵敏度：指单位光通量由入射时能输出的光电流的变化，即

光照不同，灵敏度也发生变化。光照增大，灵敏度下降。

20⑤光谱特性：光敏电阻外加一定电压时，其输出电流与入射单色光波长之间的函数关系，即I=f(λ)，其关系曲线如图所示。K为相对灵敏度

21⑥频率特性：当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的延时特性。由于不同材料的光敏电阻的延时特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图所示。由图可知，光敏电阻的时延比较大，所以它不能用在要求快速响应的场合。光谱温度特性：光敏电阻受温度影响较大，随着温度的升高，暗电阻和灵敏度都下取其关系曲线如图所示，同时也影响它的光谱特性。3)光敏电阻好坏的判断:

将万用表置于RXlkΩ挡，置光敏电阻于距25W白炽灯50cm远处(其照度约为1001m)，可测得光敏电阻的亮电阻；再在完全黑暗的条件下直接测量其暗阻值。若亮阻值为几千欧姆到几十千欧姆，暗阻值为几兆欧姆至几十兆欧姆，则说明光敏电阻质量良好。

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光敏二极管的反向偏置接法

在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。

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光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示

在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。

当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。

光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照24

光敏二极管外形

包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。25利用光敏三极管可以实现简单的光电开关，电路图如(c)所示。图中两个光电开关在有光照和无光照的条件下，实现的开关状态截然相反。

光敏三极管外形: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。

26光电特性

0光照

光电流光敏三极管光敏二极管3000lx4mA0.3mAIΦE27

4.光敏晶闸管

光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。光敏面光敏晶闸管外形285.基于光生伏特效应的光电元件——光电池

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。工作原理:光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。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。

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光电池外形光敏面30

能提供较大电流的大面积光电池外形316．光电耦合器光电耦合器是由一个发光器件和一个光敏元件同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。最常见的情况是由一个发光二极管和一个光敏三极管组成，如图所示。常用的光电耦合器的形式还有如图(b)、(c)、(d)所示的几种。

32由于光电耦合器的体积小、无触点、寿命长、输入与输出间绝缘、隔离性能好、响应速度快、工作稳定可靠，因而被广泛用做固体继电器、稳压电路、信号调制电路等。图为微机I／O扩展接口芯片8255输出的正脉冲信号经过光电耦合器的传输后，作为步进电机的驱动信号。

337.1.4光电元件的基本应用电路光敏电阻、光敏晶体管、光电池等光电元件必须根据各自的特点，使用不同的电路，才能达到最佳的使用效果。1.光敏电阻基本应用电路图中，光敏电阻与负载电阻串联后，接到电源上。在图a中，当无光照时，光敏电阻Re很大，在RL上的压降Uo很小。随着入射光增大，Re减小，Uo随之增大。图b的情况恰好与图a相反，入射光增大，Uo反而减小。

342.光敏二极管应用电路光敏二极管在应用电路中必须反向偏置，否则其电流就与普通二极管的正向电流一样，不受入射光的控制了。如图都是正确的接法。在图中，利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。

353.光敏三极管应用电路光敏三极管在电路中必须遵守集电结反偏，发射结正偏的原则，这与普通三极管工作在放大区时条件是一样的。

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当无光照时，V1截止，IΦ=0，则V2处于什么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与Rb2位置上下对调，其结果如何？

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4.光电池的应用电路

(1)光电池短路电流测量电路

Ι/U转换电路的输出电压Uo与光电流ΙΦ成正比。若光电池用于微光测量时，ΙΦ可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。

38(2)光电报警电路当太阳光照射光电池时，如图所示的电路中，SCR有了门极触发电压，此时SCR导通，负载接通。电位器R调节光电平使报警器发出声响。

39(3).光电自动航标灯光电自动航标灯的工作原理电路如图所示，由硅光电池组和镍铬蓄电池组分别供电。光电三极管VT为控制元件。

407.2光电传感器的应用光电传感器属于非接触式测量，目前越来越多地用于生产的各领域。依被测物、光源、光电元件三者之间的关系，光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。

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第7章41

1.光电式转速表

光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。

n=60(f/z)

42

2.水泵转速测量43

光电式转速表外形

443.光电自动门自动门光电传感器放大图有效检测区域454.被测物遮挡光通量的应用实例

光电式带材跑偏检测器

光电传感器

带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。

当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。

46光电式带材跑偏检测控制器原理1—

被测带材2—卷取电机3—卷取辊4—液压缸5—活塞6—滑台7—光电检测装置8—光源9、10—透镜11-光敏电阻R112—遮光罩

指针将偏向左边还是右边？47带材纠偏系统485.防盗口

496.反射镜反射型工件计数

507.反射镜反射型传感器单侧安装，需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。散射型安装最为方便，只要不是全黑的物体均能产生漫反射。散射型光电开关的检测距离与被测物的黑度有关，一般较小，只有几百毫米。

518.案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移

案例：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。52

9.烟雾报警器外形

（参考南京千里通公司无线烟雾报警器资料）

无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。

烟雾报警53无线烟雾报警器内部结构

可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器54被测物体反射光通量的应用实例

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。555.光敏晶闸管应用电路

光敏晶闸管用于功率控制，额定电流大，反向击穿电压高。图为光控路灯电路。VTl是光敏晶闸管，VT2是大功率双向晶闸管。当光照度下降至一定值时，光敏晶闸管VTl截止。电源经VD、R1、R2向Cl充电。当Cl的端电压超过VT2的触发电压时，VT2触发导通，HL(路灯)亮。

567.3CCD摄像传感器及其应用7.3.1CCD的基本结构及原理

7.3.2CCD图像传感器的应用577.3.1CCD的基本结构及原理CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS电容器组成的阵列，其构造如图所示。在P型或N型衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。587.3.2CCD图像传感器的应用CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度较宽的动态范围，所以它可广泛用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。59文字及图形识别。将线阵CCD图像传感器的自扫描输出特性和微处理器的信号处理能力结合起来可以实现文字及图形识别。60第4节光导式(光纤)传感器7.4.1光导纤维传感器7.4.2光在光导纤维中的传输原理7.4.3光纤传感器

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第7章617.4.1光导纤维传感器

1970年美国成功研制出传输损耗为20dB／km的石英玻璃光导纤维(又称光学纤维)，这是光通信史上一个划时代的贡献。1979年日本研制成功了传输损耗仅为0．2dB／km的光导纤维。由于光导纤维(简称光纤)具有很多优点，因此用它组成的光纤传感器(OFS)解决了许多以前难以解决，甚至是不能解决的技术难题。它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信上的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础——信息高速公路奠定了基础，为多媒体(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方面，而且在其它方面也提出了许多新的应用方法，例如，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。

62光导纤维简称光纤，它是以特别的工艺拉成的细丝。光纤透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有能把光封闭在其中，并沿轴向进行传播的特征。光的全反射实验

63各种装饰性光导纤维

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发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。上海东方明珠651.光纤传感器的特点:与常规传感器相比，光纤传感器具有如下特点：光纤传感器是近年来随着光导纤维技术的进步而发展起来的新型传感器。光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、不怕雷电击、防燃防爆、绝缘性好、柔韧性好、耐高温、重量轻、耗电少等特点。它的测量范围十分广泛，可用于热工参数、电工参数、机械参数、化学参数的测量，还可以医用内窥镜、工业内窥镜等领域，进行图像扫描和图像传输。662.光纤的结构所谓光导纤维是一种传输光信息的导光纤维。它是由石英玻璃或塑料制成的，结构很简单。光纤的基本结构示意图如图所示，由导光的芯体玻璃(简称纤芯)和包层组成。纤芯位于光纤的中心部位，其直径约为(5~100)um。包层可用玻璃或塑料制成。包层的外面常有塑料或橡胶的外套，保护纤芯和包层并使光纤具有一定的机械强度。671.光的反射、折射

当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。n为介质的折射率。

7.3.2光在光导纤维中的传输原理

光在光导纤维中的传输主要利用光的折射和反射现象，特别是光的全反射现象。68

光的全反射

当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。692.光纤的传光原理

光在光纤中的全反射

70式中,NA称为数值孔径，是表示向光导纤维入射的信号光波难易程度的参数：n1、n2分别为芯子及包皮的折射率；由式上式可知，光纤的临界入射角的大小是由光纤本身的性质——折射率n1、n2所决定的。NA越大，表明可以在较大入射角范围内输入全反射光，并保证此