第10章光电式传感器

第10章光电式传感器第10章

光电式传感器主要内容：

10.1光电效应

10.2光电器件

光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、

光电池、其他光电器件、电荷耦合器

10.3光栅式传感器

第10章

光电式传感器概述

光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如：

光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电耦合器、光纤等等。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。第10章

光电式传感器概述

指纹锁门禁光电鼠标第10章

光电式传感器概述

料位自动控制电动扶梯自动启停光电开关第10章

光电式传感器概述

光栅光纤光电管光敏电阻

10.1光电效应

第10章

光电式传感器

传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：外光电效应内光电效应光电导效应

光生伏特效应

第10章

光电式传感器10.1光电效应

10.1.1工作原理(1)外光电效应

在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：

——普朗克常数()

——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大第10章

光电式传感器10.1光电效应

10.1.1工作原理

如果光子的能量E大于电子的逸出功A，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。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。

由能量守恒定律有：第10章

光电式传感器光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。10.1光电效应

10.1.1工作原理(2)内光电效应第10章

光电式传感器10.1光电效应

10.1.1工作原理(2)内光电效应光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：不加偏压的PN结处于反偏的PN结第10章光电传感器

不加偏压的PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0＞Eg）,可激发出电子——空穴对，在

PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.

基于这种效应的器件有光电池

10.1光电效应

10.1.1工作原理(2)内光电效应第10章

光电式传感器

处于反偏的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管.10.1光电效应

10.1.1工作原理(2)内光电效应第10章

光电式传感器10.2光电器件

（1）光电管

当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。因此

第10章

光电式传感器10.2光电器件

（1）光电管第10章

光电式传感器10.2光电器件

（1）光电管第10章

光电式传感器10.2光电器件

（2）光电倍增管

光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。第10章

光电式传感器10.2光电器件

（2）光电倍增管第10章

光电式传感器

光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（10个左右），在阳极和阴极之间加有几百～上千伏的高压，每个倍增极间有100～200V高压，电流增益在105数量极。倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为：式中： ——

常数

——

光电倍增管倍增极数10.2光电器件

（2）光电倍增管第10章

光电式传感器上式可见，外加电压Ud的变化引起光电倍增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。另外，为减少光电倍增管受温度影响，在核探测技术中“稳谱”是一个重要内容，与光电倍增管的指标、参数密切相关。10.2光电器件

（2）光电倍增管增益变化为：第10章

光电式传感器10.2光电器件

（2）光电倍增管

光电倍增管测量电路

第10章

光电式传感器10.2光电器件

（2）光电倍增管

核仪器测量中的谱线漂移

第10章

光电式传感器10.2光电器件

（2）光电倍增管基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪第10章

光电式传感器10.2光电器件

（3）光敏电阻

光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。

光敏电阻结构及符号

第10章

光电式传感器10.2光电器

（3）光敏电阻第10章

光电式传感器光敏电阻光照特性:

无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；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。光敏电阻主要参数:

暗电阻——无光照时的电阻；暗电流——无光照时的电流；亮电阻、亮电流——受光照时的阻值、电流；光电流——亮电流与暗电流之差称光电流。10.2光电器件

（3）光敏电阻第10章

光电式传感器

伏安特性给定偏压光照越大光电流越大；给定光照度电压越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。10.2光电器件

（3）光敏电阻——基本特性光敏电阻伏安特性第10章

光电式传感器

光谱特性光敏电阻灵敏度与入射波长有关;

光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，材料与相对灵敏度峰位波长例图：硫化镉（CdS）0.3～0.8(μm)硫化铅（PbS）1.0～3.5(μm)锑化铟（InSb）1.0～7.3(μm)

10.2光电器件

（3）光敏电阻——基本特性第10章

光电式传感器10.2光电器件

（3）光敏电阻——基本特性光敏电阻的光谱特性第10章

光电式传感器10.2光电器件

（3）光敏电阻——基本特性

温度特性温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。

光敏电阻温度特性第10章

光电式传感器10.2光电器件

（3）光敏电阻——应用光敏电阻开关电路第10章

光电式传感器10.2光电器件

（3）光敏电阻——应用光敏电阻在声、光控开关中的应用第10章

光电式传感器10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管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、可靠性高;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。

第10章

光电式传感器10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管

①光敏二极管

光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个P—N结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。硅光敏二极管结构

第10章

光电式传感器工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管

光敏二极管基本电路

第10章

光电式传感器

基本特性：光照特性，图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。

光敏二极管光照特性

10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管第10章

光电式传感器光谱特性，当入射波长＞900nm时，响应下降，因波长长，光子能量小于禁带宽度，不产生电子——空穴对；当入射波长＜900nm时，响应也逐渐下降，波长短的光穿透深度小，使光电流减小。10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管硅光敏二极管光谱响应

光敏晶极管光谱响应

第10章

光电式传感器光敏二极管伏—安特性

伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管第10章

光电式传感器

温度特性，由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管暗电流与温度关系第10章

光电式传感器

频率响应:光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。光敏二极管频率响应曲线

10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管第10章

光电式传感器

与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极—集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管

②光敏三极管光敏晶极管结构

第10章

光电式传感器

硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。在负载电阻RL上的输出电压为：

10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管

②光敏三极管——晶体管电流放大系数

第10章

光电式传感器光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线如图所示10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管等效电路

光敏晶体管伏安特性

第10章

光电式传感器

光敏晶体管的光谱特性硅材料的光敏管峰值波长在0.9μm附近（可见光）灵敏度最大；可见光或探测赤热状物体时一般都用硅管锗管的峰值波长约为1.5μm（红外光）对红外进行探测时用锗管较适宜。

10.2光电器件

(4)光敏二极管和光敏三极管

②光敏三极管光敏晶体管光谱特性第10章

光电式传感器

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源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。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。10.2光电器件

(5)光电池（有源器件）光电池符号第10章

光电式传感器10.2光电器件

(5)光电池（有源器件）太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池第10章

光电式传感器

结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子——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的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压50mA电流。10.2光电器件

(5)光电池（有源器件）光电池结构

光电池工作原理图

第10章

光电式传感器①光照特性开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度2000lx下趋于饱和。短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线曲线，短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流。10.2光电器件

(5)光电池（有源器件）第10章

光电式传感器

光电池光照特性

光电池光照与负载的关系

光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用，而作为电流源的形式应用。

10.2光电器件

(5)光电池（有源器件）第10章

光电式传感器②光谱特性光电池对不同波长的光灵敏度不同，硅光电池的光谱响应峰值在0.8μm附近，波长范围0.4～1.2μm。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。硒光电池光谱响应峰值在0.5μm附近,波长范围0.38～0.75μm。10.2光电器件

(5)光电池（有源器件）第10章

光电式传感器②光电池谱特性10.2光电器件

(5)光电池（有源器件）第10章

光电式传感器③频率特性频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池频率响应较好硒光电池较差。所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。10.2光电器件

(5)光电池（有源器件）硅、硒光电池的频率特性

第10章

光电式传感器10.2光电器件

(5)光电池（有源器件）④温度特性第10章

光电式传感器电路连接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。光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。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。10.2光电器件

(5)光电池（有源器件）第10章

光电式传感器

硅管的发射结导通电压为0.6V～0.7V，光电池的

0.5V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。有光照度变化时，引起基极电流Ib变化，集电极电流发生β倍的变化。电流Ic与光照近似线性关系。光电池电路连接

第10章

光电式传感器①PIN型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达1nS，适用于遥控装置。②雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大功能，高电流增益，可有效读取微弱光线，用于0.8μm范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。③光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通的可控硅元件。10.2光电器件

(6)其他光电管第10章

光电式传感器④达林顿光电三极管（光电复合晶体管），输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益大，I=IgI1I2。⑤光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检测。⑥半导体色敏传感器，可直接测量从可见光到红外波段的单色辐射波长。10.2光电器件

(6)其他光电管第10章

光电式传感器又称光电隔离器

“光耦”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——光、光——电，两次转换进行输入输出耦合。10.2光电器件

(6)其他光电管⑦光电耦合器件第10章

光电式传感器

“光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，器件有很强的抗干扰能力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。特别适宜做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。10.2光电器件

(6)其他光电管第10章

光电式传感器10.2光电器件

(6)其他光电管光电耦合器用于天然气点火器电路第10章

光电式传感器透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器产生相应的电信号。反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。10.2光电器件

(6)其他光电管⑧光电开关

光电开关结构与外形第10章

光电式传感器10.3光栅式传感器光栅式传感器的特点：精度高；大量程测量兼有高分辨率；可实现动态测量；具有较强的抗干扰能力。第10章

光电式传感器长光栅用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行；