光电传感器-光敏传感器（传感技术课件）

任务6.1光敏传感器任务6.2光电池项目6光电传感器任务6.3光电管传感器在保证轨道交通安全上的一个重要应用是屏蔽门，过去曾多次出现过将乘客夹在屏蔽门和列车门之间的事故，现在越来越多的轨道交通车站正在安装或计划安装红外传感器或光传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电传感器它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。光电传感器原理：是将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置。光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。光电传感器6.1光敏传感器电磁波光是一种频率较高的电磁波（光的电磁理论）。能引起人们视觉的为可见光，不能引起人们视觉但可借助仪器检测出来的包括红外线、紫外线、无线电波、γ射线等。不同范围的电磁波其频率、能量、特性均不同。可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的范围；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400～760nm之间，但还有一些人能够感知到波长大约在380～780nm之间的电磁波。正常视力的人眼对波长约为555nm的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。不少其他生物能看见的光波范围跟人类不一样，例如包括蜜蜂在内的一些昆虫能看见紫外线波段，对于寻找花蜜有很大帮助。光敏传感器光敏传感器可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线红外线：波长780—106nm波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线光敏传感器光电效应是指一些金属、金属氧化物、半导体材料在光的照射下释放电子的现象。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf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的电效应。光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。光电效应概述1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。光电效应概述外光电效应在光线的作用下，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。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hγh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；γ—光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理

式中m—电子质量；9.1×10-31kgv—电子逸出速度W—电子逸出功该方程称为爱因斯坦光电效应方程。外光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率(ρ)发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。（1）光电导效应内光电效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。（2）光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。势垒效应（结光电效应）

接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，产生光电动势的现象，称为结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。加偏压的PN结不加偏压的PN结内光电效应利用物质在光的照射下电导性能改变（ρ）或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻可在直流电压下工作，也可在交流电压下工作。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。内光电效应材料：金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时,产生自由电子和空穴。光照越强,阻值就越低。入射光消失,电子-空穴对逐渐复合。光敏电阻光敏电阻结构符号（a）光敏电阻结构（b）电极（c）连接电路光敏电阻外形及结构当光敏电阻受到光照时，两个电极之间的阻值减小。光敏电阻当光敏电阻受到光照时，光生电子-空穴对增加，阻值减小，电流增大。无光照时的电流称为暗电流光照产生的电流称为亮电流光敏电阻原理演示光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。光敏电阻光敏电阻的主要参数和基本特性暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。光电流：亮电流与暗电流之差。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，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。光敏电阻（2）伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。U/V501001502001202040I/μA光敏电阻（3）光照特性在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。光敏电阻的光照特性曲线光敏电阻光通量的单位为“流明”(4)光谱特性照射光的波长与光电流之间的关系叫光谱特性。由实验可知,对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可以看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域。因此，在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。光敏电阻（5）频率特性实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数(毫秒数量级)，因而它们的频率特性也就各不相同。右图为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。横坐标f为光强度的变化，纵坐标为相对灵敏度。光敏电阻哪个性能更佳？（6）温度特性光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变。右图为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。横坐标为入射光波长，纵坐标为相对灵敏度。光敏电阻光敏晶体管光敏二极管，光敏三极管，光敏达林顿管（光敏复合管）以及光敏晶闸管等统称为光敏晶体管，可用于光的照度测量和控制。1.光敏二极管锗光敏二极管

硅光敏二极管光敏二极管结构与一般二极管都有一个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，它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接收到光照射。PN光光敏二极管符号RL

光PN光敏二极管接线光敏晶体管光敏二极管将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，当在光敏二极管两端施加电压后，流过PN结的光电流也相应增大，光电流与光照度成正比。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，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。因此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。光敏二极管光敏二极管的反向偏置接线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+—光照光敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，只是它的发射极e一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极b不接引线，故其外形与光敏二极管相似，从外观上较难区别。光敏三极管工作原理当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，会产生电子-空穴对，在内电场的作用下，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍。光敏三极管内部结构a)

内部组成b)管芯结构c）结构简化图

1—集电极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜

5—发射极引脚6—N+衬底7—N型集电区8—SiO2保护圈9—集电结10—P型基区11—N型发射区12—发射结光敏二极管和光敏三极管的区别光电流光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。响应时间光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5～10us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。光敏达林顿管在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图是达林顿光敏管，它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。光敏达林顿管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。光敏晶闸管的特点是：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。光敏面光敏晶体管的基本特性(1)光谱特性指在一定光照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。硅、锗光敏晶体管的光谱特性图如下。由图可知，硅晶体管的峰值波长为0.9μm左右，锗晶体管的峰值波长为1.5μm左右。根据要探测的光的类型，选择不同材料的光晶体管。(2)伏安特性在给定的照度下光敏晶体管上的电压UCE与光电流（即集电极电流）IC的关系。(与普通三极管类型，同样分饱和区、放