第9章-光电式传感器

第9章光电式传感器9.1光电效应9.2光电式传感器器件9.3光电式传感器的常用型号9.4光电式传感器的应用

9.1光电效应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。向外发射的电子则称为光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。因为光的波长越短，即频率越高，其光子的能量越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。根据能量守恒定理有

（9-1）式（9-1）为爱因斯坦光电效应方程式，由此可知，光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应元件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。9.1光电效应内光电效应受光照物体电阻率发生改变，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：在光线作用下，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，如图9-1所示，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，这就是光电导效应。1．光电导效应9.1光电效应内光电效应在光线的作用下物体产生一定方向的电动势的现象，称为光生伏特效应。根据其产生电势的机理可分为，侧向光生伏特效应和PN结光生伏特效应，其中PN结光生伏特效应应用较广。当光照射到PN结上时，如果光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能够从价带激发到导带成为自由电子，价带成为自由空穴。从而在PN结内产生电子-空穴对。这些电子-空穴对在PN结的内部电场作用下，电子移向N区，空穴移向P区，电子在N区积累，空穴在P区积累，从而使PN结两端形成电位差，PN结两端便产生了光生电动势。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。

2．光生伏特效应9.2光电式传感器器件基于外光电效应的光电器件光电管由一个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空的或充气的玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央。1．光电管当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串入一适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成光电流I，并在负载电阻RL上产生输出电压Uo。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压Uo与入射光通量Φ成正比

。9.2光电式传感器器件基于外光电效应的光电器件光电倍增管由光阴极、次阴极（倍增电极）以及阳极三部分组成，如图9-4所示。光阴极是由半导体光电材料锑化铯做成，次阴极是在镍或铜－铍的衬底上涂上锑化铯材料而形成，次阴极多的可达30级，通常为12级～14级。最后阳极用来收集电子，输出电压脉冲。一般收集的阳极电子流比阴极发射的电子流大105～108倍。2．光电倍增管9.2光电式传感器器件基于外光电效应的光电器件光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电子叫做二次电子。光电倍增管的光电转换过程为：当入射光的光子打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又打在电位较高的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极产生的二次电子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在回路中形成比较大的光电流I。光电倍增管的倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数δi的乘积。如果n个倍增电极的δi都一样，则

M=δin

设光电倍增管的电流放大倍数为β，则2．光电倍增管9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件光敏电阻又称为光导管，由半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单，如图9-5所示，在玻璃底板上均匀涂上薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，使金属电极与半导体层可靠电接触，然后将其压入塑料封装体内，为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内投射率最大。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻元件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。1．光敏电阻9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件光敏电阻的基本参数①暗电阻置于室温、全暗条件下测得稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1MΩ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。②亮电阻光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。③光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。光敏电阻的特性①伏安特性②光照特性③光谱特性④频率特性⑤温度特性

1．光敏电阻9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件光电池是一种在光线照射下，基于光生伏特效应能直接产生电动势，即直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源，电路中有了它可不需外加电源。2．光电池硅光电池（太阳能电池）是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质形成PN结，其原理结构如图9-11所示，当入射光照射在PN结上时，若光子能量hν大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在PN结内产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，因而形成光生电动势。9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件2．光电池主要特性

①光谱特性②光照特性

9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件2．光电池主要特性

③温度特性

④频率特性

9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件由于半导体材料对光的敏感性，使得PN结受到光照时，将产生电流增大的现象。因此，常规晶体管都用金属罐或其他壳体密封，以防光照。而光敏晶体管则必须使PN结能受到最大的光照射。3．光敏晶体管光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等统称为光敏晶体管。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，暗电流也较大。而光敏晶闸管的导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，输出功率也较大。9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件3．光敏晶体管1）光敏二极管的结构及工作原理光敏二极管在光耦合隔离器、光学数据传输装置和测试技术中应用广泛。光敏二极管结构的如图9-16所示，它的PN结设置在玻璃透镜的正下方，可以直接受到光的照射。光敏二极管在电路中处于反向偏置状态，其等效工作电路如图9-17所示。9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件3．光敏晶体管2）光敏三极管结构及工作原理NPN型光敏三极管的基本电路如图9-18（b）所示，大多数光敏三极管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子-空穴对，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，这样便会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，所以光敏三极管有放大作用。9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件3．光敏晶体管3）光敏晶体管的基本特性①光谱特性

9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件3．光敏晶体管3）光敏晶体管的基本特性②伏安特性

9.2光电式传感器器件基于内光电效应的光电器件3．光敏晶体管3）光敏晶体管的基本特性③温度特性

9.2光电式传感器器件光电耦合器件1．光电耦合器光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管（LED），光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光敏晶闸管等。光电耦合器件根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。

一般光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，有金属封装和塑料封装两种。耦合器常见的组合形式如图9-23所示。9.2光电式传感器器件光电耦合器件2．光电开关光电开关利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号。光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中应用于物体检测，产品计数，料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等方面。9.3光电式传感器的常用型号光电管光电阴极材料不同的光电管，有不同红限，因此可用于不同的光谱范围。光电管主要用于UV监测、激光测试、光谱学等。

9.3光电式传感器的常用型号光电倍增管光电倍增管由于电子的内倍增作用，与外增益器件相比，具有噪声低，响应快等特点，这对探测微弱的快速脉冲信号比较有利。

9.3光电式传感器的常用型号光敏电阻使用光敏电阻应该注意遵照使用条件与环境条件，特别是要控制入射的辐射通量以限制光电流，以避免烧坏器件。

9.3光电式传感器的常用型号光电晶体管光电晶体管的工作条件不能超过规定的最大极限参数，使用中要控制光照，使通过光电晶体管的光电流不超过最大限额。由于光电晶体管的灵敏度与入射光方向有关，使用时应尽量保持光源与光敏管的位置不变。

9.3光电式传感器的常用型号光电耦合器光电耦合器输入输出电路完全实现电的隔离，对于信号的传输，甚至在高压电路中，都可以有良好的电流传输率。

9.3光电式传感器的常用型号常规检测光电传感器光电式传感器在实际工作中不仅常常用于我们熟知的常规检测，在长距离检测、色标检测、定区域检测中也很常见。

9.3光电式传感器的常用型号其他类型光电传感器9.4光电式传感器的应用图9-26是采用以硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。硫化铅光敏电阻的暗电阻为1MΩ,亮电阻为0.2MΩ（在光强度0.01W/m下测试），峰值响应波长为2.2μm，硫1．火焰探测报警器化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6μA。V1管集电极电阻两端并联68μF的电容，可以抑制100Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，元件阻值的变化不至于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定的工作。9.4光电式传感器的应用光电式纬线探测器是应用于喷气织机上，判断纬线是否断线的一种探测器。图9-27为光电式纬线探测器原理电路图，当纬线在喷气作用下前进时，红外发光管VD发出的红外光，经纬线反射，由光电池接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断。因此利用光电池的输出信号，通过后续电路放大、脉冲整形等，控制机器正常运转或者关机报警。但是，由于纬线线径很细，又是摆动着前进，形成光的漫反射，削弱了反射光的强度，而且还伴有背景杂散光，因此要求探纬器具有高的灵敏度和分辨率。为此，红外发光管VD采用占空比很小的强电流脉冲供电，这样既能保证发光管使用寿命，又能在瞬间有强光射出，以提高检测灵敏度。

2．光电式纬线探测器9.4光电式传感器的应用烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器上的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。3．烟尘浊度监测仪9.4光电式传感器的应用在进行物件的表面检测时，无缺陷的表面对入射光束的反射（或透射）方向和强度均是恒定的，而有缺陷的表面，对于光束的反射（或透射）则会在方向和强度上发生变化。因缺陷所引起的光通量变化，通过光电元件感受并转换为输出电信号，经过分析就能检测出表面的缺陷情况。4．表面缺陷光电传感器9.4光电式传感器的应用1）透射式光电数字转速表透射式光电数字转速表的工作原理如图9-30所示，在被测转速的电机上固定一个调制盘，将光源发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。光线每照射到光电器件上一次，光电器件就产生一个电信号脉冲，经整形放大，即可得到一个便于测量计数的频率信号。5．光电式转速表9.4光电式传感器的应用2）反射式光电转速表反射式光电转速表的工作原理如图9-31所示。在被测转轴端面上装有码盘或贴上带反光特性的标志。光源经光学系统将一束光线投射到被测转轴的轴端面上，轴每转一周，反射光投射到光敏元件上的强弱将发生一次改变，相应输出一个电脉冲信号。光敏元件接收到的反射光经过整形、放大、计数，即可得出被测对象的转速。5．光电式转速表本章小结1．光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，将光信号转换为电信号。它的转换原理是基于物质的外光电效应和内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。2．基于外光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。光电阴极材料不同的光电管，有不同红限，因此可用于不同的光谱范围。光电管主要用于UV监测、激光测试、光谱学等。光电倍增管由于电子的内倍增作用，与外增益器件相比，具有噪声低，响应快