传感器知识 第9章 光电传感器学习资料

第九章光电传感器

本章学习光电效应、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，掌握光电开关的使用方法。原理：光电式传感器（或称光敏传感器）是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。光电传感器由光源、光学通路和光电元件组成。光源光通路光电器件测量电路光量光量电量输出按工作原理分类光电效应传感器红外热释电探测器固体图像传感器光纤传感器1、光电效应传感器是应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。2、红外热释电探测器主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。3、固体图像传感器结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。

主要特点：精度高、反应快、结构简单、形式多样、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点。可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、加速度等4、光纤传感器它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。透射式反射式辐射式开关式四种基本形式透射式辐射式反射式开关式

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。

第一节光电效应与光电器件光电效应

用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为h

的光子的轰击，组成这个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。

1.外光电效应2.内光电效应光生伏特效应光电导效应

一、光电管、光电倍增管

——利用外光电效应制成的光电器件单个光子能量：普郎克常数光波频率——不同频率或波长的光具有不同的能量波动性：以光速运动，干涉、衍射粒子性：具有一定的质量和能量的粒子光——以光速运动的粒子流波粒二象性外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。可见，要使光电管中的自由电子逸出，频率不能太低，波长也不能太长。得或所以光电管中的自由电子逸出条件：电子吸收光子能量克服物质的束缚，电子逸出功转化为逸出电子的动能光电管测量电路：光电管电压输出阴极阳极光输入在光的照射下，光电子从阴极表面逸出，被阳极吸引，在光电管内形成光电流。若光强增大，光电流就变大，输出电压也变大，从而实现光电转换。

（一）光电管光输入阳极阴极电子逸出电输出光谱特性：工作电压不变，入射光波长与灵敏度（量子效率）的关系。光谱特性取决于阴极材料，不同阴极材料的光电管其灵敏度分布不同。

0.20.40.6

25201510500.20.40.60.81.0

0.50.40.30.20.1（二）光电倍增管光电倍增管具有放大光电子电流的能力。光电倍增管具10---15级倍增电极，电位依次升高，使得阴极因接受光能而发射的电子逐级加速，且受光电子的数量逐级增多，形成较大的光电流。可用于微光测量。设单级的信号倍增率为，则多级的倍增率为。光输入阳极阴极

-++++

-

-

-+

-++

-+

-

-——放大光电流光电倍增管基本电路：直流电源光线输出电压阴极阳极

10-1610-1210-810-41

10210-2

10-6

10-10

50100150

121086420二、光敏电阻（一）工作原理：由半导体材料构成，利用内光电效应而工作。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，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直流电压，也可以加交流电压工作。光照电路符号光敏电阻演示

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。暗电流（越小越好）光敏电阻

当光敏电阻受到光照时，阻值减小。（二）特性参数

1.暗电阻与亮电阻

暗电阻-----在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的暗阻大于等于0.1兆欧。

亮电阻-----在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于1000欧。

光敏电阻接在电路上，亮电流与暗电流之差被称为光电流。光敏电阻的亮电阻越大，暗电阻越小，灵敏度越高。三、光敏二极管和光敏晶体管（一）工作原理

1.光敏二极管：正常情况下，PN结反向是不导通的。当被光线照射时，PN结反向导通，可以感测光信号。NP电路符号结构示意基本电路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。

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

0.5

1.01.52.02.53.03.510080

60

4020

0

0

0.20.40.60.81.01.2

0.300.250.20

0.150.10

0.05非线性：不适合于作测量元件光敏二极管

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，光电流与照度成正比。提高光电转换能力：

面积大、浅结的PN结光敏二极管电路管芯结构光敏二极管

光敏二极管外形

光敏二极管阵列红外发射、接收对管外形

红外发射管红外接收管光敏三极管外形

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。

光敏三极管的电路光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线，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，所以光敏晶体管有放大作用。光敏晶体管

光敏三极管的光谱特性

400

6008001000120014001600180010080

60

4020

0光敏三极管的光照特性

2004006008001000

4

3

21

0

2468101214

43210光敏三极管伏安特性光敏二极管和三极管的主要差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。输出特性光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。四、光电池（一）工作原理光生伏特效应。光线照射发电电路符号在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。

（二）基本特性

1.光谱特性：

一定照度下,光波波长与光电池灵敏度的关系。

2.光电特性:

光照度与输出电动势、输出电流之间的关系。

（紫外---紫----红----红外）硅光电池硒光电池受光范围宽受光范围窄输出电动势短路输出电流

3.温度特性

指开路电压、短路电流与温度变化的关系。开路电压短路电流光电池外形光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用常娥二号卫星补充光电开关及光电断续器

从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，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。

一、光电开关的结构和分类

光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。

光电开关外形遮断型光电开关示意图遮断报警光发射器遮断式光电开关原理遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。被检测物体光接收器光电开关在流水线上的应用送料器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料口遮断式光电开关（计数）光幕两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。接收器光幕应用当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。光线被遮断（报警）光幕应用（续）产品高度测量光幕应用（续）

三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量光幕应用（续）木材外形截面积检测光幕应用（续）纠偏光幕可检测出带材在卷曲过程中的偏移，经控制器和执行机构使带材向正确的方向运动（纠偏）。光幕应用（续）光幕用于

自动收费系统的车辆检测光幕应用（续）锻压机床的安全区域设置及入侵报警光幕应用（续）安全区示警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。定区域反射式光电开关原理

定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。检测距离检测距离反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜集发射、接收器于一身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调制型光电开关原理光电开关的LED多采用中频（40kHz左右）窄脉冲电流驱动，从而发射40kHz调制光脉冲。相应地，接收光电元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，又可减小发射LED的功耗。

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。额定距离漫反射型光电开关的应用请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备反射型光电开关外形电源指示信号指示反射型光电开关外形（续）灵敏度调节电位器智能化自学习型光电开关常规反射型光电开关的动作距离是不变的（与型号有关），当检测流水线上的漫反射物体时，必须调节安装距离，十分不方便。自学习型光电开关上设置了一只阈值开关，当流水线上的被检测物体到达光电开关面前时，按下阈值开关数秒，待“学习”指示灯闪亮停止后，内部的微处理器就记住了两者之间的距离，就能在一定的允许范围内，可靠地对之后来到的被检测物体作出反应。当流水线上的被检测品种改变时，只需再次“学习”，而不必调节机械安装螺丝。