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1、第五章 光传感器,教学目的与要求：要求学生了解光敏传感器的性能参数;理 解光电效应的原理；掌握常用光电器件 的特性及应用。 教学重点：内光电效应器件的工作电路、特性及应用 教学难点：光电效应,光电传感器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。,第五章 光传感器,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。,照明和能源应用,卫星和飞船靠太阳能电池提供电力,南台
2、科技大学太阳能电动车,采用太阳能供电的楼房。由于采用了聚光式的结构，使用很小面积的高效太阳能电池也可以达到大面积采光的效果，但可以明显降低成本。,一、光谱 光波：波长为10106nm的电磁波 可见光：波长380780nm 紫外线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。,可见光,近红外,远红外,极远紫外,0.01,0.1,1,10,0.05,0.5,5,波长/m,远紫外,近紫外,光就是一种电磁现象,频
3、率与波长的关系:,C真空中的光速,光源（发光器件） 1、钨丝白炽灯 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。,光谱范围：0.43 m 发光效率：10 lm/W,色温2856K白炽钨丝灯是可见光和近红外区光电探测器积分灵敏度测试标准光源,2、气体放电灯 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。 光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。 它们经常用作光电检测仪器的单色光源。,卤钨灯是填充气体内含有部分卤族元素或卤化物的充气白炽灯。在普通白炽灯中，灯丝的高温造成钨的蒸发，蒸发的钨沉淀在玻壳上，
4、产生灯泡玻壳发黑的现象。卤钨灯，用卤钨循环的原理消除了这一发黑的现象。辐射光谱约0.253.5m。色温可达 3200K，发光效率30 lm/W，更广泛地用作仪器的白光源。,如荧光灯（低压汞灯）,光源（发光器件）,3、发光二极管LED（Light Emitting Diode） 由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。,LED屏幕,北京奥运开幕现场最令人吃惊之处，在地上那副转轴不断转动的画面，这就是LED屏幕所做出的效果，这个屏幕长147m、宽36m，上面有4万4千颗LED灯，藉由电脑动画，幻化出各种不断流动的图案，该屏幕经过测试，完全经得起表
5、演人员踩踏及水淹考验。,4、激光器 激光具有高方向性、高单色性、高亮度和高相干性四个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。,激光器按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。,1、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。,由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同， 通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、 内光电效应。,二、光电效应,2、内
6、光电效应,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，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。,光电导效应 在光线作用下，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。,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。,光电管的结构示意图,光,阳极,光电阴极,光窗,光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。它们由一个阴极和一个阳极
7、构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。,第二节 外光电效应器件,利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，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。,一、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（EA），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,用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。 光电管灵敏度低、体积大、易破损。,目前光电管主要用
8、途：光电比色计等分析仪器、各种光学自动装置。,光电管,二、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 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。,当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。 这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。一般经十次以上倍增，放大倍数可达到1081010。,因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光
9、电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。,在天体光度测量和天体分光光度测量中广泛使用。测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。,广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。,利用物质在光的照射下电导性能改变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。 一、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
10、应，其阻值随光照增强而减小。,第三节 内光电效应器件,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,在黑暗的环境下,它的阻值很高,当受到光照并且光辐射能量足够大时，使其导带的电子和价带的空穴增加,电阻率变小。,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。,光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使 其导电性能增强，电阻RG值下降，所以流过负载电阻 RL的电流及其两端电压也随之变化。 光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消 失，电阻恢复
11、原值，因而可将光信号转换为电信号。,光敏电阻的光谱特性 使用不同材料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性。,对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对 灵敏度是不相同的。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。,光敏电阻的光照特性具有非线性。,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。光敏电阻主要用于相机自动测光、室内光线控制、工业及光电控制、光控开关、光控灯以及电动玩具等。,因此不适宜做检测元件，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。,0,1,2,3,4,5,I/mA,
12、L/lx,1000,2000,光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光敏电阻的光电流I与照射光通量(单位lm:流明） 的关系称为光电特性。,光敏电阻开关电路,照相机曝光自动控制电路（电子快门）,电路由光敏电阻R、开关K和电容C1构成的充电电路，时间检出电路(电压比较器)，三极管T构成的驱动放大电路，电磁铁M带动的开门叶片（执行单元）等组成。 在初始状态，开关K处于如图所示的位置，电压比较器的正输入端的电位为R1与RW1分电源电压Ubb所得的阈值电压Vth（一般为11.5V），而电压比较器的负输入端的电位VR近似为电源电位Ubb，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出为低电平
13、，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。,电子快门中测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉(CdS)光敏电阻。,当按动快门按钮时，开关K与光敏电阻R及RW2构成的测光与充电电路接通，这时，电容C两端的电压UC为0，由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管T导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。 快门打开的同时，电源Ubb通过电位器RW2与光敏电阻R向电容C充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻R的阻值愈低，充电速度愈快。 VR的变化规律可由电容C的充电规律得到。,VR的变化规律可由电容C的充电规律得到。,T电路的时间常数 T=
14、（RW2+R）C,当电容C两端的电压UC充电到一定的电位（VRVth）时，电压比较器的输出电压将由高变低，三极管T截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。,光敏电阻的阻值R与入射的光照度EV有关,快门的开启时间,光敏管工作原理主要基于光生伏特效应。 光敏管是重要的光敏器件，与光敏电阻相比有许多优点，尤其是光敏二极管，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。,二、光敏二极管和光敏三极管：,光敏二极管 光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是类似的。,硅光敏二极管结构,工作原理： 光敏二极管在电路中一般
15、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。,光敏二极管基本电路,光照特性,右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（单位lx：勒克斯）成线性关系。所以适合检测等方面的应用。,光谱特性 当入射波长900nm时， 响应下降; 当入射波长900nm时， 响应也逐渐下降.,硅光敏二极管光照特性,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
16、偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。,光敏三极管,光敏晶极管结构,光敏三极管是把光敏二极管产生的光电流进一步放大，它是具有更高灵敏度和响应速度的光敏传感器。,光敏三极管 光敏三极管有PNP型和NPN型两种。,光敏三极管的光谱特性 光敏三极管存在一个最佳灵敏 度的峰值波长。,光敏三极管的光照特性,光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。 它们之间呈近似线性关系。当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关转换元件。,光敏二极管、光敏三极管主要用于光电检测、光电控制方面， 如光电耦合器等。,应用举例,光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。,光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。,绝缘玻璃,发光二极管,透明绝缘体,光敏三极管,塑料,发光二极管,
