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1、1,第9章 光电式传感器,将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。,2,9.1 光电器件,光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。 一. 外光电效应 在光线作用下，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。 基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。,3,若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子
2、能量h必须超出逸出功A0 ，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即,5,光电二极管、光电三极管,6,二 光电器件的特性参数,灵敏度 光谱特性 等效噪声功率 响应时间 线性度 温度特性,7,9.2.1 外光电效应型光电器件,当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。 即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。 根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。,9.2 光电效应与光电器件,8,1、光电管及其基本特性,9,光电管的
3、伏安特性,10,光电管的光照特性,曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量呈线性关系。 曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系,光电特性,11,光通量：光源单位时间内发出的光量称为光通量。光通量的单位为流明（lm），通常用符号表示。 光强：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的光强。光强的单位为坎德拉（cd），通常用符号I表示。 照度：指被照面上单位面积所接受的光通量的大小（即光通量密度），是表征表面被照明程度的量。照度的单位是勒克斯（lx），通常用符号E表示。,12,光电管的光谱特性,不同光电阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度； 同一种阴
4、极材料的光电管对于不同波长的光的灵敏度也不同，这就是光电管的 光谱特性。 曲线1、2分别为铯阴极、锑铯阴极对应不同波长光线的灵敏度， 3为多种成分（锑、钾、钠、铯等）阴极的光谱特性曲线,13,2、光电倍增管及其基本特性,次级电子增强级,倍增级用次级发射材料制成，受一个电子轰击后，激发数个电子逸出。 电位从阴极开始逐级升高。,14,主要参数,倍增系数 M 阳极电流 光电倍增管的电流放大倍数 光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 暗电流 光电倍增管的光谱特性,15,9.2.2 内光电效应型光电器件,内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象,16,内光电效应分类 光电导
5、效应 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，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻 光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光电二极管、光电三极管。,17,（1）光敏电阻, 1. 光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阴是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希
6、望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。,18,光敏电阻的结构,光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图,19,2. 光敏电阻的主要参数,暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 光电流 亮电流与暗电流之差,20,3、光敏电阻的基本特性,伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系。,图 10.9硫化镉光敏电阻的伏安特性,一定光照，R一定
7、，I正比于U。 一定电压，I随着光照E增强而增大。 ERI。,21,光照特性,指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系,光敏电阻的光照特性,22,光谱特性,光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系。即光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。,光敏电阻的光谱特性,不同材料，其峰值波长不同。 同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。 应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。,23,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、灵敏度和暗电阻。 硫化铅光敏
8、电阻受温度影响更大。,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,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。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。 对于可见光的光敏电阻, 其温度影响要小一些。 ,24,光敏电阻的应用,1.光照度计 农作物日照时数测定。 输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。 无光照V0=VL 。有光照V0=VH。,25,2.带材跑偏检测仪,26,（2）光电池,光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即电源。 工作原理：基于“光生伏特效应”。 光电池实质上是一个大面积的PN结，
9、当光照射到PN结的一个面，例如P型面时， 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。,27,光电池结构、符号,28,光电池种类,光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等 最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中 硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所
10、以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。,29,光电池基本特性,光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。,硅光电池的光谱特性,30,光照特性,光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性,硅光电池的光照特性,31,频率特性,32,温度特性,是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。,硅光电池的温度特性,33,光敏二极管与三极管,一. 光敏二极管,1.工作原理与结构 光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PN结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的PN结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如
11、图所示。,34,没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态, 这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, PN结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下,P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大, 光电流越大。,35,等效电路,36,2.光敏二极管的基本特性,1）光谱特性 在入射度一定时，输出的光电流（
12、或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性。如图所示。,37,2）伏安特性,38,3）光照特性,39,4）温度特性,温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.,40,3.光敏二极管的应用,1）光电路灯控制电路,41,二. 光敏三级管,光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。 1.工作原理与结构,基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时, 在结附近产生电子-空穴对, 电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，放大倍形成集电极电流（光电流）, 所
13、以光电三极管有放大作用。,42,NPN型光敏晶体管结构和基本电路,43,达林顿光敏管的等效电路,44,温度特性与光照特性,温度特性与光敏二极管相同，光照特性如图,45,光敏管的基本特性,光敏晶体管的光谱特性,46,伏安特性,47,光照特性,48,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510us。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
14、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。,49,光敏管的应用,50,3.光敏三极管的应用,51,52,2.转速传感器,53,7.2.4 光电耦合器件 光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。根据其结构和用途不同，它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。 1. 光电耦合器 光电耦合器的发光元件和接收元件都封装在一个外壳内， 一般有金属封装和塑料封装两种。发光器件通常采用砷化镓发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。光电接收
15、元件可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。图7-20为光敏三极管和达林顿光敏管输出型的光电耦合器。为了保证光电耦合器有较高的灵敏度， 应使发光元件和接收元件的波长匹配。,54,图7-20 光电耦合器组合形式,55,光电耦合器的主要特性参数,输入参数：最大工作电流IFM、正向压降VF、反向漏电流IR。 输出参数：输出电流Io、饱和压降Vces 传输特性（电流传输比CTP、传输线性、隔离特性、传输速度） 特点及用途,56,光电耦合器的应用,57,58,2. 光电开关 光电开关是一种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
16、出“开”、 “关”信号的器件。 图7-21为典型的光电开关结构图。图(a)是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。 图(b)是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、 MOS等电路容易结合。,59,图7-21 光电开关的结构 (a) 透射式； (b) 反射式,60,用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高-低” (1-0) 之分即可。 图8 - 22 是光电开关的基本电路示例。图（a）、（b）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况，图（c）表示用晶体管放大光电流的情况。
