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1、第4章 光电式传感器,4.1 光电效应 4.2 光电器件 4.3 红外线传感器 4.4 色彩传感器 4.5 CZGGD500系列紫外火焰传感器 4.6 光纤传感器 4.7 光传感器应用实例,4.1 光电效应,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,3,4.1 光电效应,光电元件的理论基础是光电效应。 光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子具有的能量h正比于光的频率（h为普朗克常数）。 用光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为h的光子所轰击。 物体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。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工
2、程学院 赵福彬,4,4.1.1 外光电效应,光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。 外光电效应可由爱因斯坦光电方程来描述：,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,5,一个光子的能量只能给物体中的一个自由电子，使自由电子能量增加h，这些能量一部分用于克服逸出功A，另一部分作为光电子逸出时的初动能：,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,6,4.1.2 内光电效应,光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内光电效应，也称光电导效应。 硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅等在
3、受到光照时均会出现电阻下降的现象。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,7,电路中反偏的PN结在受到光照时也会在该PN结附近产生光生载流子（电子-空穴对）。 利用上述现象可制成光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管，光敏晶闸管等光电转换器件。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,8,4.1.3 光生伏打效应,在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏打效应。 具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。 例如，当一定波长的光照射PN结时，就产生电子-空穴对，在PN结内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，于是P区和N区之
4、间产生电压，即光生电动势。 利用该效应可制成各类光电池,4.2 光电器件,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,10,4.2.1 光电管和光电倍增管,光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。 1.光电管 光电管的外形如图4-1所示。金属阳极A和阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极时，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，逸出金属表面形成电子发射，这种电子称为光电子。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,11,常见的光电管外形,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,12,光
5、电管的图形符号及测量电路如图4-2所示。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,13,2.光电倍增管,光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。 图-3是光电倍增管结构示意图。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,14,光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料。 在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻，如图4-4（a）所示。 为了增加灵敏度，两电极常做成梳状，如图4-4（b）所示， 图形符号如图4-4（c）所示。,2
6、019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,15,4.2.2 光敏电阻,光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料。 在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻，如图4-4（a）所示。 为了增加灵敏度，两电极常做成梳状，如图4-4（b）所示， 图形符号如图4-4（c）所示。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,16,示意图及图形符号,a）原理图,B）外形图 C）符号,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,17,4.2.3 光敏二极管和光敏三
7、极管 1.光敏二极管 光敏二极管是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件，与一般半导体二极管不同之处在于其PN结装在透明管壳的顶部，以便接受光照，如图4-5（a）所示。 它在电路中处于反向偏置状态，如图4-5（b）所示。 光电流与光照度成正比。 还有一种雪崩式光敏二极管（APD）。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,18,4.2.3 光敏二极管和光敏三极管,1.光敏二极管 光敏二极管是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件，与一般半导体二极管不同之处在于其PN结装在透明管壳的顶部，以便接受光照，如图所示。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵
8、福彬,19,它在电路中处于反向偏置状态，如图4-5（b）所示。 光电流与光照度成正比。 还有一种雪崩式光敏二极管（APD）。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,20,2.光敏三极管 光敏三极管有两个PN结，从而可以获得电流增益 。 它的结构、等效电路、图形符号及应用电路分别如图4-6（a）、（b）、（c）、（d）所示。 光敏三极管与一只普通三极管制作在同一个管壳内，连接成复合管，如图4-6（e）所示，称为达林顿型光敏三极管。它的灵敏度更大（=12）。 但是达林顿光敏三极管的漏电（暗电流）较大，频响较差，温漂也较大。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工
9、程学院 赵福彬,21,2.光敏三极管,光敏三极管有两个PN结，从而可以获得电流增益 。 它的结构、等效电路、图形符号及应用电路分别如图4-6（a）、（b）、（c）、（d）所示。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,22,a) 结构 b) 等效电路 c）图形符号,图4 6 光敏三极管,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,23,d) 应用电路 e)光敏达林顿管,图4 6 光敏三极管,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,24,4.2.4 光电池,原理与结构 光电池的工作原理是基于光生伏打效应。当光照射在光电池上时，可
10、以直接输出电动势及光电流。 图4-7所示是光电池结构与图形符号。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,25,4.2.4 光电池,光电池 的种类很多，有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。 应用最广的是硅光电池，优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜等。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,26,4.2.5 光电元件的特性,1.光照特性 当光电元件上加上一定电压时，光电流I与光电元件上光照度E之间的对应关系，称为光照特性。一般可表示为 ： I = f（E）,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿
11、 机电工程学院 赵福彬,27,对于光敏电阻器，因其灵敏度高而光照特性呈非线性，一般用于自动控制中作开关元件。其光照特性见图4-8（a）,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,28,光电池的开路电压V与照度E是对数关系，在2000lx的照度下趋于饱和。 在负载电阻远小于光电池内阻时，光电池的电流称为短路电流Isc，与照度呈线性关系。如图4-8（b）直线所示。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,29,光敏二极管的光照特性为线性，适于作检测元件，其特性如图4-8（c）所示。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,30,
12、光敏三极管的光照特性呈非线性， 如图4-8（d）所示。但由于其内部具有放大作用，故其灵敏度较高。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,31,2.光谱特性,光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光电流会随入射光波长的不同而变化。 入射光波长与光敏器件相对灵敏度或相对光电流间的关系即为该元件的光谱特性。各光敏器件的光谱特性如图4-9所示。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,32,(a)光敏电阻器；(b)硅光电二极管；(c)光敏管,图4 9各种光敏元件的光谱特性图,2019/2/26,传感器原理及应用
13、讲稿 机电工程学院 赵福彬,33,光敏元件的光谱特性,由图4-9可见，元件材料不同，所能响应的峰值波长也不同。 因此，应根据光谱特性来确定光源与光电器件的最佳匹配。 在选择光敏元件时，应使最大灵敏度在需要测量的光谱范围内，才有可能获得最高灵敏度。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,34,3.伏安特性,在一定照度下，光电流I与光敏元件两端电压V的对应关系，称为伏安特性。各种光敏元件的伏安特性如图4-10所示。 伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计应用电路,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,35,(a)光敏电阻器；(b)光电池
14、；(c)光电三极管,图4 -10 各种光敏元件的伏安特性,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,36,4.频率特性,在相同的电压和同样幅值的光照下，当入射光以不同频率的正弦频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S会随调制频率f而变化，它们的关系为： I = F1（f ） 或 S = F2（f ） 称为频率特性。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,37,以光生伏打效应原理工作的光敏元件（如光电池）频率特性较差， 以内光电效应原理工作的光敏元件（如 光敏电阻）频率特性更差。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,
15、38,(a)光敏电阻器； (b)光电池； (c)光敏三极管,图4 -11各种光敏元件的频率响应,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,39,5.温度特性,部分光敏器件输出受温度影响较大。 光敏电阻，当温度上升时，暗电流增大，灵敏度下降。 光敏晶体管，由于温度变化对暗电流影响非常大，并且是非线性的，给微光测量带来较大误差。 光电池受温度的影响主要表现在开路电压随温度增加而下降，短路电流随温度上升缓慢增加。 应采取相应措施进行温度补偿。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,40,6.响应时间,不同光敏器件的响应时间有所不同。 光敏电阻较慢，约为
16、（10 110）s，一般不能用于要求快速响应的场合。 工业用的硅光敏二极管的响应时间为（105107）s左右， 光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,41,4.2.6 光电耦合器件,将发光器件与光敏元件集成在一起便可构成光电耦合器件，图4-12为其结构示意图。 图a为窄缝透射式，可用于片状遮挡物体的位置检测，或码盘、转速测量中；,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,42,图 b为反射式可用于反光体的位置检测，对被测物不限制厚度；,2019/2/26,传感器原理及应用讲稿 机电工程学院 赵福彬,43,图c为全封闭式，用于电路的隔离。 发光元件多半是发光二极管， 光敏元件多为光敏二极管和光敏三极管，少数采用光敏达林顿管或光控晶闸管。,2019/2/26,传感器原
