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1、2019/5/25,1,第5章 光电传感技术,学习要点 了解光电式传感技术的基本原理。 掌握光敏二极管、光敏晶体管、光 敏电阻、光电池等光电元件的结构、 特性及应用。 熟悉光纤传感器、电荷耦合器件和 红外传感器的结构、特性及应用。,2019/5/25,2,1905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。,2019/5/25,3,5.1 光电效应及光电元件,用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串具有一定能量的光子的轰击，组成这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。,5.1.1外光电效应及器件 外光电效应：在光线的作用下
2、能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。,2019/5/25,4,5.1.1外光电效应及器件,1. 光电管 光电管是基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。,图5-2 真空光电管的结构和实物图 a) 中心阳极型 b) 半圆柱面阴极型 c) 实物图,图5-1 光电管的图形符号和测量电路,2019/5/25,5,2. 光电倍增管,光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。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
3、次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。,2019/5/25,6,紫外管外形,当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。,紫外线,2019/5/25,7,5.1.2内光电效应及器件,当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应(光伏效应)。 光电导效应是在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 光生伏特效应是在光作用下能使物体产生一定方向电动
4、势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。,2019/5/25,8,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。,2019/5/25,9,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）,2019/5/25,10,光敏电阻的基本应用电路,a）U与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路,2019/5/25,11,光敏电阻的主要参数 1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。 2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下
5、，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。 3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。 4）光谱响应。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。,2019/5/25,12,硅光敏晶体管的光谱特性,电磁波频谱,2019/5/25,13,图5-6 硫化镉光敏电阻的光照特性。,图5-7 硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线,2019/5/25,14,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
6、增加，光电流与照度成正比。,2019/5/25,15,光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。,2019/5/25,16,光敏二极管外形,光敏二极管阵列,包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。,2019/5/25,17,红外发射、接收对管外形,红外发射管,红外接收管,2019/5/25,18,PIN光电二极管,PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高
7、了工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关、中波频带,到1000MHZ之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开关等。特殊结构的PIN二极 管还可用于测量紫外线或射线等。,2019/5/25,19,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）
8、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。,2019/5/25,20,光敏二极管应用电路,利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。,当光照增加，Ui（1/2）VDD时，反相器翻转,输出变为什么电平？,2019/5/25,21,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I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,2019/5/25,22,光敏三极管,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。
9、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。,2019/5/25,23,光敏三极管外形,2019/5/25,24,光敏三极管内部结构,a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+ 衬底 7N型集电区 8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结,2019/5/25,25,光电特性,0,光照,光电流,光敏 三极管,光敏 二极管,3000lx,4mA,请判断灵敏度的高低,0.3mA,请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流I,I,E,2019/
10、5/25,26,光敏三极管光控继电器电路,当无光照时，V1截止，I =0，则V2处于什么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与R b2位置上下对调，其结果如何？,2019/5/25,27,基于光生伏特效应的光电元件 光电池,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。,2019/5/25,28,光电池的工作原理是基于“光生伏
11、特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，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。,2019/5/25,29,光电池的光电特性,一个典型的硅光电池的光电特性 1开路电压曲线 2短路电流曲线,开路电压为 对数特性,短路电流为 线性特性,2019/5/25,30,光电池的应用电路 光电池短路电流测量电路,I/U 转换电路的输出电压Uo与光电流I成正比。若光电池用于微光测量时，I可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微
12、调总的放大倍数。,2019/5/25,31,光电池外形,光敏面,2019/5/25,32,能提供较大电流的大面积光电池外形,2019/5/25,33,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,2019/5/25,34,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,2019/5/25,35,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,太阳能电池电源系统,2019/5/25,36,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,2019/5/25,37,光电式浊度计工作原理,1恒流源 2半导体激光器 3半反半透镜 4反射镜 5被测水样 6、9光电池
13、7、10电流/电压转换器 8标准水样,参比通道,2019/5/25,38,光电式转速表,光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。,n =60( f /z ),2019/5/25,39,水泵转速测量,2019/5/25,40,光电式转速表外形,2019/5/25,41,5.2红外光传感器,5.2.1红外辐射基础 1. 红外线 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.751000m。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.751.50m之间；中红外线，波长为1.506.0m之间；远红外线，波长为6.0l000m之间 2. 红外辐射 （5-2） 式中
14、通过厚度为 的介质后的通量； 射到介质时的通量； 与介质性质有关的常数。,2019/5/25,42,辐射是从物质中发射出来的。任何一块小的物体都包含着极大数目的原子或分子。每个原子或分子都有很多能级，从高能级跃迁到低能级都能发射光子。实际发射出来的电磁波就是这些大量光子的总和。红外辐射是由于物体受热引起内部分子转动及振动向外释放能量而引起的，一般常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。 红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度 ，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。,2019/5/25,43,用红外
15、线作为检测媒介，来测量某些非电量，比可见光作为媒介的检测方法要好。其优越性表现在： 1）红外线（指中、远红外线）不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。 2）由于待测对象发射出红外线，故不必设光源。 3）大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少（22.6m，35m，814m三个波段称为“大气窗口”），故适用于遥感技术。,2019/5/25,44,5.2.2红外光传感器的工作原理与结构,红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。 红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。 红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分
16、为热探测器（基于热效应）和光子探测器（基于光电效应）两大类。,2019/5/25,45,热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变 化。 这类传感器主要有热释电红外线传感器和红外线温度传感器两大类 。 光探测器是利用红外线辐射的光电效应制成的，其核心是光电器件 。 这类传感器主要有红外二极管、三极管等。,2019/5/25,46,5.2.3 红外光传感器的应用,、光源本身是被测物的应用实例,光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。,光电池（外加柔光罩）,2019/5/25,47,1.红外线辐射温度计：,红外辐射温度计既可用于高温测
