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1、第五章 光电传感器,主要讲授: 1、光电效应 2、光电器件（光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管、光电池）的工作原理、基本特性，光电阵列。 3、光电传感器的应用 需要掌握的内容： 1、理解光电效应 2、理解光电器件的工作原理，掌握光电器件的基本特性 3、掌握光电传感器的应用,导入： 爱因斯坦认为，光由光子组成，每一个光子具有的能量为 ，正比于光的频率，即（ 为普郎克常数），光子的频率越高（即波长越短）光子的能量就越大。 绿色光的光子就比红色光的光子能量大，相同光通量的紫外线能量比红外线的能量大得多，紫外线可以杀死病菌，改变物质的结构等。 光电传感器是将光信号转换为电信号的一
2、种传感器。 光电器件的物理基础是光电效应，此种测量方法具有反应快，非接触等优点，故在非电量检测中应用较广。,下面是光电元件的一些图片,光敏二极管,光敏三极管,硅光电池,透射型光电开关,光电编码器 圆柱型光电开关,光电耦合器 反射型光电开关,5.1 光电效应及光电元件 5.1.1 光电效应 光电效应：用光照射到某一物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发 生相应电效应的现象称为光电效应。产生的光电效应现象诸 如电阻率的变化、电子逸出、电动势的变化等。 外光电效应：光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 光电导效应：光敏电阻、光敏二极管、光敏三 极管、光敏晶闸管。 内光电效应 光生伏特效应：光电池,1、
3、光电倍增管,特点：,放大光电流 灵敏度非常高 信躁比大 线性好 多用于微光测量 体积大、易破碎，工作电压高。,光电倍增管原理图,5.1.2 光电元件,2、光敏电阻 它的工作原理基于内光电效应：若光子能量 大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子能量后跃迁到导带，就产生一个电子空穴对，使电阻率变小。光照越强，阻值越低。入射光消失，电子空穴对逐渐复合，电阻值也逐渐恢复原值。 材料：金属硫化物、硒化物、蹄化物等。 暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值。 亮电阻：置于室温和一定光照度下测得的稳定电阻值。,外形图,图形符号,原理图,3、光敏二极管,普通的二极管不论在有光照射或者无光情
4、况下，都单向导通， 而光敏二极管在有光照射时双向导通。,图5-4 光敏二极管 a)内部结构 b)结构示意图 c)图形符号 1负极引角 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引角,几种新型的光敏二极管 PIN光敏二极管 它是在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，提高了工作频率。工作电压高达100V左右，光电转换效 率较高，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 ，可用作光盘的读出光敏元件，特殊结构的可用于测量紫外线或 射线，以及短距离光纤通信。 APD光敏二极管（雪崩光敏二极管） 它利用了二极管的雪崩效应，灵敏度极高，响应速度极快，响应 频率可达几千兆
5、赫，可用于光纤通信及微光测量。,4、光敏三极管 光敏三极管有两个PN结，它的灵敏度比二极管高许多倍。,图5-5 光敏三极管 a)内部结构 b)结构示意图 c)图形符号 d)光敏达林顿三极管 e)光敏三极管的等效电路 1-集电极引角 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引角,5、光敏晶闸管 导通电流比光敏三极管大得多，工作电压可达数百伏，输出 功率大。,图5-6 光敏晶闸管 a)结构简图 b)图形符号,5.1.3 光电器件的基本特性 （1） 光电特性：光电特性是指在加在光电元件上的电压不变的情 况下，光照度与光敏器件的电阻或光电流之间的关系。 从图5-8可以看出：此种光敏晶体管光电流与光照度成
6、线性关 系， 光敏三极管的光电特性曲线斜率较大，说明其灵敏度较高。,图5-7 某光敏电阻的光电特性,图5-8 某光敏晶体管的光电特性 1-光敏二极管 2-光敏三极管,（2）伏安特性：在保持入射光频谱成分不变的条件下，光电器件的电流和电压之间的关系称为光电器件的伏安特性。,图5-9 光敏电阻的伏安特性,图5-10 某光敏晶体管的伏安特性 a) 光敏二极管b) 光敏三极管,（3）光谱特性 是指光线波长和相对光谱灵敏度之间的关系。 结论：1、当入射光波长增加时，光电器件的相对灵敏度会下降； 当入射光波太短时，相对光谱灵敏度也下降 。 2、材料不同，则响应峰值波长也不同，以此可确定光源和 光电器件的最
7、佳匹配。,图5-11 硅、锗光敏晶体管的光谱特性,（4）温度特性：温度特性是指光电器件在工作温度范围内的灵敏度、暗电流或光电流与温度的关系。 由于硅管的暗电流比锗管小几个数量级，所以在微光测量中采用硅管，并用差动电路来减小温度的影响。 硅光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但它的温漂大，所以在精密测量中，一般采用硅光敏二极管。 （5）频率特性和时间常数 光敏管频率特性是指其受不同频率的调制光照时，它的输出与调制频率的关系。图5-12是光敏二极管的频率特性曲线。 光敏管的响应时间常数一般在 10-4s10-5s。硅管时间常数较小，响应频率高。 光敏管的响应时间常数一般在10-4s10-5s。硅管时
8、间常数较小，响应频率高。,图5-12 光敏二极管频率特性 a)输入调制光脉冲 b)光敏二极管脉冲响应,5.1.5 光电阵列 特点： 具有体积小，位数多，分辨率高、信噪比大、动态范围 大，可以在微光下工作等优点，在物体形状、尺寸的检 测、字符阅读、图像识别、传真、摄像等方面得到越来 越多的应用。,图5-13 线阵CCD a) 外形 b) 内部原理框图,5.1.6 光电池 种类：砷化镓、氧化铜、硫化铬、硅、硒、锗光电池等。常用的是硅 光电池。 1结构及工作原理,图5-14 光电池 a) 结构示意图 b) 图形符号,2光电池的基本特性 （1）光谱特性 图5-15示出硒、硅、锗光电池的光谱特性。 使用
9、中可根据光源光谱特性选择光电池，也可以根据光电池的光谱特性，确定应该使用的光源。,（2）光照特性：短路电流与光照有很好的线性关系 （3）光电池的温度特性 （4）频率特性：硅光电池的频率特性较好，硒光电池的频率特性 较差。,图5-16 某硅光电池的光照特性 1开路电压曲线 2短路电流曲线,图5-17 光电池的温度特性,5.2 光电传感器的应用,1、光电控制,2、太阳电池电源,3、光电转速传感器,透射式 反射式,*60,4、烟雾报警器,漫反射式,直射式,红外发光二极管,烟雾检测室,透烟孔,红外光敏三极管,烟雾,室内抽烟也可能引起误报警，须组 成综合火灾报警系统，作出综合判断， 还可以将烟雾报警器安装在小汽车里。 当有人吸烟时，将自动启动抽风机， 将烟排出车外。,原理示意图,被测带材,卷取电动机,液压缸,活塞,光电检测装置,5、光电式带材跑偏检测器,光源,透镜,光敏电阻,被测带材,6、光电开关的应用,发射器,接收器,被测物,反射镜,被测物,可用于生产流水线上统 计产量、检测装配件到 位与否及装配质量并根 据被测物的特定标记 给出自动控制信号。,它已广泛地应用于自动包 装机、自动灌装机、装配流 水线等自动化机械装置中。,
