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1、10.1 光电效应光电效应10.2 基于外光电效应的器件基于外光电效应的器件10.3 基于内光电效应的器件基于内光电效应的器件10.4 光电传感器的应用光电传感器的应用 第第1010章章 光电式传感器光电式传感器第第第第10101010章章章章光电光电光电光电式传感器式传感器式传感器式传感器概述概述 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号的一种传感器，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。 被测量可能直接作用于光源，使它发出的光发生变化，也可能作用在光通过的路径上，使通过后的光发生变化。被测量被测量光源光电器件第第第第10101010章章章章光电光电光电光电式传感
2、器式传感器式传感器式传感器概述概述 光电式传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度和气体成分等，也可用于检测能间接转换成光量变化的其它非电量，如几何尺寸、位移、振动、速度等。 光电器件响应快、结构简单、而且有较高的可靠性, 因此在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。第第第第10101010章章章章光电光电光电光电式传感器式传感器式传感器式传感器光电效应可分为：光电效应可分为： 外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 10.1 光电效应光电效应 光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每一光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每一个粒子具有的能量个粒子具有的能量E
3、E与其频率大小成正比，光照射就可看成与其频率大小成正比，光照射就可看成是一连串具有能量是一连串具有能量E E的粒子轰击在物体上，物体吸收了这些的粒子轰击在物体上，物体吸收了这些能量为能量为E E的粒子后产生的效应为的粒子后产生的效应为光电效应光电效应。光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.1 光电效应 10.1.1外光电效应 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个 光子具有的能量是： 普朗克常数普朗克常数( ) 光的频率（光的频率（Hz），波
4、长短，频率高，能量），波长短，频率高，能量大能否产生外光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。 如果光子的能量E大于电子的逸出功A，这时逸出物体表面的电子就具有动能，产生光电子发射。 由能量守恒定律有：常见的器件有常见的器件有光电管、光电光电管、光电倍增管等倍增管等第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.1 光电效应 10.1.1外光电效应u 光电导效应： 入射光强改变物质导电率导电率的物理现象称光电导效应。 这种效应几乎所有高电阻 率半导体都有，为使电子从 价带激发到导带，入射光子 的能量E0应大于禁带宽度Eg。 基于光电导效应
5、的光电器件常见的有光敏电阻。u 在光线的作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电势的效应称为内光电效应。第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.1 光电效应 10.1.2内光电效应u光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势电动势的效应。 为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？ 有下面两种情况： 不加偏压的不加偏压的PNPN结结 处于反偏的处于反偏的PNPN结结第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.1 光电效应 10.1.2内光电效应 不加偏压的PN结 当光照射在
6、PN结时，如果电子能量大于半导体 禁带能量（E0 Eg）,可激发出电子空穴对， 在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N 区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生 电动势。 基于这种效应的器件 有光电池第第1010章章光电式光电式传感器传感器 10.1 光电效应 10.1.2内光电效应 处于反偏的PN结： 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对， 在PN结电场作用下，形成光电流， 光照越大光电流越大。 具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管。第第1010章章光电式光电式传感器传感器 10.1 光电效应 10.1.2内光电效应第第第
7、第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.2 基于外光电效应的器件(1)光电管 光电管是内装有光阴极和阳极的真空玻璃管。 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。因此第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.2 基于外光电效应的器件(1)光电管 （1）真空光电管 真空光电管由一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，阳极A通过负
8、载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。 当光照射阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流，该电流引起负载上的压降随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电传号的目的。第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.2 外光电效应器件(1)光电管 真空光电管的伏安特性曲线如图所示，其饱和光电流与入射光的强度成正比。 一般工作电压选择在饱和区，但要尽可能小一些。 由于光电子逸出物体表面具有初始动能。 因此光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.2
9、外光电效应器件(1)光电管阳极饱和光电流入射光的强度第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.2 外光电效应器件(1)光电管 （2）充气光电管 如果在玻璃钢管内充入少量的惰性气体（如氩、氖等），即构成充气光电管。 当充气光电管的阴极被光照射后，产生的光电子在飞向阳极的途中，对惰性气体进行轰击，使其电离，从而产生更多的自由电子，形成数倍于真空光电管的光电流，提高了光电变换的灵敏度。 但充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系，所以较少采用。充气光电管的管内可充单纯气体或混合气体。 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器
10、传感器传感器 10.2 外光电效应器件(1)光电管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。第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.2 外光电效应器件(2)光电倍增管 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。 光敏电阻结构及符号光敏电阻结构及符号 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(1)光敏电阻光敏电阻主要参数 暗电阻无光照时的电阻； 暗
11、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称光电流 光电流=亮电流-暗电流 暗电流越小，亮电流越大，则灵敏度越高。 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(1)光敏电阻 伏安特性 给定偏压 光照越大光电流越大； 给定光照度 电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。 光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(1)光敏电阻基本特性光照特性 光敏电阻的光
12、电流与光强之间的关系。 光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中作为开关时光电信号传感元件。第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(1)光敏电阻基本特性 光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关; 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关。 例图： 硫化镉（CdS）0.30.8(m) 硫化铅（PbS）1.03.5(m) 锑化铟（InSb）1.07.3(m) 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(1)光敏电阻光敏电阻的频率特性光敏电阻的
13、频率特性100806040200101001000100002硫化铊硫化铊1硫化铅硫化铅f / HzSr / % 光电器件相对光谱灵敏度(输出端电压(电流)的振幅)随调制光频率的变化关系称为光电器件的频率特性。由于光电器件有一定的惰性,在一定幅度的正弦调制光照射下,当频率较低时,灵敏度与频率无关;若频率增高,灵敏度就会逐渐降低。频率特性第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(1)光敏电阻 温度特性 光敏电阻的灵敏度、 暗电流与温度的关系。 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.
14、3 内光电效应器件(1)光敏电阻温度特性可用温度系数来表示： 温度对光谱特性的影响： 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(1)光敏电阻 光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(2)光敏二极管工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态， 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
15、；在电场作用下 形成光电流，光照越强光电 流越大； 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(2)光敏二极管v 基本特性： 光照特性 光谱特性 伏安特性 频率特性 温度特性第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(2)光敏二极管 伏安特性伏安特性 当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。光敏二极管的伏安特性光敏二极管的伏安特性第第第第10
16、101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(2)光敏二极管光敏晶体管工作原理主要基于内光电效应。 特点：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。 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(3)光敏晶体管 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，集电极做受光极。 大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。第第第第10101010章章章
17、章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(3)光敏晶体管光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线 如图所示 光敏晶体管伏安特性光敏晶体管伏安特性 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(3)光敏晶体管 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。 光电池种类很多，有硒光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。光光 电电 池池 符符 号号第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器
18、传感器 10.3 内光电效应器件(4)光电池 结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.6V电压50mA电流。 光电池结构光电池结构 光电池工作原理图光电池工作原理图 第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(4)光电池光照特性 光电池的输出短路电流与光照有较好的线性关系。这里的短路电流就是负载电阻相对于光电池内阻来说很小时的电流值第第第第10101010章章章章光电式光电
19、式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(4)光电池光电池的开路电压与光照度关系呈非线性。光谱特性 光谱特性表示的是光线波长和相对光谱灵敏度之间的关系。 光电池对不同的波长，灵敏度不同。第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(4)光电池温度特性曲线 开路电压随温度升高下降较快，而短路电流随温度升高缓慢增加。因此当光电池作测量元件时，在系统设计中就应该考虑到温度的影响，从而采取相应措施。第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.3 内光电效应器件(4)光电池1
20、、光电式带材跑偏检测器 带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号，主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑偏检测器原理见图。光源发出的光线经过透镜1汇聚为平行光束，投向透镜2,随后被汇聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.4 光电式传感器的应用第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.4 光电式传感器的应用2、透射式光电传感器在烟尘浊度监测上的应用 烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道传输过程中的变化来检测的。如果烟道浊度增加.光源发出的光被烟尘颗粒吸收和折射后，到达检测器的光量减少，因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.4 光电式传感器的应用第第第第10101010章章章章光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 10.4 光电式传感器的应用
