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1、傳感器技術光電式傳感器1它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。件進一步將光信號轉換成電信號。被測信息被測信息敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件信號調理電路信號調理電路輸出信息輸出信息壓電元件壓電元件光電傳感器光電傳感器光電傳感器光電傳感器一般由一般由光源光源、光學通路光學通路和和光電元件光電元件三部分組成。三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器數多，傳感器的

2、結構簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。在檢測和控制中應用非常廣泛。傳感器技術光電式傳感器2鎢絲通電加熱作為光輻射源鎢絲通電加熱作為光輻射源u 光源（發(fā)光器件）光源（發(fā)光器件）最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的連續(xù)的發(fā)光范圍發(fā)光范圍：可見光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能：可見光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。和它配合接收到光信號。特點特點：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。的

3、光譜特性要求不高，是可取之處。 在普通白熾燈基礎上制作的發(fā)光器件有溴鎢燈和碘鎢燈，其體積較小，在普通白熾燈基礎上制作的發(fā)光器件有溴鎢燈和碘鎢燈，其體積較小，光效高，壽命也較長。光效高，壽命也較長。1 1、鎢絲白熾燈、鎢絲白熾燈傳感器技術光電式傳感器32 2、氣體放電燈、氣體放電燈氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈1/21/3。如：低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈，是光譜儀器中常用的光源，如：低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈，是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。統(tǒng)稱為光譜燈。定義定義：利用電流通過氣體產生發(fā)光現象制成的燈。：利用電流通過氣體產生發(fā)光現象制成的燈。例如低

4、壓汞燈的輻射波長為例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為，鈉燈的輻射波長為589nm，它們經，它們經常用作光電檢測儀器的常用作光電檢測儀器的單色光源單色光源。如果光譜燈涂以如果光譜燈涂以熒光劑熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉化為體放電譜線轉化為更長的波長更長的波長，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如，照明日光燈。光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如，照明日光燈。傳感器技術光電式傳感器43 3、發(fā)光二極管、發(fā)光二極管LED

5、（Light Emitting Diode）由半導體由半導體PN結構成，其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重結構成，其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應用。量輕，因此獲得了廣泛的應用。 在半導體在半導體PN結中，結中，P區(qū)的空穴由于擴散而移動到區(qū)的空穴由于擴散而移動到N區(qū)，區(qū)，N區(qū)的電子則擴散區(qū)的電子則擴散到到P區(qū)，在區(qū)，在PN結處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。結處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。當當PN結上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由結上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到區(qū)注

6、入到N區(qū)，稱為少數載流子注入。所注入到區(qū)，稱為少數載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和區(qū)里的電子和P區(qū)里的區(qū)里的空穴復合，注入到空穴復合，注入到N區(qū)里的空穴和區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復合，這種復合同時伴隨區(qū)里的電子復合，這種復合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現象。著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現象。不同材料發(fā)光二極管有不同的光譜特性。不同材料發(fā)光二極管有不同的光譜特性。傳感器技術光電式傳感器54 4、激光器、激光器激光是激光是20世紀世紀60年代出現的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色年代出現的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。激光波長從性和高亮度

7、三個重要特性。激光波長從0.24m到遠紅外整個光頻波段范到遠紅外整個光頻波段范圍。圍。激光器種類激光器種類繁多，按工作物質分類：繁多，按工作物質分類：u 固體固體激光器（如紅寶石激光器）激光器（如紅寶石激光器）u 氣體氣體激光器（如氦激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）氖氣體激光器、二氧化碳激光器）u 半導體半導體激光器（如砷化鎵激光器）激光器（如砷化鎵激光器）u 液體液體激光器激光器傳感器技術光電式傳感器6 外光電效應及其器件外光電效應及其器件 內光電效應及其器件內光電效應及其器件 光生伏特效應及其器件光生伏特效應及其器件光電傳感器的物理基礎是光電傳感器的物理基礎是光電效應光電效應。

8、當光照射到某些物質上時，使該物質的。當光照射到某些物質上時，使該物質的電特性發(fā)生變化，這種現象就是光電效應。光電效應通常分為電特性發(fā)生變化，這種現象就是光電效應。光電效應通常分為外光電效應外光電效應、內光電效應內光電效應和和光生伏特效應光生伏特效應。傳感器技術光電式傳感器71) 1) 外光電效應及其器件外光電效應及其器件n當光照射到當光照射到金屬或金屬氧化物金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它

9、的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現象的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現象稱為外光電效應。稱為外光電效應。n即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現象。現象。n根據外光電效應做出的光電器件有根據外光電效應做出的光電器件有光電管光電管和和光電倍增光電倍增管管。傳感器技術光電式傳感器8光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hh普朗克常數，6.62610-34Js；光的頻率（s-1）光的波長與頻率的關系由光速確定，真空中的光速光的波長與頻率的關系由光速確定，真空中的光速c=2.99793

10、1010cm/s，通常通常c31010cm/s。光的波長光的波長和頻率和頻率的關系為的關系為 =31010cm / s的單位為Hz，的單位為cm。 傳感器技術光電式傳感器9根據能量守恒定理根據能量守恒定理 式中式中 m電子質量；電子質量；v0電子逸出速度。電子逸出速度。 根據愛因斯坦假設，根據愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的能量一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功光子的能量大于該物體的表面逸出功A，超過部分，超過部分的能量表現為逸出電子的動能。的能量表現為逸出電子的動能。外光電效應

11、多發(fā)生于金屬和金屬氧化物外光電效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10- -9s。2012hmA該方程稱為愛因斯坦光電效應方程該方程稱為愛因斯坦光電效應方程?？梢姡汗怆娮幽芊癞a生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面逸出功。可見：光電子能否產生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面逸出功。hA01.239hcmAA即入射光波長小于波長限即入射光波長小于波長限01.239mA時才能產生外光電效應時才能產生外光電效應傳感器技術光電式傳感器10根據外光電效應做出的光電器件有根據外光電效應做出的光電器件有光電管光電管和和光電倍

12、增管光電倍增管。光電管光電管光電管是裝有光陰極和陽極的真空玻璃管，其陰極受到適當的光照后發(fā)光電管是裝有光陰極和陽極的真空玻璃管，其陰極受到適當的光照后發(fā)射光電子，這些光電子被具有一定電位的陽極吸引，并在管內形成空間射光電子，這些光電子被具有一定電位的陽極吸引，并在管內形成空間電子流，稱為光電流。電子流，稱為光電流。此時若光強增大，轟擊陰極的光子數增多，單位時間內發(fā)射的光電子數此時若光強增大，轟擊陰極的光子數增多，單位時間內發(fā)射的光電子數也就增多，光電流變大。也就增多，光電流變大。在光電管的外電路上接適當電阻，電阻上的電壓降將和管內空間電流成在光電管的外電路上接適當電阻，電阻上的電壓降將和管內空

13、間電流成正比，或與照射到光電管陰極上的光有函數關系，從而實現光電轉換。正比，或與照射到光電管陰極上的光有函數關系，從而實現光電轉換。 傳感器技術光電式傳感器11光電倍增管光電倍增管光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成。由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。光電倍增管。因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內具有良好的線性關系。光電倍增管的，它的光電特性在很寬的范圍內具有良好的線性關系。光電倍

14、增管的這個特點，使它多用于微光測量。若將靈敏檢流計串接在陽極回路中這個特點，使它多用于微光測量。若將靈敏檢流計串接在陽極回路中，則可直接測量陽極輸出電流。，則可直接測量陽極輸出電流。傳感器技術光電式傳感器12Siemens原裝光電管QRA2 傳感器技術光電式傳感器132 2）內光電效應及其器件）內光電效應及其器件當光照射在物體上，使物體的導電率發(fā)生變化當光照射在物體上，使物體的導電率發(fā)生變化叫做內光電效應，它多發(fā)生叫做內光電效應，它多發(fā)生于于半導體半導體內。內?；趦裙怆娦闹饕校汗饷綦娮?、光敏晶體管（光敏二極管、光基于內光電效應的主要有：光敏電阻、光敏晶體管（光敏二極管、光敏三極管）敏三

15、極管）傳感器技術光電式傳感器14光敏電阻光敏電阻 當光敏電阻受到光照時，當光敏電阻受到光照時， 阻值減小。阻值減小。內光電效應：在光線內光電效應：在光線作用下能使物體的電作用下能使物體的電阻率改變的現象阻率改變的現象. .傳感器技術光電式傳感器15優(yōu)點優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、：靈敏度高，光譜響應范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。耐振動、抗過載能力強和壽命長等。不足不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。 光敏電阻光敏電阻傳感器技術光電式傳感器16u 光敏電阻的結構光敏電阻的結構 金

16、屬封裝的硫化鎘光敏電阻結構圖ACdS光導電材料絕緣襯底引線電極引線光電導體1234567(a)結構1-光導層; 2-玻璃窗口; 3-金屬外殼; 4-電極;5-陶瓷基座; 6-黑色絕緣玻璃; 7-電極引線。由一兩邊帶有金屬電極的光電半導體組成，電極與半導體之間呈歐姆接觸，由一兩邊帶有金屬電極的光電半導體組成，電極與半導體之間呈歐姆接觸，使用時在兩電極上加直流或交流工作電壓。使用時在兩電極上加直流或交流工作電壓。傳感器技術光電式傳感器17傳感器技術光電式傳感器18u 光敏電阻的主要參數光敏電阻的主要參數光敏電阻的光敏電阻的暗電阻越大暗電阻越大，而，而亮電阻越小亮電阻越小，則則性能越好性能越好。也就

17、是說，。也就是說，暗電流越暗電流越小小，光電流越大光電流越大，這樣的光敏電阻的，這樣的光敏電阻的靈敏度越高靈敏度越高。（1 1）暗電流、亮電流、光電流）暗電流、亮電流、光電流暗電流：暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經過一定時間測量的光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經過一定時間測量的電阻值，稱為電阻值，稱為暗電阻暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流稱為。此時在給定電壓下流過的電流稱為暗電流暗電流。亮電流：亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻亮電阻。此時流過。此時流過的電流稱為的電流稱為亮電流亮電流。光電流：光電流

18、：亮電流與暗電流之差亮電流與暗電流之差。實用的光敏電阻的暗電阻往往超過實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1M,甚至高達甚至高達100M，而亮電阻則在幾，而亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。 傳感器技術光電式傳感器19u 光敏電阻的主要參數光敏電阻的主要參數（2 2）光譜響應范圍與峰值波長）光譜響應范圍與峰值波長光譜響應特性表示光敏電阻對各種單色光的敏感程度。對應于一定敏感程度光譜響應特性表示光敏電阻對各種單色光的敏感程度。對應于一定敏感程度的波長區(qū)間稱為的波長區(qū)間稱為光譜響應范圍光譜響應范圍

19、。對光譜響應最敏感的波長數值稱為。對光譜響應最敏感的波長數值稱為光譜響應光譜響應峰值波長峰值波長。（3 3）時間常數）時間常數時間常數是指光敏電阻自停止光照起，到電流下降到原來值的時間常數是指光敏電阻自停止光照起，到電流下降到原來值的63%所需的時所需的時間。不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數。間。不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數。傳感器技術光電式傳感器20l 伏安特性伏安特性l 光照特性光照特性l 光譜特性光譜特性l 頻率特性頻率特性l 溫度特性溫度特性u 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性傳感器技術光電式傳感器21（1 1） 伏安特性伏安特性 5010015020012U/V020

20、40I/ A在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。圖中曲線圖中曲線1、2分別表示分別表示照度為零照度為零及及照度為某值照度為某值時的伏安特性。時的伏安特性。由曲線可知：由曲線可知：但是電壓不能無限地增大，因為任何光但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受敏電阻都受額定功率額定功率、最高工作電壓最高工作電壓和和額定電流額定電流的限制。超過最高工作電壓和的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。性損壞。照度為零照度為零照度為某值照度為某值在給

21、定偏壓下在給定偏壓下,光照度越大，光電流也越大。光照度越大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現象在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現象。伏安特性是傳感器設計時選擇電參數的伏安特性是傳感器設計時選擇電參數的依據，實際使用時要注意不超過器件的依據，實際使用時要注意不超過器件的允許功耗限。允許功耗限。傳感器技術光電式傳感器22（2 2）光照特性）光照特性012345I/mA L/lm10002000在一定的外加電壓作用下，光敏電阻的光電流與光通量之間的關系。在一定的外加電壓作用下，光敏電阻的光電流與光通量之間的關系。不同類型光敏電阻光照特性

22、不同，但光照特性曲線均呈非線性。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不因此它不宜作定量檢測元件宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關。作光電開關。傳感器技術光電式傳感器23（3 3）光譜特性）光譜特性 204060801000.40.81.21.622.4/m312相對靈敏度1硫化鎘（CdS）2硒化鎘（CdSe）3硫化鉛（PbS）光譜特性與光敏電阻的材料有關光譜特性與光敏電阻的材料有關。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內均有較高的靈敏度，峰值在從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬

23、的光譜范圍內均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的效果。應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的效果。光敏電阻對不同波長的光，其靈敏度不同，該特性稱為光譜特性。光敏電阻對不同波長的光，其靈敏度不同，該特性稱為光譜特性。傳感器技術光電式傳感器24（4 4）頻率特性（反映時延特性）頻率特性（反映時延特性）當光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，光當光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經

24、過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時延特性時延特性。由于。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。下圖給出相對靈敏度與光強變化頻率之間的關系曲線，可以看出硫化鉛的下圖給出相對靈敏度與光強變化頻率之間的關系曲線，可以看出硫化鉛的使用頻率比硫化鉈高的多。使用頻率比硫化鉈高的多。但多數光敏電阻的時延都較大，因此不能用在但多數光敏電阻的時延都較大，因此不能用在要求快速響應的場合，這是光敏電阻的一個缺陷。要求快速響應的場合，這是

25、光敏電阻的一個缺陷。 100806040200101001 00010 000硫化鎘硫化鉛S /( %)f / Hz常用響應時間來表示器常用響應時間來表示器件動態(tài)特性的好壞，響件動態(tài)特性的好壞，響應時間越小，動態(tài)特性應時間越小，動態(tài)特性越好。越好。傳感器技術光電式傳感器25（5 5）溫度特性）溫度特性2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C光敏電阻的性能光敏電阻的性能(靈敏度、暗電阻靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，同時光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。暗電阻和靈敏度下降，同時

26、光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。有時為為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，紅外探測有時為為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，紅外探測器往往采取制冷措施器往往采取制冷措施 。傳感器技術光電式傳感器26 光敏晶體管光敏晶體管廣泛應用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電廣泛應用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機轉速的檢測、光電讀出裝置等場合。機轉速的檢測、光電讀出裝置等場合。PN光光敏二極管符號光敏二極管的結構與一般二極管相似，其光敏二極管的結構與一般二極管相似，其PN結裝在管頂，以便接受光照，結裝在管頂，以便接受光照，上面有一個透鏡制成

27、的窗口，可使光線集中在敏感面上。上面有一個透鏡制成的窗口，可使光線集中在敏感面上。 光敏二極管光敏二極管傳感器技術光電式傳感器27紅外發(fā)射、接收對管外形紅外發(fā)射、接收對管外形 紅外發(fā)射管紅外發(fā)射管紅外接收管紅外接收管傳感器技術光電式傳感器28當光不照射時，光敏二極管反偏，處于載止狀態(tài)，這時當光不照射時，光敏二極管反偏，處于載止狀態(tài)，這時只有少數載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形只有少數載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流，即成微小的反向電流，即暗電流暗電流；光敏二極管的光電流光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈近似線性關系。與照度之間呈近似線性關系。受光照射時，受光照

28、射時，PN結附近受光子轟擊，吸收其能量而產生電子結附近受光子轟擊，吸收其能量而產生電子- -空穴對，從而使空穴對，從而使P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的少數載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的作用區(qū)的少數載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的作用下，下， P區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，區(qū)， N區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入入P區(qū)，從而使通過區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了結的反向電流大為增加，這就形成了光電流光電流。光敏二極管的光照特性是近似線性的，所以適合檢測等方面的應用。光敏二極管的光照特性是近似線性的，所以

29、適合檢測等方面的應用。RL PN光敏二極管接線 光敏二極管在電路中通常工作在反向偏壓的狀態(tài)下。光敏二極管在電路中通常工作在反向偏壓的狀態(tài)下。傳感器技術光電式傳感器29 光敏二極管的反向偏置接線（及光敏二極管的反向偏置接線（及光電特性演示光電特性演示 在沒有光照時，由于二在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。（暗電流）很小。 當當光照增加光照增加時，時，光電流光電流I與與光照度成正比關光照度成正比關系。系。 光敏光敏二極二極管的反向管的反向偏置接法偏置接法光照光照傳感器技術光電式傳感器30光敏二極管的優(yōu)點：光敏二極管的優(yōu)點：線性好，響應速度快，對寬范圍波

30、長的光具有較高線性好，響應速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低，小型輕量以及耐振動和沖擊等。的靈敏度，噪聲低，小型輕量以及耐振動和沖擊等。光敏二極管的缺點：光敏二極管的缺點：輸出電流小。輸出電流小。 光敏二極管主要參數：光敏二極管主要參數：最高工作電壓最高工作電壓：是指光敏二極管在無光照條件下，反向漏電流不超過一：是指光敏二極管在無光照條件下，反向漏電流不超過一定值時（一般不超過定值時（一般不超過0.1uA）所能承受的最高反向電壓，此值越高，光敏）所能承受的最高反向電壓，此值越高，光敏二極管性能越穩(wěn)定。二極管性能越穩(wěn)定。暗電流暗電流：是指光敏二極管在無光照時和最高工作電壓下通過光敏

31、二極管：是指光敏二極管在無光照時和最高工作電壓下通過光敏二極管PN結測得的反向漏電流，暗電流小的光敏二極管工作性能穩(wěn)定，檢測弱結測得的反向漏電流，暗電流小的光敏二極管工作性能穩(wěn)定，檢測弱光信號的能力強。光信號的能力強。光電流光電流：是指光敏二極管在最高工作電壓下受一定光照射所產生的電流，：是指光敏二極管在最高工作電壓下受一定光照射所產生的電流，一般希望此值越大越好。一般希望此值越大越好。傳感器技術光電式傳感器31 光敏三極管光敏三極管光敏三極管（晶體管）是光電傳感器中光敏三極管（晶體管）是光電傳感器中響應特性良好響應特性良好、測量范圍最廣測量范圍最廣、利用利用價值最高價值最高的一種傳感器。的一

32、種傳感器。其結構與一般三極管很相似，具有電流增益，且其基極不接引線（少數基極其結構與一般三極管很相似，具有電流增益，且其基極不接引線（少數基極有引線）。有引線）。當集電極加上正電壓（當集電極加上正電壓（ NPN型），基極開路時，集電極處于型），基極開路時，集電極處于反向偏置反向偏置狀態(tài)。狀態(tài)。當光線照射在當光線照射在PN結附近時，會產生電子結附近時，會產生電子-空穴對，在內電場的作用下，便會有空穴對，在內電場的作用下，便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，大量的電子流向集電極，形成輸出電流，PPNNNPe b bc RL Eec由于光照射集電結產生的光電流相當于一般三極管的集電極電流，因此

33、集電極由于光照射集電結產生的光電流相當于一般三極管的集電極電流，因此集電極電流為光電流的電流為光電流的倍，從而使光敏三極管具有比二極管更高的靈敏度。倍，從而使光敏三極管具有比二極管更高的靈敏度。傳感器技術光電式傳感器32光敏三極管的檢測方法如下：光敏三極管的檢測方法如下：光敏晶體管與光敏二極管外殼形狀基本相同，管腳較長的是發(fā)射極，另一管光敏晶體管與光敏二極管外殼形狀基本相同，管腳較長的是發(fā)射極，另一管腳是集電極。腳是集電極。判別時，用黑布遮住窗口，選用萬用表判別時，用黑布遮住窗口，選用萬用表R*1k檔，測兩管腳引線間正反向電檔，測兩管腳引線間正反向電阻，均為無限大的為光敏三極管。阻，均為無限大

34、的為光敏三極管。拿走黑布，萬用表指針向右偏轉至拿走黑布，萬用表指針向右偏轉至15k歐歐35k歐，偏轉角度越大說明其靈歐，偏轉角度越大說明其靈敏度越高。敏度越高。傳感器技術光電式傳感器33 光敏管的基本特性光敏管的基本特性l 伏安特性伏安特性l 光照特性光照特性l 光譜特性光譜特性l 頻率特性頻率特性l 溫度特性溫度特性傳感器技術光電式傳感器34（1 1）伏安特性）伏安特性光敏二（三）極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏二（三）極管的伏安特性曲線如圖所示。只要將入射產生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體只要將入射產生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。管。光敏三

35、極管的光電流比相同管型的二極管的光電流大上百倍。光敏三極管的光電流比相同管型的二極管的光電流大上百倍。傳感器技術光電式傳感器35（2 2）光照特性）光照特性 光敏二（三）極管的光照特性如圖所示。它給出了輸出電流光敏二（三）極管的光照特性如圖所示。它給出了輸出電流 I 和照度之間的和照度之間的關系。它們之間呈現了近似線性關系。關系。它們之間呈現了近似線性關系。光敏三極管當光照足夠大光敏三極管當光照足夠大(幾幾Klx)時，將會出現飽和現象，從而使光敏三極管時，將會出現飽和現象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件。既可作線性轉換元件，也可作開關元件。光敏二極管的光照特性曲線的線性較好

36、。光敏二極管的光照特性曲線的線性較好。傳感器技術光電式傳感器36（3 3）光譜特性）光譜特性（兩者相同）（兩者相同）光敏二（三）極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，光敏二（三）極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結，

37、因而使相對靈敏度下降。結，因而使相對靈敏度下降。故在可見光或探測赤熱狀故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時但對紅外線進行探測時,則則采用鍺管較合適。采用鍺管較合適。在照度一定時，輸出的光電流（或相對光譜靈敏度）隨光波波長的變化而變在照度一定時，輸出的光電流（或相對光譜靈敏度）隨光波波長的變化而變化，這就是光敏管的光譜特性?；@就是光敏管的光譜特性。傳感器技術光電式傳感器37（4 4）頻率特性）頻率特性光敏管的頻率特性與本身光敏管的頻率特性與本身的物理結構、工作狀態(tài)、的物理結構、工作狀態(tài)、負載以及入射光波長等因負載以及入射光波長等因素有關。

38、素有關。硅光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電硅光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應，但同時卻使輸出降低。阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應，但同時卻使輸出降低。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差，光敏三極管的響應時一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差，光敏三極管的響應時間為間為210-5s，光敏二極管的響應時間為比它小一個數量級，光敏二極管的響應時間為比它小一個數量級 。對于鍺管，。對于鍺管，入射光的調制頻率要求在入射光的調制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好，響應時

39、以下。硅管的頻率響應要比鍺管好，響應時間要小一個數量級。間要小一個數量級。傳感器技術光電式傳感器38（5 5）溫度特性）溫度特性溫度特性曲線反映的是光敏管的暗電流及光電流與溫度的關系。溫度特性曲線反映的是光敏管的暗電流及光電流與溫度的關系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響較小，而對暗電流的影響很從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響較小，而對暗電流的影響很大光敏管的暗電流是一種噪聲電流。大光敏管的暗電流是一種噪聲電流。減小方法：減小方法：1. 選用硅光敏管，因為硅管的暗電流比鍺管小幾個數量級；選用硅光敏管，因為硅管的暗電流比鍺管小幾個數量級；2. 電電路中采用溫度補償措施；路中采

40、用溫度補償措施；3.將光信號進行調制，對輸出的電信號采用交流放將光信號進行調制，對輸出的電信號采用交流放大，利用電路中隔直電容的作用，阻斷暗電流。大，利用電路中隔直電容的作用，阻斷暗電流。傳感器技術光電式傳感器39光敏二極管的應用光敏二極管的應用1. 光電控制電路光電控制電路如右圖，一個路燈的自動控制電路。從圖可知，在無光照射時，光敏二極如右圖，一個路燈的自動控制電路。從圖可知，在無光照射時，光敏二極管（反向）截止，電阻管（反向）截止，電阻R1上的壓降上的壓降VA很小，則晶體管很小，則晶體管T1截止，截止，T2截止，繼截止，繼電器電器J不動作，路燈保持亮。有光照時，光敏管產生光電流不動作，路燈

41、保持亮。有光照時，光敏管產生光電流IL，R1電壓升高，電壓升高，VA上升，光強達到某一值時上升，光強達到某一值時T1導通，導通，T2導通，導通，J動作，常閉端打開，使路燈動作，常閉端打開，使路燈滅。即白天燈滅，晚上燈亮，實現了自動控制的作用。滅。即白天燈滅，晚上燈亮，實現了自動控制的作用。傳感器技術光電式傳感器402. 光強測量電路光強測量電路右圖為穩(wěn)壓管、光敏二極管和電橋組成的測量電路。無光照時，右圖為穩(wěn)壓管、光敏二極管和電橋組成的測量電路。無光照時，VA很大，很大，FET導通，調整導通，調整RW，使電橋平衡，即指針為，使電橋平衡，即指針為0。有光照時，光敏管產生。有光照時，光敏管產生IL，

42、A點電位點電位VA下降，下降，R2上電流下降，上電流下降，VB減小，光照不同，減小，光照不同，IL不同，不同，VA不同，不同，R2上壓降不同，光強可以通過電流計讀數顯示出來。上壓降不同，光強可以通過電流計讀數顯示出來。傳感器技術光電式傳感器41光敏三極管的應用光敏三極管的應用1. 脈沖編碼器脈沖編碼器Vi為為24V電源電壓，電源電壓，V0為輸出電壓，為輸出電壓，N為光柵轉盤上的總的光柵輻條數，為光柵轉盤上的總的光柵輻條數，R1和和R2為限流電阻器，而為限流電阻器，而A和和B則分別是發(fā)光二極管和光敏三極管。則分別是發(fā)光二極管和光敏三極管。所以，在轉軸轉動一圈的時間內，接收端將接收到所以，在轉軸轉

43、動一圈的時間內，接收端將接收到N個光信號，從而在個光信號，從而在其輸出端輸出其輸出端輸出N個電脈沖信號。個電脈沖信號。由此可知，脈沖編碼器輸出的電信號由此可知，脈沖編碼器輸出的電信號V0的頻率的頻率f是由轉軸的轉速是由轉軸的轉速n確定的。確定的。于是有：于是有： ，上式決定了脈沖編碼器輸出信號的頻率，上式決定了脈沖編碼器輸出信號的頻率f與轉軸與轉軸的轉速之間的關系。的轉速之間的關系。/60fnN傳感器技術光電式傳感器422. 光電轉速傳感器光電轉速傳感器圖圖a是透光式，在待測轉速軸上固定一帶孔的調置盤，在調置盤一邊由是透光式，在待測轉速軸上固定一帶孔的調置盤，在調置盤一邊由白識燈產生恒定光，透

44、過盤上的小孔到達光敏二極管組成光電轉換器上，白識燈產生恒定光，透過盤上的小孔到達光敏二極管組成光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉轉換成相應的電脈沖信號，經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速通過該脈沖頻率測定。速通過該脈沖頻率測定。圖圖b是反光式，在待測轉速的盤上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，是反光式，在待測轉速的盤上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射信號，轉換成電脈沖信號。它們具有不同的反射信號，轉換成電脈沖信號。傳感器技術光電式傳感器43光電轉換電路如下圖所示。光電轉換電路如下圖所示。BG1為光敏三極管，當光線照射為光敏三極管，

45、當光線照射BG1時，產生時，產生光電流，使光電流，使R1上壓降增大，導致晶體管上壓降增大，導致晶體管BG2導通，觸發(fā)由晶體管導通，觸發(fā)由晶體管BG3和和BG4組成的射極耦合觸發(fā)器，使組成的射極耦合觸發(fā)器，使U0為高電位。反之為高電位。反之U0為低電位。該脈沖為低電位。該脈沖信號信號U可送到計數電路計數?？伤偷接嫈惦娐酚嫈?。每分鐘轉速每分鐘轉速n與脈沖頻率與脈沖頻率f的關系式為：的關系式為：頻率可用一般的頻率計測量。光電元件多采用光電池、光敏二極管和光敏頻率可用一般的頻率計測量。光電元件多采用光電池、光敏二極管和光敏三極管以提高壽命、減小體積、減小功耗和提高可靠性。三極管以提高壽命、減小體積、減

46、小功耗和提高可靠性。式中式中N為孔數或黑白條紋數目。為孔數或黑白條紋數目。60Nfn傳感器技術光電式傳感器44 3 3） 光生伏特效應及其器件光生伏特效應及其器件 在光線作用下能夠在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做的現象叫做光生伏特效應光生伏特效應?；谠撔墓怆娖骷泄怆姵亍；谠撔墓怆娖骷泄怆姵?。傳感器技術光電式傳感器45光電池光電池 l 硅光電池硅光電池價格便宜，價格便宜，轉換效率高，壽命長，適于接受紅外光轉換效率高，壽命長，適于接受紅外光。l 硒光電池硒光電池光電轉換效率低光電轉換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光、壽命短，適

47、于接收可見光(響應峰值響應峰值波長波長0.56m)，最適宜制造照度計。，最適宜制造照度計。l 砷化鎵光電池砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性則與太陽光譜最轉換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應用是有發(fā)展前途的。衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應用是有發(fā)展前途的。光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的器件光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的器件。由于它可把太陽能。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為直接

48、變電能，因此又稱為太陽能電池太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的電式有源元件。它有較大面積的PN結，當光照射在結，當光照射在PN結上時，在結的兩端結上時，在結的兩端出現電動勢。出現電動勢。命名方式：命名方式：把光電池的半導體材料的名稱冠于光電池把光電池的半導體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池或太陽能電池)之前。之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前，應用最廣、最有發(fā)展前如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前，應用最廣、最有發(fā)展前途的是途的是硅光電池硅光電池。傳感器技術光電式傳感器46光電池的表示符號、基本

49、電路及等效電路如圖所示。光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。IU(a)(b)圖 光電池符號和基本工作電路傳感器技術光電式傳感器47光電池光電池外形外形光敏面光敏面光生伏特效應：在光線的作用下光生伏特效應：在光線的作用下, ,物體產生一定方向物體產生一定方向電動勢的現象電動勢的現象. .傳感器技術光電式傳感器48能提供較大電流的大能提供較大電流的大面積光電池面積光電池外形外形傳感器技術光電式傳感器49 4 4） 新型光電器件（主要為光敏二極管）新型光電器件（主要為光敏二極管）高速光電二極管高速光電二極管：主要用于光纖通信和光電自動控制：主要用于光纖通信和光電自動控制的快速接受器件。的快

50、速接受器件。u PIN PIN結光電二極管結光電二極管u 雪崩式光電二極管雪崩式光電二極管色敏光電傳感器色敏光電傳感器：用來直接測量從可見光到紅外光波：用來直接測量從可見光到紅外光波段內的單色輻射的波長（原檢測在一定波長范圍內的段內的單色輻射的波長（原檢測在一定波長范圍內的光的強度）（如光的強度）（如CS-1CS-1型）型）光位置傳感器（光位置傳感器（PSDPSD）：用于機器人的眼睛及其它位：用于機器人的眼睛及其它位置檢測置檢測傳感器技術光電式傳感器50光電式傳感器具有結構簡單、隔離性能好、可靠性高、體積小、重量輕、光電式傳感器具有結構簡單、隔離性能好、可靠性高、體積小、重量輕、價格低廉、靈敏

51、度高和反應快等優(yōu)點。在自動化、檢測技術領域應用廣泛。價格低廉、靈敏度高和反應快等優(yōu)點。在自動化、檢測技術領域應用廣泛。傳感器技術光電式傳感器51n光電傳感器的分類光電傳感器的分類傳感器技術光電式傳感器52n1）模擬式光電傳感器傳感器技術光電式傳感器53傳感器技術光電式傳感器54傳感器技術光電式傳感器55傳感器技術光電式傳感器56平行平行光源光源光電光電探測探測放大放大顯示顯示刻度刻度 校正校正報警器報警器吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖煙道煙道傳感器技術光電式傳感器57傳感器技術光電式傳感器58在自動計數、光控開關、光電編碼器、光電報警裝置及其在自動計數、光控開關、光電編碼器、光電報警裝置及其它光電輸入設備場合有廣泛的應用。它光電輸入設備場合有廣泛的應用。n2）開關式光電傳感器傳感器技術光電式傳感器59R1R2信號處信號處理系統(tǒng)理系統(tǒng)光電計數器光電計數器傳感器技術光電式傳感器60總總 結結n 光電式傳感器光電式傳感器：1.掌握光電效應分類及各分類主要光電器件；掌握光電效應分類及各分類主要光電器件；2.了解光電傳感器的應用了解光電傳感器的應用