第8章光电式传感器课件.ppt

1、 将光量转换为电量的器件称为将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电传感器或光电元件。光电式传感器的光电式传感器的工作原理工作原理是：首先把被测量的变化转是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。信号。光电传感器的工作基础是光电效应。光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一一.外光电效应外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应

2、。射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件由基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管等。等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量由下式确定。能量由下式确定。)s s)(J106.626h -134-光光的的频频率率（为为普普朗朗克克常常数数式式中中：hE根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子，因此，如果要使一个电子从物质表面逸出，光电子，因此，如果要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量必须大于该物质表面的逸出功子具有的能量必须大于该物质表面的逸出功

3、A0A0，这时，这时201 v2hmA 其中其中m-电子质量电子质量 v-电子逸出的速度电子逸出的速度结论：结论：受光照的物体的导电率发生变化，或产生光生电受光照的物体的导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。以下两大类。1 1）光电导效应光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。的器件有光敏电

4、阻等。红限频率：红限频率：光子的能量等于逸出功时的光子频率光子的能量等于逸出功时的光子频率2 2）光生伏特效应光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。应的器件有光电池和光敏晶体管等。一一.普通光电管普通光电管在一个真空泡内装有两个电在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光壁上做成，其感光面对准光的照

5、射孔。当光线照射到光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产空间电子流，在外电路就产生电流。生电流。二二.光电倍增管光电倍增管1.1.结构与结构与原理原理由于真空由于真空光电管的光电管的灵敏度较灵敏度较低，因此低，因此人们便研人们便研制了光电制了光电倍增管，倍增管，其工作原其工作原理如图。理如图。1）倍增系数倍增系数 M M nM电流放大倍数电流放大倍数nIiMM与所加电压有关，一般在与所加电压有关，一般在105105108108之间。一般阳极

6、之间。一般阳极和阴极的电压为和阴极的电压为1000V1000V2500V2500V，两个相邻的倍增电，两个相邻的倍增电极的电压差为极的电压差为50V50V100V100V。一个光子在阴极上能一个光子在阴极上能够打出的平均电子数够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳度。而一个光子在阳极上产生的平均电子极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的数叫做光电倍增管的总灵敏度。总灵敏度。光电倍增管的放大倍光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图所数或总灵敏度如图所示。示。光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电光电池在有光线作用下

7、实质就是电源池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需电路中有了这种器件就不需要外加电源。要外加电源。一一.结构与工作原理结构与工作原理 光电池的工作原理是基于光电池的工作原理是基于“光生伏特效应光生伏特效应”。它实质上它实质上是一个大面积的是一个大面积的PNPN结结,当光照射到当光照射到PNPN结的一个面结的一个面,例如例如p p型面型面时时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么那么p p型区每吸型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴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电子空穴对从表面向内迅速扩散内迅速扩散,在结电场的作

8、用下在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有最后建立一个与光照强度有关的电动势。关的电动势。1.光谱特性光谱特性 硒光电池和硅光电硒光电池和硅光电池的光谱特性如左图池的光谱特性如左图 不同的光电池，光不同的光电池，光谱峰值的位置不同。谱峰值的位置不同。例如，硅光电池在例如，硅光电池在8000A附近，硒光附近，硒光电池在电池在5400A附近。附近。光照度定义为单位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒光照度定义为单位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。克斯。Lx(W/m2)Lx(W/m2)反映短路电流、开路电压与光照度的关系。反映短路电流、开路电压与光照度的关系。短路电流在很大范围内与光照

9、强度成线性关系短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。短路电流状态，可做检测元件。开路电压（负载电阻开路电压（负载电阻RLRL无限大时）与光照度的关系是非线性无限大时）与光照度的关系是非线性的的,并且当照度在并且当照度在2000 lx2000 lx时就趋于饱和了。光电池工作于开时就趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件。路电压状态，可做开关元件。温度特性主要温度特性主要描述开路电压描述开路电压与短路电流随与短路电流随温度变化的情温度变化的情况。如图所示况。如图所示.把光电池作为把光电池作为测量器件应用测量器件应用时时,应保证温应

10、保证温度恒定或采取度恒定或采取温度补偿措施。温度补偿措施。JMJ112V2A51KL39K470uf三三.光电池的应用光电池的应用1.自动干手器自动干手器手放入干手器时，手放入干手器时，手遮住灯泡发出的手遮住灯泡发出的光，光电池不受光光，光电池不受光照，晶体管基极正照，晶体管基极正偏而导通，继电器偏而导通，继电器吸合。风机和电热吸合。风机和电热丝通电，热风吹出丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照灯泡发出光直接照射到光电池上，产射到光电池上，产生光生电动势，使生光生电动势，使三极管基射极反偏三极管基射极反偏而截止，继电器释而截止，继电器释放，从而切断风机放，从而切

11、断风机和电热丝的电源。和电热丝的电源。8.4 光敏电阻光敏电阻为了防止周围介质的影响为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。范围内透射率最大。1.光敏电阻的结构光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质薄层半导体物质,半导体半导体的两端装有金属电极的两端装有金属电极,金金属电极与引出线端相连接属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端光敏电阻就通过引出线端接入电路。接入电路。光敏电阻又称光导管光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半

12、导体材它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。料制成的光电器件。光敏电阻没有极性光敏电阻没有极性,纯纯粹是一个电阻器件粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。也可以加交流电压。无光照时无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大光敏电阻值（暗电阻）很大,电路电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧它的阻值（亮电阻）急剧减少减少,电路中电流迅速增大。电路中电流迅速增大。一般希望暗电一般希望暗电阻越大越好阻越大越好,亮电阻越小越好亮电阻越小越好,此时光敏电阻此时光敏电阻的灵

13、敏度高。的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。亮电阻在几千欧以下。3 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数）暗电阻暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流此时流过的电流称为暗电流。称为暗电流。）亮电阻亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电此时流过的电流称为亮电流。流称为亮电流。）光电流光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。4 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性1）伏安特性伏安特性：在一定照度下在一定

14、照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系阻两端的电压的关系一定光照，一定光照，R R一定，一定，I I正正比于比于U U。一定电压，一定电压，I I随着光照随着光照E E增强而增大。增强而增大。ERI ERI。光敏电阻的光光敏电阻的光照特性为非线照特性为非线性，不宜作检性，不宜作检测元件，主要测元件，主要用于自动控制用于自动控制中。中。3）光谱特性（光谱特性（Kr%）光敏电阻的相对光敏灵敏度光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱与入射波长的关系称为光谱特性。特性。亦称为光谱响应。亦称为光谱响应。%100%max00IIKr不同材料，其峰值波长不同

15、。不同材料，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。元件得到较高得相对灵敏度。4）温度特性温度特性温度变化影响光敏电阻的温度变化影响光敏电阻的光谱响应。光谱响应。硫化铅光敏电阻的光谱温硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线度特性曲线,它的峰值随它的峰值随着温度上升向波长短的方着温度上升向波长短的方向移动。向移动。因此因此,硫化铅光硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的敏电阻要在低温

16、、恒温的条件下使用。条件下使用。对于可见对于可见光的光敏电阻光的光敏电阻,其温度影其温度影响要小一些。响要小一些。1.光照度计光照度计 农作物日照时数测定。农作物日照时数测定。输出接单片机的输出接单片机的I/OI/O口，口，每每2 2分钟对此口查询分钟对此口查询1 1次，次，为高电平，计数一次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。为低电平，不计数。1 1天天查询查询720720次。次。无光照无光照V0=VL V0=VL 。有光照。有光照V0=VHV0=VH。wR9013CRGRA0V)(24720hNH 光敏二极管与三极管光敏二极管与三极管一一.光敏二极管光敏二极管1.1.工作原理与结构工作

17、原理与结构光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PNPN结，两结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的同之处在于光敏二极管的PNPN结状在管壳的顶部，可直接受结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如图所示。到光的照射，其结构和电路如图所示。没有光照射时没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形

18、成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。当光照射在当光照射在PNPN结上时结上时,光子打在光子打在PNPN结附近结附近,PN,PN结附近产生结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使光生电子和光生空穴对。从而使P P区和区和N N区的少数载流子浓度大区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下,P,P区的少数载区的少数载流子渡越阻挡层进入流子渡越阻挡层进入N N区，区，N N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P P区区，从而使通过从而使通过PNPN结的反向电流大为增加，形

19、成光电流。这时结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。光电流越大。1 1）光谱特性）光谱特性 在入射度一定时，在入射度一定时，输出的光电流输出的光电流（或相对灵敏度）（或相对灵敏度）随光波波长的变随光波波长的变化而变化。一种化而变化。一种光敏二极管只对光敏二极管只对一定波长的入射一定波长的入射光敏感，这就是光敏感，这就是它的光谱特性。它的光谱特性。如图所示。如图所示。温度变化对光敏二极管输出电流影响较小温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响但对暗电流的影响却十分显著却十分显著.1 1）光电路灯控制电路）

20、光电路灯控制电路二二.光敏三级管光敏三级管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。1.1.工作原理与结构工作原理与结构基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时结上时,在结附近产生电子在结附近产生电子-空穴对空穴对,电子在结电场的作用电子在结电场的作用下，由下，由P P区向区向N N区运动，形成基极电流，放大区运动，形成基极电流，放大倍形成集电极倍形成集电极电流（光电流）电流（光电流）,所以光电三

21、极管有放大作用。所以光电三极管有放大作用。1 1）光谱特性与伏安特性光谱特性与伏安特性 光谱特性与二极管相同，光谱特性与二极管相同，伏安特性如图。伏安特性如图。温度特性与光敏二极管温度特性与光敏二极管相同，光照特性如图相同，光照特性如图1.脉冲编码器脉冲编码器一一 光电耦合器光电耦合器 光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。发光元件为发光二极一般有金属封装和塑料封装两种。发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端

22、。介，实现输入电信号耦合到输出端。特点：特点：强弱电隔离。强弱电隔离。输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达2000V2000V以上。以上。能避免输出端对输入端地线等的干扰。能避免输出端对输入端地线等的干扰。对系统内部噪声有很强的抑制作用。对系统内部噪声有很强的抑制作用。发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离。应用于自动控制电路中的强弱电隔离。二二.光电开关光电开关 光电开关在制造业自动化包装

23、线及安全装置中光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可实现限位控制、产品计作光控制和光探测装置。可实现限位控制、产品计数数,料位检测，越限安全报警及计算机输入接口等料位检测，越限安全报警及计算机输入接口等用途。用途。1.1.光电开关结构光电开关结构 透射式和反射式的光电开关。透射式和反射式的光电开关。利用输出电平的状态判断有无被测物。利用输出电平的状态判断有无被测物。2.基本电路（透射式）基本电路（透射式）如图（如图（a)(c)a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。(b)(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输

24、出高电平。无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。一、光谱一、光谱光波：波长为10106nm的电磁波可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm，波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。光光 谱谱远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m频率/Hz光子能量/eV1015510141014510131001015050.551015101631018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz，的单位为cm。=31010cm/s