1、传感技术与电子测量传感技术与电子测量主讲教师：赵珂主讲教师：赵珂第第7 7章章 光电检测技术光电检测技术7.1 7.1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7.2 7.2 光电式传感器的应用光电式传感器的应用一、光谱一、光谱光光 波：波：波长为波长为10106nm10106nm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380780nm380780nm紫外线：紫外线：波长波长10380nm10380nm，波长波长300380nm300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm10200nm称为极远紫外线称为极远紫外线
2、红外线：红外线：波长波长780106nm780106nm 波长波长3m3m（即（即3000nm3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。远紫外远紫外近紫外近紫外可见光可见光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.11100.050.55波长波长/m/m频率频率/Hz/Hz光子能量光子能量/eV/eV1015510141014510131001015050.551015101631018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.99793=2.9979
3、310101010cm/scm/s，通常，通常c c3310101010cm/scm/s。光的波。光的波长长和频率和频率的关系为的关系为 的单位为的单位为HzHz，的单位为的单位为cmcm。=31010cm/s7.1 7.1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件外光电效应外光电效应：光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hh h普朗克常数，普朗克常数，6.6266.62610-34Js10-34Js；光的频率（光的频率（s-1s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表
4、面逸出，必须使光子量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金金属和金属氧化物属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过超过1010-9-9s s。根据能量守恒定理。根据能量守恒定理 式中式中 m m电子质量；电子质量；v v0 0电子逸出速度。电子逸出速度。02021Amh器件：器件：光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管n光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物光电
5、子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功体的表面电子逸出功A A0 0。不同的物质具有不同的逸出功，。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。或波长限。n当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。电子数也就越多。n光电子逸出物体表面具有初始动能光电子逸出物体表面具有初始动能mvmv0 02 2/2/2 ，因此外光，因此外光
6、电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。而且截止电压与入射光的频率成正比。内光电效应内光电效应：在光线作用，电子吸收光子能量从键在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为这种现象被称为光电导效应光电导效应。基于这种效应的光电。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。器件有光敏电阻。常存在于高电阻率的半导体中。半导体的导
7、电特性：常存在于高电阻率的半导体中。半导体的导电特性：)NN(qppnn q q是电子电荷，是电子电荷，NnNn、NpNp是自由电子和自由空穴的浓度，是自由电子和自由空穴的浓度，n n、p p是自由电子和自由空穴的迁移率。是自由电子和自由空穴的迁移率。过程：过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。
8、导带导带价带价带禁带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg 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定方向的在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势电动势的现象叫做光生伏特效应。的现象叫做光生伏特效应。势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）接触的半导体和接触的半导体和PNPN结中，当光线照射其接触区域结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势时，便引起光电动势，这就是这就是结光电效应结光电效应。以。以PNPN结为结为例，光线照射例，光线照射PNPN结时，设光子能量大于禁带宽度结时，设光子能量大于禁带宽度
9、E Eg g，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N N区外区外侧，被光激发的空穴移向侧，被光激发的空穴移向P P区外侧，从而使区外侧，从而使P P区带正电，区带正电，N N区带负电，形成光电动势。区带负电，形成光电动势。光电池光电池侧向光电效应侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，
10、光照部分载流子浓度光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件基于该效应的光电器件如半导体光电
11、位置敏感器件（PSDPSD）等。）等。1 1、光电管光电管 当阴极受到适当波长的光当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。中便产生了电流。一、光电器件一、光电器件真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性2 2、光电倍增管、光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管能产生很小的光电流。在入射光极为微弱时，光电管能产生很小的光电流。光电倍增管：放大光电流光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极组成：光电阴极+若干
12、倍增极若干倍增极+阳极阳极 光电阴极光电阴极 光电倍增极阳极光电倍增极阳极倍增极上涂有倍增极上涂有Sb-CsSb-Cs或或Ag-MgAg-Mg等光敏材料，并且电等光敏材料，并且电位逐级升高。阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，位逐级升高。阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射引起二次电子发射 。3 3、光敏电阻光敏电阻（1 1）、光敏电阻的工作原理及结构）、光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值当无光照时，光敏电阻值(暗电阻暗电阻)很大，电路中电流很大，电路中电流很小很小 ；当有光照时，光敏电阻值当有光照时，光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少急剧减少，电流迅速增加。，电流
13、迅速增加。（2 2）、光敏电阻的主要参数）、光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流：光敏电阻在室温条件下，在全：光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。流过的电流，称为暗电流。（2 2）亮电阻亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3 3）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。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，
14、此时光一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级兆欧量级，亮电阻值在，亮电阻值在几千欧几千欧以下以下。A A、伏安特性、伏安特性 在一定照度下，光敏在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电阻两端所加的电压与光电流之间的关系电流之间的关系。在在给定的偏压给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越情况下，光照度越大，光电流也就越大；在大；在一定光照度一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗光敏
15、电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。散功率又和面积以及散热条件等因素有关。（3 3）、光敏电阻的基本特性）、光敏电阻的基本特性 B B、光照特性、光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系光敏电阻的光电流与光强之间的关系。由于光敏电阻的光照特性呈由于光敏电阻的光照特性呈非线性非线性，因此不宜作为测，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信开关式光电信号传感元件号传感元件。C C、光谱特性、光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的。光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的。D、响应时间和频率特性
16、响应时间和频率特性 光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。在时间上有一个滞后。通常用响应时间通常用响应时间t t表示。表示。(ms)光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。以它们的频率特性也就不尽相同。E E、温度特性、温度特性 光敏电阻受温度的影响光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都它的暗电阻和灵敏度都下降。下降。硫化镉光敏电阻的温度特性硫化镉光敏电阻的温度特性 )C%(1
17、00R)TT(RR121212 温度系数：温度系数：在一定光照下，温度每变化在一定光照下，温度每变化11，光敏电阻阻值，光敏电阻阻值的平均变化率。的平均变化率。温度对光谱特性影响温度对光谱特性影响 随着随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 应用电路应用电路UIRGRL通常从等效电路和伏安特性曲通常从等效电路和伏安特性曲线进行基本的分析。如左图所线进行基本的分析。如左图所示。很明显应用光敏电阻可
18、以示。很明显应用光敏电阻可以在低速（由响应时间和频率特在低速（由响应时间和频率特性决定）性决定）用作开关电路。如果用作开关电路。如果要合理设计，那么就要综合考要合理设计，那么就要综合考虑前面介绍的光敏电阻的各种虑前面介绍的光敏电阻的各种特性。特性。器件的选取器件的选取如：应用它的光谱特性，对不同波长的光选用不同如：应用它的光谱特性，对不同波长的光选用不同 的器件。的器件。例例1 1：光控闪烁安全警示灯电路图如下图所示：光控闪烁安全警示灯电路图如下图所示 。当。当接通电源后，接通电源后，220V220V经二极管经二极管VD1VD1半波整流，通过半波整流，通过R1R1向向C C充电，因充电电流很小
19、，警示灯充电，因充电电流很小，警示灯E E不会被点亮。电不会被点亮。电容容C C上的电压取决上的电压取决R1R1和光敏电阻和光敏电阻RLRL的分压值。白天，的分压值。白天，光敏电阻光敏电阻RLRL受自然光源的照射而呈现低阻值，电容受自然光源的照射而呈现低阻值，电容C C两端的充电电压超不过双向触发二极管两端的充电电压超不过双向触发二极管VD2VD2的转折电的转折电压。双向晶闸管压。双向晶闸管VSVS因无触发而处于截止状态因无触发而处于截止状态.警示灯警示灯E E不亮。傍晚自然光变暗不亮。傍晚自然光变暗.光敏电阻光敏电阻RLRL呈高阻值，电呈高阻值，电容容C C上的电压不断增高、当电压超过双向触
20、发管上的电压不断增高、当电压超过双向触发管VD2VD2的转折电压时的转折电压时VD2VD2导通导通,电容一定程度时电容一定程度时,VD2,VD2重新截重新截止止,VS,VS因失去触发电流在交流电过零时自动关断，警因失去触发电流在交流电过零时自动关断，警示灯示灯E E熄灭这之后，电容熄灭这之后，电容C C又按上述过程反复充电、又按上述过程反复充电、放电，使放电，使VSVS不断地截止与导通，控制着警示灯发出不断地截止与导通，控制着警示灯发出闪烁的亮光。闪烁的亮光。（1 1）、工作原理）、工作原理 结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在在电路中一般是处于电
21、路中一般是处于反向工作状态反向工作状态。光敏二极管光敏二极管4 4、光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管 与一般晶体管很相似，具有两个与一般晶体管很相似，具有两个pnpn结。把光信号结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。A A、光谱特性、光谱特性 入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜在红外光
22、进行探测时，则锗管较为适宜。（2 2）、基本特性）、基本特性B B、伏安特性、伏安特性硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性 C C、光照特性、光照特性 两种硅光敏管的光照特性曲线两种硅光敏管的光照特性曲线光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 D D、温度特性、温度特性其暗电流及光电流与温度的关系其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。E E、频率响应、频率响应 具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流电流
23、(或负载上的电压或负载上的电压)随频率的变化关系随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应 例例2：光敏二极管：光敏二极管GG的联结和伏安特性如图所示。若光的联结和伏安特性如图所示。若光敏二极管上的照度发生变化，敏二极管上的照度发生变化，L=（100+100sint)lx，为，为使光敏二极管上有使光敏二极管上有10V的电压变化，求所需的负载电阻的电压变化，求所需的负载电阻RL和电源电压和电源电压E。解：根据曲线，最大电压与最大解：根据曲线，最大电压与最大光照对应。并使它工作在线性区光照对应。并使它工作在线性区域，域，取取200lx200lx的拐点对应的拐点对应2V2V，则电
24、，则电源电压为：源电压为：伏安特性伏安特性)(100.11010212ACBCatan1R66L 在电压轴上找到在电压轴上找到12V12V的点，连接拐的点，连接拐点与该点的直线为点与该点的直线为负载线负载线。拐点。拐点对应的电流为对应的电流为1010微安。负载电阻微安。负载电阻为为)V(12102E 例例3 3：光敏三极管红外检测器的电路如图所示。当：光敏三极管红外检测器的电路如图所示。当红外遥控发射装置发出的红外光照射到光敏三极红外遥控发射装置发出的红外光照射到光敏三极管管VT1VT1时，其内阻减小，驱动时，其内阻减小，驱动VT2VT2导通，使发光二导通，使发光二极管极管VD1VD1随着入射
25、光的节奏被点亮。由于发光二极随着入射光的节奏被点亮。由于发光二极管管VD1VD1的亮度取决于照射到光敏三极管的亮度取决于照射到光敏三极管VT1VT1的红外的红外光的强度，因此，根据发光二极管光的强度，因此，根据发光二极管VD1VD1的发光亮度，的发光亮度，可以估计出红外发射装置上的电池是否还可以继可以估计出红外发射装置上的电池是否还可以继续使用。续使用。（3 3）、光敏三极管，光敏二极管的测试及判断）、光敏三极管，光敏二极管的测试及判断A、光敏二极管的的检测方法、光敏二极管的的检测方法1、根据外壳上的标记判定极性，外壳标有色点的、根据外壳上的标记判定极性，外壳标有色点的管脚或靠近管键的管脚为正
26、极，另一管脚为负极。管脚或靠近管键的管脚为正极，另一管脚为负极。2 2、电阻测量法，用万用表、电阻测量法，用万用表1K1K档测量，正向电阻约档测量，正向电阻约为为10K10K左右。无光照射时，反向电阻为左右。无光照射时，反向电阻为，则，则管子是好的（若阻值不是管子是好的（若阻值不是说明漏电流大）。有说明漏电流大）。有光照时，反向电阻随光照度的增加而减小，阻值光照时，反向电阻随光照度的增加而减小，阻值可以降到几可以降到几K K或或1K1K以下，则管子是好的；若反向以下，则管子是好的；若反向电阻都是电阻都是或或0 0，则管子是坏的。，则管子是坏的。B、光敏三极管的检测方法、光敏三极管的检测方法1、
27、管脚长为发射极，管脚短为集电极。无光照、管脚长为发射极，管脚短为集电极。无光照射时，正射时，正、反向电阻均为无穷大的是光敏晶体管。反向电阻均为无穷大的是光敏晶体管。2 2、用万用表、用万用表1K1K档，黑表笔接档，黑表笔接c c极，红表笔接极，红表笔接e e极，极，无光照射时接近无光照射时接近，随着光照的增强，电阻逐，随着光照的增强，电阻逐渐减小，可从渐减小，可从-1k-1k以下。黑表笔接以下。黑表笔接e e，红表笔，红表笔接接c c，无光照是，无光照是R-,R-,有光照时，表针微动或有光照时，表针微动或为为。C、使用注意事项使用注意事项1、光敏二极管的输出光电流小，输出特性的线性度光敏二极管
28、的输出光电流小，输出特性的线性度好，响应时间快。好，响应时间快。2、光敏三极管的输出光电流大，输出特性的线性度光敏三极管的输出光电流大，输出特性的线性度差，响应时间慢。差，响应时间慢。3、一般要求灵敏度高，工作频率低的开关电路，可一般要求灵敏度高，工作频率低的开关电路，可选用光敏三极管。要求光电流与照度成线性关系选用光敏三极管。要求光电流与照度成线性关系或要求工作频率高时，则采用光敏二极管。或要求工作频率高时，则采用光敏二极管。例下列图所示为光敏二极管，光敏三极管的应用举例例下列图所示为光敏二极管，光敏三极管的应用举例 图图a所示响应速度快，输出信号与输入信号同相位。所示响应速度快，输出信号与
29、输入信号同相位。图图a图图b b所示集电极输出电路适所示集电极输出电路适用于脉冲入射光路，输出用于脉冲入射光路，输出信号与输入信号的相位相信号与输入信号的相位相反，输出信号一般较大。反，输出信号一般较大。图图C C所示发射极输出电路所示发射极输出电路适用于模拟信号电路，适用于模拟信号电路，R1R1可减少暗电流，输出信号可减少暗电流，输出信号与输入信号的相位相同，与输入信号的相位相同，输出信号一般较小。输出信号一般较小。图b图C 图图d d 图图d d所示暗电流补偿型电路，采用分压器方式所示暗电流补偿型电路，采用分压器方式的偏置电路，直流工作点的热稳定性好，采的偏置电路，直流工作点的热稳定性好，
30、采用基极电阻减少暗电流的方法，适用模拟信用基极电阻减少暗电流的方法，适用模拟信号的测量。号的测量。图e 图f 图图e,e,图图f f所示，入射光即使很弱，也可获得较大所示，入射光即使很弱，也可获得较大的光电流，但响应特性变差，只适合低速光开关的光电流，但响应特性变差，只适合低速光开关电路中电路中图图g g图图g g所示电路增益由所示电路增益由R1R1和和RfRf之比决定。之比决定。（1 1）、）、工作原理工作原理 直接将光能转换为电能的光电器件，是一个直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积大面积的的PNPN结结。当光照射到。当光照射到PNPN结上时，便在结上时，便在PNPN结的两端产结的
31、两端产生电动势生电动势(P(P区为正，区为正，N N区为负区为负)。用导线将用导线将PNPN结两端用导线连接起来，就有电流流过，结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由电流的方向由P P区流经外电路至区流经外电路至N N区。若将电路断开，区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。就可以测出光生电动势。5 5、光电池光电池A硼 扩 散 层SiO2膜P型 电 极N型 硅 片PN结电 极AII(a)(b)A A、光谱特性、光谱特性 光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的。光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的。（2 2）、基本特性）、基本特性B B、光照特性、光照特性 不同光照度下，光电流和光生电
32、动势是不同的。不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的。非线性的。光电池作为测量元件使用时，应把它当作光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用电流源的形式来使用。光电池的短路电流光电池的短路电流 外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。电流值。负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽而且线性范围越宽。对于不同的负载电阻，可以在。对于不同的负载电阻，可以在不同的照度范围内
33、，使光电流与光照度保持线性关不同的照度范围内，使光电流与光照度保持线性关系，所以系，所以应用光电池时，所用负载电阻大小，应依应用光电池时，所用负载电阻大小，应依据光照的具体情况来定据光照的具体情况来定。C C、频率响应、频率响应 指输出电流随调制光频率变化的关系曲线。指输出电流随调制光频率变化的关系曲线。硅光电池具有较高的频率响应硅光电池具有较高的频率响应 ，用于高速计数，用于高速计数的光电转换的光电转换。D D、温度特性、温度特性 开路电压和短路电流随温度变化的关系曲线。开路电压和短路电流随温度变化的关系曲线。关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到
34、测量精度或控制精度等重要指标。量精度或控制精度等重要指标。硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性(照度照度1000lx)1000lx)E E、稳定性、稳定性 当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的；光电池的性能是相当稳定的；硅光电池的性能比硒光电池更稳定；硅光电池的性能比硒光电池更稳定；影响性能和寿命因素：影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺；光电池的材料及制造工艺；使用环境条件；使用环境条件；+12V例例4：图所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。图所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某
35、一工作状态，如通态或断态。当无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。BG2BG1C J R1 R2图图1 1：光电开关：光电开关IURL光电池的基本连光电池的基本连接电路接电路例例5 5：感光报警电路如图所示。感光元件采用两个硅光电感光报警电路如图所示。感光元件采用两个硅光电 池，放大电路由三只半导体管组成，池，放大电路由三只半导体管组成，R1R1和和R2R2为分压为分压 偏置电路，当无光照时
36、，硅光电池不产生电压，它偏置电路，当无光照时，硅光电池不产生电压，它 只相当于一个电阻串接在放大器的基极电路上。当只相当于一个电阻串接在放大器的基极电路上。当 有光照时，硅光电池产生电压，该电压与有光照时，硅光电池产生电压，该电压与R2R2上的电上的电 压一起加在压一起加在VT1VT1的基极上，于是的基极上，于是VT1VT1导通，导通，VT2VT2和和VT3 VT3 也随之导通，继电器也随之导通，继电器K K工作，其触点被吸合，蜂呜工作，其触点被吸合，蜂呜 器发出报警声。器发出报警声。1 1、模拟式光电传感器、模拟式光电传感器 基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是基于光电器件的光电流随光
37、通量而发生变化，是光通量的函数光通量的函数 。对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。7.2 7.2 光电式传感器的应用光电式传感器的应用光电比色高温计光电比色高温计 1物镜；物镜；2平面玻璃；平面玻璃；3光阑；光阑；4光导棒；光导棒；5分光镜；分光镜；6滤光片；滤光片；7硅光电池；硅光电池；8滤光片；滤光片；9硅光电池；硅光电池；10瞄准反射镜；瞄准反射镜；11圆柱反射镜；圆柱反
38、射镜；12目镜；目镜；13多夫棱镜多夫棱镜14、15硅光电池负载电阻；硅光电池负载电阻；16可逆电机；可逆电机；17电子电位差计电子电位差计 2 2、脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通通”与与“断断”的开关状态。的开关状态。光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度量线位移、线速
39、度、角位移、角速度(转速转速)的光的光电脉冲传感器等等。电脉冲传感器等等。光电式数字转速表光电式数字转速表 60ZTNc 3 3、光电耦合器件、光电耦合器件 光电耦合器件是由发光元件光电耦合器件是由发光元件(发光二极管发光二极管)和光电接和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。根据其结构和用途不同，它又可分为用于实现电隔离的根据其结构和用途不同，它又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。输入输出输入输出(a)(b)光电耦合器组合形式光电耦合器组合形式发光元件窗接收元件
40、壳体导线接收元件发光元件壳体导线(a)(b)反射物图图(a)(a)是一种透射式的光电开是一种透射式的光电开关，关，它的发光元件和接收元它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。件的光轴是重合的。当不透当不透明的物体位于或经过它们之明的物体位于或经过它们之间时，间时，会阻断光路，使接收会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件元件接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作的光，这样就起到了检测作用。用。图图(b)(b)是一种反射式的光是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待一角度相交，交点一般
41、即为待测物所在处。当有物体经过时，测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与高速、非接触，而且与TTLTTL、MOSMOS等电路容易结合。等电路容易结合。发 光 元 件窗接 收 元 件壳 体导 线接 收 元 件发 光 元 件壳 体导 线(a)(b)反 射 物R VccCD4584(a)R Vcc(b)R Vcc(c)SN7414光电开关的基本电路光电开关的基本电路 例例6 6：组成开关电路，图：组成开关电路，图1 1电路中，当输入
42、信号电路中，当输入信号uiui为低电平时，晶体管为低电平时，晶体管V1V1处于截止状态，光电耦合处于截止状态，光电耦合器器B1B1中发光二极管的电流近似为零，输出端中发光二极管的电流近似为零，输出端Q11Q11、Q12Q12间的电阻很大，相当于开关间的电阻很大，相当于开关“断开断开”；当；当uiui为为高电平时，高电平时，v1v1导通，导通，B1B1中发光二极管发光，中发光二极管发光，Q11Q11、Q12Q12间的电阻变小，相当于开关间的电阻变小，相当于开关“接通接通”该电路该电路因因UiUi为低电平时，开关不通，故为高电平导通状为低电平时，开关不通，故为高电平导通状态同理，图态同理，图2 2电路中，因无信号电路中，因无信号(Ui(Ui为低电平为低电平)时，时，开关导通，故为低电平导通状态开关导通，故为低电平导通状态例例7 7：组成逻辑电路，图：组成逻辑电路，图3 3电路为电路为“与门与门”逻辑电路。逻辑电路。其逻辑表达式为其逻辑表达式为P=AP=AB.B.图中两只光敏管串联，只有图中两只光敏管串联，只有当当 输入逻辑电平输入逻辑电平A=1A=1、B=1B=1时，输出时，输出P=1P=1同理，还可同理，还可 以组成以组成“或门或门”、“与非门与非门”、“或非门或非门”等逻辑等逻辑电路电路
