1、第第6讲讲 光电式传感器光电式传感器 内容：内容：一、光电器件的基本概念；一、光电器件的基本概念；二、二、光电池；光电池；三、红外传感器；三、红外传感器；四、光电传感器应用举例。四、光电传感器应用举例。目的：目的：1 1、了解光电式传感原理和结构了解光电式传感原理和结构 ；2、掌握光电式传器的特点及应用知识掌握光电式传器的特点及应用知识。第第6课课 光电式传感器光电式传感器1、什么是光电式传感器？、什么是光电式传感器？以光电器件作为转换元件的传感器以光电器件作为转换元件的传感器称光电式传感器称光电式传感器。2、用途、用途 主要用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光主要用于检测直接引起光量
2、变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。识别等。第第6课课 光电式传感器光电式传感器3、特点、特点 光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点。等特点。因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电
3、器件不断涌现，特别是用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电式传感器的进一步应用图像传感器的诞生，为光电式传感器的进一步应用开创了新的一页。开创了新的一页。第第6课课 光电式传感器光电式传感器4、外形特征、外形特征第第6课课 光电式传感器光电式传感器4、外形特征、外形特征第第6课课 光电式传感器光电式传感器4、外形特征、外形特征第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 光电器件光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器最主要的部件。它是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件工作的物理基础是光电器件工作
4、的物理基础是光电效应光电效应。什么是光电效应什么是光电效应?在光照射在某些物质上时在光照射在某些物质上时,物质的电子吸收光子的能量而物质的电子吸收光子的能量而发生电效应现象，如发生电效应现象，如导电率变化、释放电子和产生电动势导电率变化、释放电子和产生电动势等。等。释放的电子叫光电子，能产生光效应的物质叫电材料。释放的电子叫光电子，能产生光效应的物质叫电材料。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 光电效应分为以下光电效应分为以下三种类型三种类型：1、内光电效应内光电效应-在光线作用下，物体的电导性能改变的现象称在光线作用下，物体的电导性能改变的现象称为内光电效应。如光敏电阻为内光
5、电效应。如光敏电阻2、外光电效应外光电效应-在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。如光电管、光电倍增管象称为外光电效应。如光电管、光电倍增管3、光生伏特效应光生伏特效应-在光线作用下，能使物体产生一定方向的电在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应即阻挡层光电效应。如光电池、。如光电池、光敏晶体管。光敏晶体管。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 一、光敏电阻传感器一、光敏电阻传感器(一一)光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理结构：结构：它是涂
6、于玻璃底板上的它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接人电路。为就通过引出线端接人电路。为了防止周围介质的影响，在半了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最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。敏感的波长范围内透射率最大。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 一、光敏电阻传感器一、光敏电阻传感器(二二)光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数(3)1暗
7、电阻暗电阻 光敏电阻在不受光时的阻值称光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。暗电流。2亮电阻亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流。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。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 一、光敏电阻传感器一、光敏电阻传感器(三三)光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性（3点）点）1伏安特性伏安特性 在一定照度下，流在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的
8、电压的关敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安系称为光敏电阻的伏安特性。特性。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 一、光敏电阻传感器一、光敏电阻传感器(三三)光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性2光谱特性光谱特性 光敏电阻的相对光敏灵光敏电阻的相对光敏灵敏度与人射波长的关系称敏度与人射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱为光谱特性，亦称为光谱响应。响应。0.65um1.05um2.3um第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 一、光敏电阻传感器一、光敏电阻传感器(三三)光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性3温度特性温度特性 温度变化影响光敏电阻的光温度变化影响光敏电
9、阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。电阻受温度影响更大。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管 (一一)光敏二极的管结构光敏二极的管结构 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射结装在管的顶部，可以直接受到光照射 结构结构外形外形符号符号第一节第一节 光电器件的基本概念光电
10、器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏三极管二、光敏二极管和光敏三极管 (二二)光敏二极管的原理光敏二极管的原理 当光照射在当光照射在PN结上，光子打在结上，光子打在PN结附近，使结附近，使PN结附结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态，受大。因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态
11、，受光照射时，处于导通状态。光照射时，处于导通状态。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏三极管二、光敏二极管和光敏三极管 (三三)光敏三极管的结构与原理光敏三极管的结构与原理光敏晶体管与一般晶体管相似，具有两个光敏晶体管与一般晶体管相似，具有两个PN结，只是它的结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏二极管发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏二极管和光敏三极管的材料几乎都是硅和光敏三极管的材料几乎都是硅(si)结构结构外形外形符号符号e第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏三极管二、光敏二极管和光敏三
12、极管 (三三)光敏三极管的结构与原理光敏三极管的结构与原理光照射在发射极光照射在发射极e与基极与基极b之间的之间的PN结附近便产生光电流结附近便产生光电流(几微安，几微安，相当于三极管的基极电流相当于三极管的基极电流)，于是在集电极，于是在集电极c与基极与基极b之间的之间的PN结结能产生几毫安电流能产生几毫安电流(相当于三极管的集电极电流相当于三极管的集电极电流)。光电三极管的。光电三极管的通频带较窄，不如光电二极管性能稳定，但灵敏度高。通频带较窄，不如光电二极管性能稳定，但灵敏度高。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏三极管二、光敏二极管和光敏三极管 (四
13、四)基本特性基本特性1光谱特性光谱特性 从曲线可以看出，硅的峰值波从曲线可以看出，硅的峰值波长约为长约为09um，锗的峰值波长约为，锗的峰值波长约为15um，此时灵敏度最大，而当入，此时灵敏度最大，而当入要射光的波长增加或缩短时，相对要射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度也下降。一般来讲，锗管的灵敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测般都用硅管。但对红外光进行探测时，则锗管较为适宜。时，则锗管较为适宜。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、
14、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管 (四四)基本特性基本特性2伏安特性伏安特性 从曲线可以看出，从曲线可以看出，光敏晶体管的光电流光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管比相同管型的二极管大上百倍。大上百倍。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管 (四四)基本特性基本特性 3温度特性温度特性暗电流及光电流暗电流及光电流与温度的关系。与温度的关系。称光敏晶体管的称光敏晶体管的温度特性温度特性什么是光敏晶体管的温度特性？什么是光敏晶体管的温度特性？影响较大影响较大影响较小影响较小第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基
15、本概念 二、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管 (四四)基本特性基本特性几种硅光电二极管的特性参数几种硅光电二极管的特性参数 型号或名称型号或名称 光谱范围光谱范围 峰值波长峰值波长 灵敏度灵敏度 响应时间响应时间 探测本领探测本领 2DU 0.41.1 0.9 0.4 10-7 最小可探测最小可探测功率功率 Pmin=10-8W 2CU 0.41.1 0.9 0.5 10-7 Pmin=100W 2DU LO41.1 1.06 0.6 510-9 第二节第二节 光电池光电池 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。光电池在有光线作
16、用下实质就是电源，电路中有了这光电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要外加电源。属有源器件。种器件就不需要外加电源。属有源器件。1、硒光电池硒光电池2、氧化亚铜光电池、氧化亚铜光电池3、硫化铊光电池、硫化铊光电池4、硫化镉光电池、硫化镉光电池5、锗光电池、锗光电池6、硅光电池硅光电池7、砷化镓光电池、砷化镓光电池一、光电池的种类一、光电池的种类：能用可见光作光源能用可见光作光源能用可见光作光源能用可见光作光源第二节第二节 光电池光电池 二、光电池结构：二、光电池结构：(a)结构图外型图(c)符号第二节第二节 光电池光电池三、光电池的工作原理三、光电池的工作原理 光电池实质上
17、是一个大面积的光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到结，当光照射到PN结结的一个面，如的一个面，如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势最后建立一个与光照强度有关的电动势。-称光生伏特效称光生伏特效应应 第二节第二节 光电池光电池四、光电池的基本特性四、光电池的基本特性（1）光谱特性光谱特性光电池对不同波长的光
18、的灵敏度是不同的光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的 硒光电池在0.5um附近桂光电池在0.8um附近第二节第二节 光电池光电池四、光电池的基本特性四、光电池的基本特性（2）光照特性）光照特性 光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。的，它们之间的关系就是光照特性。流第二节第二节 光电池光电池四、光电池的基本特性四、光电池的基本特性（3）温度特性）温度特性 光电池的温度特性是光电池的温度特性是描述光电池的开路电描述光电池的开路电压和短路电流随温度压和短路电流随温度变化的情况。变化的情况。使用时，必须进行温度补偿
19、使用时，必须进行温度补偿第二节第二节 光电池光电池四、光电池的基本特性四、光电池的基本特性（4）特性参数）特性参数 国产硅光电池的特性参数国产硅光电池的特性参数 参量型号参量型号 开路电压开路电压 mV 短路电流短路电流 mA 输出电流输出电流 mA 转换效率转换效率 面积面积/mm22CR31 450-600 915 6.58.5 68 510 2CR32 550-600 915 8.611.3 8lO 510 2CR33 550-600 12-15 11.4-15 10-12 510第三节第三节 红外传感器红外传感器 红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。红外技术是在最近几十年中
20、发展起来的一门新兴技术。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。一、红外传感器分类（五类）一、红外传感器分类（五类）（1）红外辐射计）红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；，用于辐射和光谱辐射测量；（2）搜索和跟踪系统）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运行进行跟踪；位置并对它的运行进行跟踪；（3）热成像系统）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；外图像仪、多光谱扫描仪等；（4）红外测距和通信
21、系统）红外测距和通信系统；（5）混合系统）混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。第三节第三节 红外传感器红外传感器二二、红外检测的物理基础、红外检测的物理基础 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在围大致在0761000m，红外线在电磁波谱中的位置如，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。图所示。第三节第三节 红外传感器红外传感器二二、红外检测的物理基础、红外检测的物理基础 第三节第三节
22、红外传感器红外传感器二二、红外检测的物理基础、红外检测的物理基础 红外线辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外红外线辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。而且，越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。而且，红外线被物体吸收时，可以显著地转变为红外线被物体吸收时，可以显著地转变为热能热能。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存传播的。
23、它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如空气中对称的双原子气体，如N2、02、Hz等不吸收红外线。等不吸收红外线。第三节第三节 红外传感器红外传感器二二、红外检测的物理基础、红外检测的物理基础第三节第三节 红外传感器红外传感器三、红外探测器三、红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示等组成。红外探测器是红外传感器的核心，红及显示等组成。红外探测器是红外传感器的核心，红外探测器种类很多，常见
24、的有两大类：外探测器种类很多，常见的有两大类：1、热探测器、热探测器 2、光子探测器、光子探测器。第三节第三节 红外传感器红外传感器三、红外探测器三、红外探测器 1、热探测器、热探测器 热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定控发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定控制器所吸收的红外辐射。制器所吸收的红外辐射。热探测器热探测器主要优点主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到是响应波段宽，响应范围可扩展
25、到整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便，应用仍相整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便，应用仍相当广泛。当广泛。第三节第三节 红外传感器红外传感器三、红外探测器三、红外探测器 2、光子探测器、光子探测器。光子探测器是利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中的电子光子探测器是利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，称光相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，称光子效应。通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强子效应。通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应制成的红外探测器，统称光子探测器。弱。
26、利用光子效应制成的红外探测器，统称光子探测器。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。第四节第四节 光电传感器应用举例光电传感器应用举例1、红外测温仪、红外测温仪第四节光电传感器应用举例第四节光电传感器应用举例2、红外线气体分析仪红外线气体分析仪 甲烷乙炔乙烷乙烯一氧化碳二氧化碳第四节第四节 光电传感器应用举例光电传感器应用举例2、红外线气体分析仪红外线气体分析仪 放大器反射镜旋转光栅参比室滤波气室测量室红外探测器电容型光源镍铬丝310um的红外光定片动片放大器放大器被测气体被测气体参比气体参比气体电机电机发热器发热器反光罩反光罩红外测温仪烟雾完完
