传感器原理及应用光敏传感器课件

1、传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器 光敏传感器能对光信号的变化作出迅速反应，并将光信号转变为电光敏传感器能对光信号的变化作出迅速反应，并将光信号转变为电信号；光信号具有粒子性，由光子信号；光信号具有粒子性，由光子(h)(h)组成，具有一定的能量，光敏组成，具有一定的能量，光敏传感器就是将光能变换为相应电能的装置，又称光电式传感器。传感器就是将光能变换为相应电能的装置，又称光电式传感器。按工作原理可分四类：按工作原理可分四类：A. 因光照射引起物体电学特性改变的现象称为光电效应因光照射引起物体电学特性改变的现象称为光电效应=外光电效应外光电效应:

2、 在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射现象，也称光电发射效应。如：光电二极管；光电倍增管子发射现象，也称光电发射效应。如：光电二极管；光电倍增管内光电效应内光电效应: 光照射半导体材料时光照射半导体材料时, 材料吸收光子而产生电子材料吸收光子而产生电子-孔穴孔穴对对, 使导电性能加强，电导率增加，这种现象称为光电导效应，或使导电性能加强，电导率增加，这种现象称为光电导效应，或内光电效应。如：光导管；内光电效应。如：光导管；光敏电阻光敏电阻；光电池和光敏三极管等。；光电池和光敏三极管等。B. 红外热释电探测器红外热释电探测器: 利用辐

3、射的红外光利用辐射的红外光( (热热) )照射材料时引起材料电照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。C. CCDCCD图像传感器；图像传感器；MOSMOS图像传感器图像传感器(自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列SSPASSPA) (电荷藕合器件图像传感器CCD-Charge Coupled Device )D. 光纤传感器光纤传感器传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器外光电效应及器件外光电效应及器件外光电效应外光电效应: 在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生

4、光电子发射现象，也称光电发在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射现象，也称光电发射效应。爱因斯坦假设：一个电子只能吸收一个光子的能量，一部分用以克服射效应。爱因斯坦假设：一个电子只能吸收一个光子的能量，一部分用以克服物质对电子的束缚（即表面逸出功物质对电子的束缚（即表面逸出功F），一部分转化为电子的能量，且此过程），一部分转化为电子的能量，且此过程必须满足能量守恒定律必须满足能量守恒定律。 若电子得到的能量全部变为电子的动若电子得到的能量全部变为电子的动能，则光电子的最大动能为：能，则光电子的最大动能为： 其中：其中：F为金属逸出功，为金属逸出功，g0为产生光电发射的极限频率，为

5、产生光电发射的极限频率，g为入射光的频率，为入射光的频率，m m为电子的质量为电子的质量=光电子的光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关。最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关。 给发射材料上放置一个电子接收板连成一个光电发射检测装置，如图所示，给发射材料上放置一个电子接收板连成一个光电发射检测装置，如图所示，测定逸出电子随光的强度、频率测定逸出电子随光的强度、频率的变化情况。的变化情况。 若入射光的频率一定或频谱成若入射光的频率一定或频谱成分不变时，饱和光电流分不变时，饱和光电流I的大小与的大小与光强成正比。光强成正比。(光强大光强大,光子数多光子数多) 若入

6、射光子的能量若入射光子的能量h hg小于小于h hg0即即ll0时，光电流都为零。由此时，光电流都为零。由此说明光的波长必须小于说明光的波长必须小于l0才能产生才能产生光电子，光电子，=极限频率极限频率g0。eEhhhmvE02maxmax21VRL检流计测光电流I光电发射检测装置0.02 0.04 0.06 0.08 0.101234光强/LmI/uA光电流随光强的变化曲线h传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器外光电效应及器件外光电效应及器件光电发射二极管光电发射二极管: 将检测装置中发射电子的极板称为阴极，吸收电子的极板称为阳极，且将两将检测

7、装置中发射电子的极板称为阴极，吸收电子的极板称为阳极，且将两者封于同一壳内，连上电极，就成为光电二极管。按光电发射二极管的原理可者封于同一壳内，连上电极，就成为光电二极管。按光电发射二极管的原理可以分为真空光电二极管和充气光电二极管两类。以分为真空光电二极管和充气光电二极管两类。真空光电二极管：真空光电二极管：传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器外光电效应及器件外光电效应及器件真空光电二极管的伏安特性：真空光电二极管的伏安特性： 在在020V范围内范围内, 阳极电压增大阳极电压增大, 光电子达到阳极的数目也增大光电子达到阳极的数目也增大, 阳极电

8、流增阳极电流增大大; 当阳极电压大于当阳极电压大于20V后后, 几乎全部发射电子都已到达阳极几乎全部发射电子都已到达阳极, 电压再增大电压再增大, 电流电流几乎不变几乎不变, 曲线平坦曲线平坦, 此部分称饱和区此部分称饱和区, 一般工作电压选择在饱和区一般工作电压选择在饱和区, 但要尽量小但要尽量小些。而随着光强的增加些。而随着光强的增加, 产生的光电子数就增多产生的光电子数就增多, 所以光电流与光强成正比。所以光电流与光强成正比。 实际工作中，阳极负载电阻实际工作中，阳极负载电阻RL不能太大，因为电极间有杂散电容，则其充电不能太大，因为电极间有杂散电容，则其充电常数常数 =RLC；降低频响。

9、但电阻也不能太低，一般应大于；降低频响。但电阻也不能太低，一般应大于0.05欧姆，电容亦不欧姆，电容亦不能低于几个皮法，否则输出信号将太小。能低于几个皮法，否则输出信号将太小。传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器外光电效应及器件外光电效应及器件充气光电二极管：充气光电二极管： 结构与真空光电二极管类似，只是管壳内充有低压惰性气体结构与真空光电二极管类似，只是管壳内充有低压惰性气体(氩气和氖气氩气和氖气) 光照射到阴极产生光电子，阳极电压使其加速，加速的电子使气体分子电离，光照射到阴极产生光电子，阳极电压使其加速，加速的电子使气体分子电离，形成更多

10、的电子和离子，这些电子和离子又被加速，与另外的气体分子碰撞使形成更多的电子和离子，这些电子和离子又被加速，与另外的气体分子碰撞使其电离，产生更多电子，即发生了倍增效应，此外，气体电离的正离子又与阴其电离，产生更多电子，即发生了倍增效应，此外，气体电离的正离子又与阴极碰撞产生光电子，因此达到阳极的电子数目比真空二极管所产生的电子数目极碰撞产生光电子，因此达到阳极的电子数目比真空二极管所产生的电子数目大很多，相当于具有一定的放大倍数，可达大很多，相当于具有一定的放大倍数，可达10倍左右。倍左右。 比较右图所示的伏安特性可知，充气光电二极管的灵敏度高，但其灵敏度随比较右图所示的伏安特性可知，充气光电

11、二极管的灵敏度高，但其灵敏度随电压显著变化，使其稳定性和频率特性都比电压显著变化，使其稳定性和频率特性都比真空光电二极管差，所以在实际应用中应选真空光电二极管差，所以在实际应用中应选择合适的电压。择合适的电压。大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外，大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外，只适于做紫外灵敏的光电器件。对于半导体只适于做紫外灵敏的光电器件。对于半导体光电材料光电材料, 在绝对零度时在绝对零度时, 光电逸出功较小，光电逸出功较小，对可见光、红外光都很灵敏。对可见光、红外光都很灵敏。传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器外光电效应及器件外光电

12、效应及器件光电倍增管光电倍增管： 光照射到阴极上产生光电子，光电子在真空中电场的作用下被加速而投射到光照射到阴极上产生光电子，光电子在真空中电场的作用下被加速而投射到第一个打拿极上，一个光电子可以产生多个电子，多次被加速而激发打拿极后第一个打拿极上，一个光电子可以产生多个电子，多次被加速而激发打拿极后电子数目得到倍增。电极电位从阴极到阳极经过各个打拿极逐级升高。电子数目得到倍增。电极电位从阴极到阳极经过各个打拿极逐级升高。 传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光电导效应器件及其应用光电导效应器件及其应用光电导效应光电导效应： 光照射半导体材料时，

13、材料吸收光子而产生电子光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电子-孔穴对，使导电性能加强，孔穴对，使导电性能加强，电导率增加，人们把这种光照后电导率发生变化的现象称为光电导效应。该过电导率增加，人们把这种光照后电导率发生变化的现象称为光电导效应。该过程在半导体材料内进行的，故又称为内光电效应。程在半导体材料内进行的，故又称为内光电效应。光敏电阻器光敏电阻器： 光敏电阻器就是利用光敏材料的内光电效应制成的光敏电阻器就是利用光敏材料的内光电效应制成的光电元件。典型结构如右图所示：光电元件。典型结构如右图所示：传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光电导

14、效应器件及其应用光电导效应器件及其应用光敏电阻的参数及特性光敏电阻的参数及特性暗电阻暗电阻R0：在全暗条件下测得的电阻值，一般超过在全暗条件下测得的电阻值，一般超过1M,甚至高达甚至高达100M;亮电阻亮电阻RL ：受到光照时测得的电阻值，一般在几千欧以下，此时电路中受到光照时测得的电阻值，一般在几千欧以下，此时电路中的电流叫做亮电流；亮电流与暗电流之差叫做的电流叫做亮电流；亮电流与暗电流之差叫做光电流光电流。暗电阻与亮电阻之。暗电阻与亮电阻之比一般在比一般在102106之间。之间。光电灵敏度光电灵敏度：电压相对灵敏度：电压相对灵敏度Ks=在单位外加电压下入射单位光通量时在单位外加电压下入射单

15、位光通量时所输出的光电流值：所输出的光电流值：Ks=IKs=IL L/(U)/(U)；积分灵敏度；积分灵敏度S积积=单位光通量入射时，单位光通量入射时，电阻值的相对变化率：电阻值的相对变化率： S S积积=(R=(RT T-R-RC C)/(R)/(RC C) )光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光电导效应器件及其应用光电导效应器件及其应用光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性响应时间和频率特性响应时间和频率特性光谱温度特性光谱温度特性光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性传传感感器器原原理理及及应应用用2021

16、-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光电导效应器件及其应用光电导效应器件及其应用光敏电阻的应用：光敏电阻的应用：自控照明装置自控照明装置传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光电导效应器件及其应用光电导效应器件及其应用光敏电阻的应用：光敏电阻的应用：曝光定时电路曝光定时电路RCtscccseEvvdtdvRCE1传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光生伏特效应器件光生伏特效应器件光生伏特效应：光生伏特效应： 早期利用光照射半导体材料的一端，在两端可以测量到电位差的光生伏特早期利用光照射半导体材

17、料的一端，在两端可以测量到电位差的光生伏特效应现象效应现象( (称为丹倍效应称为丹倍效应) )，制成光生伏特效应器件。目前应用较多的是利用光，制成光生伏特效应器件。目前应用较多的是利用光照照PNPN结后，而在结后，而在PNPN结两端产生电动势结两端产生电动势( (可用作电压源可用作电压源) )的光生伏特效应现象，制的光生伏特效应现象，制成很多光生伏特效应器件。成很多光生伏特效应器件。无光照时：无光照时：I=II=Is s(e(eqV/kTqV/kT-1)-1)其中其中I Is s为反向饱和电流；为反向饱和电流；V V为为PNPN结上的正向压降；结上的正向压降；有光照时：有光照时： I=II=I

18、s s(e(eqV/kTqV/kT-1)-I-1)-IL L其中其中I IL L为光电流；为光电流；由上式可见当由上式可见当V=0V=0，即，即PNPN接短路时，接短路时，I=II=IL L当当PNPN结断路时：结断路时： I=II=Is s(e(eqV/kTqV/kT-1)-I-1)-IL L=0 =0 = = 1lnsLocIIqkTV传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光生伏特效应器件光生伏特效应器件主要光生伏特探测器：主要光生伏特探测器：1.1.结光电池结光电池光照强度与开路电压的关系：因为光照强度越大，产生的电子孔穴对越多，光照强度与开

19、路电压的关系：因为光照强度越大，产生的电子孔穴对越多，光电流越大，运动到光电流越大，运动到PNPN结边界的电荷量增加，结边界的电荷量增加，VOC增加。增加。伏安特性伏安特性( (如前图如前图) )给给PNPN结加反偏电压，可以使结加反偏电压，可以使I IL L大大增加；反向工作电压是指无光照且反向电流大大增加；反向工作电压是指无光照且反向电流I ID D0.20.20.3uA0.3uA时，允许的最高反向工作电压，为时，允许的最高反向工作电压，为10V10V左右。实验发现：无光照左右。实验发现：无光照时反向电压下的电流为暗电流时反向电压下的电流为暗电流( (即是反向即是反向饱和电流饱和电流) )

20、，一般，一般I ID D=0.1uA;=0.1uA;在一定反向在一定反向电压下，光电流电压下，光电流I IL L与光强成正比，一般可与光强成正比，一般可达十几微安。达十几微安。2.PIN2.PIN管管3.3.雪崩光电雪崩光电二极管二极管(PDA)(PDA)传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光生伏特效应器件光生伏特效应器件主要光生伏特探测器：主要光生伏特探测器：4.4.光电三极管光电三极管传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光生伏特效应器件光生伏特效应器件光生伏特效应器件的应用光生伏特效应器件的应用

21、光敏二极管的应用；光敏二极管的应用；光电池的应用光电池的应用调节控制器光电池、蓄电池组和负载连接起来，实现充放自动控制的中间控制器。在充电电压达到蓄电池上限电压时，它能自动切断充电电路。当蓄电池电压低于下限值时，能自动切断输出电路。传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光生伏特效应器件光生伏特效应器件光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用把发光器件与光接收器件组装在同一密闭管壳内，或用一根光导纤维把发光器件与光接收器件组装在同一密闭管壳内，或用一根光导纤维把两部分连接起来的器件称为光电耦合器件。把两部分连接起来的器件称为光电耦合器件。传传感感器器原原

22、理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光生伏特效应器件光生伏特效应器件光敏三极管的应用光敏三极管的应用脉冲编码器：脉冲编码器：光电转速传感器：光电转速传感器：传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光生伏特效应器件光生伏特效应器件光敏三极管的应用光敏三极管的应用听指挥的红外线光控玩具汽车：听指挥的红外线光控玩具汽车：传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器光生伏特效应器件光生伏特效应器件听指挥的红外线光控玩具汽车：听指挥的红外线光控玩具汽车：传传感感器器原原理理及及应应用用20

23、21-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器

24、管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统

25、* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-

26、10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器管道内蓬松状物流监测系统管道内蓬松状物流监测系统* *传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器智能红外遥控器的设计智能红外遥控器的设计 红外遥控是以红外线为载体来传送遥控命令的。红外线的波长介于红外遥控是以红外线为载体来传送遥控命令的。红外线的波长介于红光和微波之间，红光和微波之间，0.773um=0.773um=近红外区；近红外区；330um330um为中红外区，为中红外区，301000um301000um为远红外区。红外线在通过云雾尘埃等充满悬浮粒子的物质为远红外区。红外线在通过云雾尘埃等充满悬浮粒子的物

27、质时不易发生散射，有较强的穿透能力，还具有不易受干扰，易于产生时不易发生散射，有较强的穿透能力，还具有不易受干扰，易于产生等优点，因此被广泛用于遥控装置。等优点，因此被广泛用于遥控装置。红外发光二极管红外发光二极管IR LED=Infrared Light Emitting DiodeIR LED=Infrared Light Emitting Diode人类视觉灵敏度最高：人类视觉灵敏度最高：555nm=555nm=绿光；绿光；650nm=650nm=红光降低约红光降低约10%10%大多数红外受光在波长大多数红外受光在波长900nm900nm附近灵敏度最高；附近灵敏度最高；传传感感器器原原理理及及应应用用2021-10-11第第2章章 光敏传感器光敏传感器智能红外遥控器的设计智能红外遥控器的设计红外接收器件：红外接收器件：光电二极管光电二极管PINPIN光电二极管：光电二极管：与普通光电二极管相比：与普通光电二极管相比：灵敏度高，响应速度快灵敏度高，响应速度快是目前红外遥控装置中最普遍使用的。是目前红外遥控装置中最普遍使用的。光敏三极管：光敏三极管：结构模型及符号结构模型及符号传传