电气测试技术第八章 光电式传感器

1、1第八章 光电式传感器 将光量的变化转换为电量变化的装置将光量的变化转换为电量变化的装置电量x1x2光量光源光学通路光电元件光量测量电路电量输出光电传感器的组成：光电传感器的组成：工程检测中的光源，可以是各种发光器件产生，也可以是物体的辐射光。工程检测中的光源，可以是各种发光器件产生，也可以是物体的辐射光。2工作原理：光电效应工作原理：光电效应物体吸收了光能后转换为该物体的某些电子能量而产生的电效应。物体吸收了光能后转换为该物体的某些电子能量而产生的电效应。光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应3 一、一、 外光电效应外光电效应 E=h 在光照下，物体内电子逸出物体表面向外发

2、射的现象。在光照下，物体内电子逸出物体表面向外发射的现象。式中： h普朗克常数=6.62610-34(Js) 光的频率（s-1）。 当当E 时，电子逸出物体表面产生光电子时，电子逸出物体表面产生光电子0A402021Amvhv根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：结论：结论：1、光电子能否产生取决于光子能量是否大于该物体表面逸出功、光电子能否产生取决于光子能量是否大于该物体表面逸出功 。0A对某一特定物质将对应有一个光频率阈值，称红限频率。对某一特定物质将对应有一个光频率阈值，称红限频率。2、光电流与光强成正比。、光电流与光强成正比。3、必须加负的截止电压，以保证未工作时光电流为、必须加负的截止

3、电压，以保证未工作时光电流为0。4、外光电效应从光照到发射光电子几乎瞬间发生。、外光电效应从光照到发射光电子几乎瞬间发生。5真空光电管真空光电管phototube6光电倍增管（日本）光电倍增管（日本）7在各个倍增极上在各个倍增极上加上一定的电压，加上一定的电压，阴极阴极K电位最低，电位最低，从阴极开始，各从阴极开始，各个倍增极电位依个倍增极电位依次升高，阳极次升高，阳极A电位最高。电位最高。8 二、二、 内光电效应内光电效应 在光线作用下，物体的在光线作用下，物体的导电性能发生变化导电性能发生变化或或产生光生电动势产生光生电动势的效应的效应称为内光电效应。称为内光电效应。光电导效应光电导效应光

4、生伏特效应光生伏特效应1、光电池、光电池2、光敏电阻、光敏电阻3、光敏二极管和光敏三极管、光敏二极管和光敏三极管4、CCD几种常见的光电器件几种常见的光电器件98.1 8.1 常见光电器件常见光电器件一、光敏电阻一、光敏电阻金属电极半导体玻璃底板电源检流计RLEI(a)(b)(c)Ra光敏电阻结构光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构；光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极；光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图光敏电阻接线图1. 光敏电阻的结构和原理光敏电阻的结构和原理 10光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏当光敏电阻受到光电阻受到光照时，照时，光生光生电子电子空穴空穴对增加，阻对增加，阻值减小，电

5、值减小，电流增大。流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）11(1) 暗电阻：暗电阻： 2. 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 (3) 光电流：光电流：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过此时流过的电流称为暗电流。的电流称为暗电流。 (2) 亮电阻：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，此时流过的电流电流称为亮电流。称为亮电流。 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。12 Question：那么实际应用中，我们希望暗电阻越大越好？亮电阻呢？Answer：暗

6、电阻越大越好，亮电阻越小越好，这样灵敏度就越高。 3. 光敏电阻的特性光敏电阻的特性 1）伏安特性）伏安特性阻值大小与照度有关电压越高，光电流越大，且没有饱和现象。501001502001202040I/ mA1：照度10lx2：照度100lxU/V13204060801004008001200160020002400/nm312相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅2）光谱特性）光谱特性与材料有关意义：应根据实际光源情况选择不同的光敏电阻材料。意义：应根据实际光源情况选择不同的光敏电阻材料。143）温度特性）温度特性其性能其性能(灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。受温度的影响较大。

7、随着温度的升高，其暗电随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动峰值向波长短的方向移动。2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线15CdS（硫化镉（硫化镉g）光敏电阻）光敏电阻100M1K CdS光敏电阻可单独或与其他各类传感器配套，广泛应用于光敏电阻可单独或与其他各类传感器配套，广泛应用于照相机光圈控制、光电自动控制、光电耦合、自动灯开关及各类照相机光圈控制、光电自动控制、光电耦合、自动灯开关及各类可见光波段光电控制测量场合。可见光波段光电控制测量场合。 16

8、17二、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管接线光敏二极管接线 RL 光PN光敏二极管在电路中一般是处于光敏二极管在电路中一般是处于反向反向工作状态工作状态PN光敏二极管符号光敏二极管符号+1. 结构和原理结构和原理 光敏二极管在不受光照射时光敏二极管在不受光照射时, , 处于截止状态处于截止状态, , 受光照射时受光照射时, , 处于导通状态。处于导通状态。18NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路型光敏晶体管结构简图和基本电路 NPc光Nebbec(a)(b)RLE只有两根引线，基极没有引线只有两根引线，基极没有引线192. 基本特性基本特性 光敏二极光敏二极(晶体晶体

9、)管的光谱特性管的光谱特性10080604020041028102121021610220102入射光锗硅 / nmS / (%)20硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性 (a) 硅光敏二极管硅光敏二极管; (b) 硅光敏晶体管硅光敏晶体管 0.100.080.060.040.02I / mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x0 10 20 30 40 5010864201020304050500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI / mA反 向 电 压 / V集 电 极 发 射 极 电 压 / V(a)(b)21光敏晶体管的温度

10、特性光敏晶体管的温度特性100255020 3040 50 607010 20 30 40 50 60 70 80100200300400温 度 / 暗电流 / mA光电流 / A温 度 / (a)(b)22 光控继电器光控继电器J238.2 8.2 光电池光电池工作原理：直接将光能转化为电能直接将光能转化为电能（光生伏特效应）。24光电池的光谱特性光电池的光谱特性 0400600800 1000120020406080100l / nmS / %硒硅25硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性 0.30.20.10光生电流 / mA0.60.40.202 0004 000短路电流开路电压光生电压

11、 / V照度 / lx26硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性 2040608010001002003004005002.22.01.8开路电压短路电流温度 / U / mVI / mA2728291091071051031011010110102103104 / m / cm / m宇宙射线射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波极远红外211815129630远红外中红外近红外 / m8.3 8.3 红外传感器红外传感器30 只有在绝对零度只有在绝对零度(-273.16(-273.16) )时，一切物体的分子才会停止运动。时，一切物体的分子才会停止运动。 所以在绝对零度时，没有一种物体会发

12、射红外线。 换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。 例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。物理本质：热辐射物理本质：热辐射31 红外探测器：测定物体热辐射能量的传感器。红外探测器：测定物体热辐射能量的传感器。 红外辐射 电量变化 热探测器：由于吸收红外辐射，使得温度升高，从而进行测量。分类分类 光子探测器（红外光敏二极管、红外光敏三极管）3233锻造厂自动生产线锻造厂自动生产线348.4 8.4 光电传感器应用光电传感器应用a)扫描笔结构扫描笔结构 b)扫描笔输出的脉冲序列扫描笔输出的脉冲序列35火焰探测报

13、警器电路图火焰探测报警器电路图 120 k120 k220 k68 m68 mpbs820 k3.9 MV1V21 k32 k125 m150 k3.9 kV34.7 n12 V中心站放大器368.5 8.5 光电开关及光电断续器光电开关及光电断续器原理：红外线发射光敏接收元件原理：红外线发射光敏接收元件一. 光电开关光电开关可分为可分为遮断型遮断型反射型反射型作用：检测物体靠近、通过等状态。作用：检测物体靠近、通过等状态。372312 31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。38 二二. 光电断续器光电断续器光电断续器的结构(a) 透射式； (b) 反射式 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