山东建筑大学热工检测课光电式传感器课件

1、 光电式传感器光电式传感器1 工作原理工作原理2 光电管光电管3 光敏电阻光敏电阻4 光电池光电池1 工作原理工作原理 光电传感器将光能转化成电光电传感器将光能转化成电信号的器件。其工作原理是信号的器件。其工作原理是基于一些物质的基于一些物质的光电效应光电效应。光是一种以光速运动的粒子流，光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为有的能量为 E=h 式中，式中， 为光波频率；为光波频率；h为普朗克为普朗克常数常数. 对不同频率的光，其光子能量是不对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量相同的，光波频率越高，光子能量越大。越

2、大。 用光照射某一物体，可以看做是一用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为连串能量为E的光子轰击在这个物的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。应的电效应。1 工作原理工作原理 光电传感器将光能转化成电信号光电传感器将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物的器件。其工作原理是基于一些物质的质的光

3、电效应光电效应。几个特性几个特性光谱特性光谱特性光电特性光电特性 伏安特性伏安特性 通常把光电效应分为三类：通常把光电效应分为三类： 外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应光生伏特效应光生伏特效应在光线作用下能使电在光线作用下能使电子逸出物质表面的称子逸出物质表面的称为外光电效应，转换为外光电效应，转换元件有光电管、光电元件有光电管、光电倍增管等倍增管等在光线作用下能使物体电在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效阻率改变的称为内光电效应。光电转换元件有光敏应。光电转换元件有光敏电阻以及由光敏电阻制成电阻以及由光敏电阻制成的光导管等的光导管等在光线作用下使物体产生一在光线作用下使物体产生

4、一定方向电动势的称为光生伏定方向电动势的称为光生伏特效应，转换元件有光电池特效应，转换元件有光电池和光敏晶体管和光敏晶体管1、原子只能处在一原子只能处在一 系列系列 不连续的、不连续的、稳定的能量状态。稳定的能量状态。原子系统的基本理论原子系统的基本理论2、当原子能级跃迁时，才发射当原子能级跃迁时，才发射（或吸收）光子（或吸收）光子,hEEkn- -= =n n其频率为其频率为E E3E2E1E1 , E2 , E3 En （定态）定态）hn nhn nhn n氢氢原原子子轨轨道道半半径径r14r19r116r1rvmn=1n=2n=3n=42 光电管光电管半圆筒形金属半圆筒形金属片制成的阴极

5、片制成的阴极K和位于阴极轴和位于阴极轴心的金属丝制心的金属丝制成的阳极成的阳极A封装封装在抽成真空的在抽成真空的玻壳内。玻壳内。 当入射当入射光照射光照射在阴极在阴极上时上时当电子获得的能量大于阴极材料的当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功时，它就可以克服金属表面逸出功时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射束缚而逸出，形成电子发射.单个光子就把它单个光子就把它的全部能量传递的全部能量传递给阴极材料中的给阴极材料中的一个自由电子，一个自由电子，从而使自由电子从而使自由电子的能量增加。的能量增加。 当入射当入射光照射光照射在阴极在阴极上时上时注意注意:每一种阴极材料，入射光都有每一种阴极

6、材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为不会产生光电子发射，此频率限称为“红限红限”。从阴极表面逸出的光从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，管内形成空间电子流，称为光电流。此时若称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位的光子数增多，单位时间内发射的光电子时间内发射的光电子数也就增多，光电流数也就增多，光电流变大。变大。光电管正常工作时，阳极光电管正常工作时

7、，阳极A电位高于阴极电位高于阴极K。-IAU电源电源KA在图所示的电路中，电流和电阻之上的电压降在图所示的电路中，电流和电阻之上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。就和光强成函数关系，从而实现光电转换。-UaUIo光强较大光强较大光强较小光强较小Is光谱特性光谱特性用单位辐射通量不同用单位辐射通量不同波长的光分别照射光波长的光分别照射光电管，在光电管上产电管，在光电管上产生大小不同的光电流。生大小不同的光电流。光电流光电流I与光波波长与光波波长的关系曲线称为光谱的关系曲线称为光谱特性曲线，又称频谱特性曲线，又称频谱特性特性对于不同波长区域的光，应选用不同光电阴对于不同波长区域的光，应

8、选用不同光电阴极的光电管。此外在测量与控制技术中，光极的光电管。此外在测量与控制技术中，光电管可以担负人眼不能胜任的工作。电管可以担负人眼不能胜任的工作。光电特性光电特性 光电管在固定阳极电压下，光通量与光光电管在固定阳极电压下，光通量与光电流电流 之间的关系称为光电特性。之间的关系称为光电特性。光电管的光电光电管的光电特性基本上呈特性基本上呈线性关系，直线性关系，直线的斜率为其线的斜率为其灵敏度灵敏度 饱和电流强度与光强成正比饱和电流强度与光强成正比当入射光频率一定时当入射光频率一定时,光电流光电流I和两极间电压和两极间电压U的关系的关系如图所示。如图所示。当加速电压增加到一定值时当加速电压

9、增加到一定值时,光电流达到一光电流达到一饱和值饱和值Is 。实验还表明。实验还表明: 饱和电流值饱和电流值Is和光强成正比。和光强成正比。-UaUIo光强较大光强较大光强较小光强较小Is-IAU电源电源KA伏安特性伏安特性 真空光电管一般真空光电管一般工作于伏安特工作于伏安特性的饱和部分，性的饱和部分，内阻达几百兆内阻达几百兆欧。欧。 光电管在光通量一定光电管在光通量一定的情况下，阳极电压的情况下，阳极电压与阳极电流的关系称与阳极电流的关系称为伏安特性。为伏安特性。在阳极电压大于在阳极电压大于50V时，光电流开始饱和，时，光电流开始饱和，阳极电流近于常数，阳极电流近于常数，而与电压无关。而与电

10、压无关。3 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻在光线的作用下阻值往光敏电阻在光线的作用下阻值往往变小。在黑暗环境里，它的电阻往变小。在黑暗环境里，它的电阻值很高。值很高。 3 光敏电阻光敏电阻当受到光照时，增加了半导体材料中当受到光照时，增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的载流子将逐渐复由光子激发产生的载流子将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。原值。 在光敏电阻两端的金属电极之间加在光敏电

11、阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光随光强的增加而变大，从而实现光电转换。电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，阻器件，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。4 光电池光电池 讲述讲述3个问题个问题概述概述光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理 基本特性基本特性概述概述当光照射当光照射P区表面时，若光子能量加大区表面时，若光子能量加大于硅的禁带宽度，则在于硅的禁带宽度，则在P

12、型区内每吸收型区内每吸收一个光子便产生一个电子一个光子便产生一个电子-空穴对，空穴对，P区表面吸收的光子最多，激发的电子区表面吸收的光子最多，激发的电子空穴最多，越向内部越少。这种浓度空穴最多，越向内部越少。这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋差便形成从表面向体内扩散的自然趋势。势。概述概述 由于由于PN结内电场的方向是由结内电场的方向是由N区指向区指向P区的，它使扩散到区的，它使扩散到PN结附近的电结附近的电子子空穴对分离，光生电子被推向空穴对分离，光生电子被推向N区，区，光生空穴被留在光生空穴被留在P区。从而使区。从而使N区带负区带负电，电，P区带正电，形成光生电动势。若区带正电，形成

13、光生电动势。若用导线连接用导线连接P区和区和N区，电路中就有光区，电路中就有光电流流过。电流流过。 光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理 光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理它是在一块它是在一块N型硅片上用扩散的办法型硅片上用扩散的办法掺入一些掺入一些P型杂质型杂质(如硼如硼)形成形成PN结。结。当光照到当光照到PN结区时，如果光子结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激能量足够大，将在结区附近激发出电子发出电子-空穴对，在空穴对，在N区聚积区聚积负电荷，负电荷，P区聚积正电荷，这区聚积正电荷，这样样N区和区和P区之间出现电位差。区之间出现电位差。若将若将PN结两端用导结两端

14、用导线连起来，电路中有线连起来，电路中有电流流过，电流的方电流流过，电流的方向由向由P区流经外电路区流经外电路至至N区。若将外电路区。若将外电路断开，就可测出光生断开，就可测出光生电动势。电动势。有关电荷有关电荷正离子正离子负离子负离子正负离子都正负离子都是不能移动是不能移动的电荷的电荷自由自由电子电子空穴空穴自由电子、空穴都是能自自由电子、空穴都是能自由移动的电荷由移动的电荷有关电荷有关电荷由正负离子形由正负离子形成的电场成的电场讲解讲解当当PN结及结及其附近被光其附近被光照射时，就照射时，就会产生载流会产生载流子（即电子子（即电子-空穴对）。空穴对）。结区内的电子结区内的电子-空穴对在空间

15、电荷区电空穴对在空间电荷区电场的作用下，电子被拉向场的作用下，电子被拉向N区，空穴区，空穴被拉向被拉向P区而形成光电流。区而形成光电流。讲解讲解同时势垒区一侧一个扩展长度内的光同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。垒区电场的作用下也参与导电。讲解讲解当入射光强度变化时，光生载流子当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。在入射光强度之发生相应的变化。在入射光强度的很大动态范围内这种变化能保持的很大动态范围内这种变化能保持较好的线性关系较好的线性

16、关系动画演示动画演示光电池的表示符号、基本电路及等效电路光电池的表示符号、基本电路及等效电路IUIdUIRLI(a)(b)(c)图图 光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电路 基本特性基本特性（a a）光照特性）光照特性开路电压曲线：光生电动势开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当与照度之间的特性曲线，当照度为照度为2000lx时趋向饱和时趋向饱和短路电流曲线：光电流与短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线照度之间的特性曲线短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，很小的。光电池在不同照度下

17、，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路短路”条件。条件。 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx5010010005000RL=0(b) 光谱特性光谱特性光谱特性决定于材料光谱特性决定于材料硒光电池在可见光谱范围内有硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在较高的灵敏度，峰值

18、波长在540nm附近，适宜测可见光。附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在峰值波长在850nm附近，因此硅光电池附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用可以在很宽的范围内应用(c) 频率特性频率特性频率响应是指输出电流随调制光频率变化的关系。频率响应是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。性较差。硅光电池具有较硅光电池具有较高的频率响应高的频率响应硒光电池则较差硒光电池则较差（d）温度特性）温度特性温度特性是指开路电压和短路电流随温度变温度特性是指开路

19、电压和短路电流随温度变化的关系。化的关系。硅光电池在硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线照度下的温度特性曲线开路电压与短路电流均随开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施定，或采取温度补偿措施。5 光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管是受光照射时载流子增加的光敏晶体管是受光照射时载流子增加的半导体光电器件半导体光电器件,它与普通的

20、晶体管一它与普通的晶体管一样样,也具有也具有PN结结.通常通常,有一个有一个PN结的叫结的叫做光敏二极管做光敏二极管,有两个有两个PN结的叫做光敏结的叫做光敏晶体管晶体管光敏二极管的结光敏二极管的结构和普通二极管构和普通二极管相似，只是它的相似，只是它的PN结装在管壳顶结装在管壳顶部，光线通过透部，光线通过透镜制成的窗口，镜制成的窗口，可以集中照射在可以集中照射在PN结上。电路中结上。电路中通常处于反向偏通常处于反向偏置状态。置状态。 光敏二极管光敏二极管PNPN结加反向电压时，反向电流的大小取决结加反向电压时，反向电流的大小取决于于P P区和区和N N区中少数载流子的浓度，无光照区中少数载流

21、子的浓度，无光照时时P P区中少数载流子区中少数载流子( (电子电子) )和和N N区中的少数区中的少数载流子载流子( (空穴空穴) )都很少，因此反向电流很小。都很少，因此反向电流很小。但是当光照但是当光照PNPN结时，只要光子能量结时，只要光子能量h h大于大于材料的禁带宽度，就会在材料的禁带宽度，就会在PNPN结及其附近产结及其附近产生光生电子生光生电子空穴对，从而使空穴对，从而使P P区和区和N N区少区少数载流子浓度大大增加，数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和它们在外加反向电压和PNPN结内电场作用下结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越定向运动，分别在两个方向上渡越P

22、NPN结，结，使反向电流明显增大。如果入射光的照度使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生电子变化，光生电子空穴对的浓度将相应变空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。号。光敏三极管光敏三极管光敏三极管有两个光敏三极管有两个PN结，因而可以获得结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。敏度。发光二极管是利用正向偏置发光二极管是利用正向偏置PN结中结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发电子与空穴的辐射复合发光的，

23、是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。发射的是非相干光。P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出第第9节霍尔传感器节霍尔传感器1.霍尔效应霍尔效应金属或半导体薄片置于磁金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势向上将产生电动势VH。IBRVHH=灵敏度常数灵敏度常数把半导体单晶薄片置把半导体单晶薄片置于磁场于磁场B中，如果在它中，如果在它的两个纵向面上通以的两个

24、纵向面上通以一定大小的电流一定大小的电流则在晶体的则在晶体的两个横向端两个横向端面之间出现面之间出现霍尔电势霍尔电势VH2 霍耳传感器的运用霍耳传感器的运用 测量转速测量转速:霍耳元件通以恒定电流，齿轮霍耳元件通以恒定电流，齿轮的转动使元件上的磁通量发生变化时，在的转动使元件上的磁通量发生变化时，在霍耳元件上便输出反映了转速高低的脉冲霍耳元件上便输出反映了转速高低的脉冲信号。信号。 霍耳元件无触电电子点火霍耳元件无触电电子点火 位移传感器位移传感器将霍尔元件置将霍尔元件置于磁场中，左于磁场中，左半部磁场方向半部磁场方向向上，右半部向上，右半部磁场方向向下磁场方向向下 位移传感器位移传感器从从

25、a端通入电流端通入电流I，根据霍尔效应，左根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势半部产生霍尔电势VH1，右半部产生，右半部产生霍尔电势霍尔电势VH2，其，其方向相反。方向相反。左右两端电势为左右两端电势为VH1VH2。如果霍。如果霍尔元件在初始位置时尔元件在初始位置时VH1=VH2，则，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。其大小正比于位移量。因此因此,当元件沿当元件沿x方向移动时方向移动时,其霍尔电势的变其霍尔电势的变化与位移量成线性关系化与位移量成线性关系.当元件的控制电流当元件的

26、控制电流I恒定时恒定时,在在一定范围内一定范围内,沿沿X方向的磁感应方向的磁感应强度的变化梯度强度的变化梯度d为一常数为一常数 一、电桥电路一、电桥电路 二、放大器二、放大器 三、滤波器三、滤波器第第11节节 传感器信号处理电路传感器信号处理电路一、电桥电路一、电桥电路 有关电压为有关电压为 得得当各桥臂电阻满足当各桥臂电阻满足 电桥的输出电压电桥的输出电压U为为0,电桥处于平衡状态电桥处于平衡状态,称为平衡电桥称为平衡电桥.如果如果R1=R2=R3=R4,电桥被称电桥被称为全等臂电桥为全等臂电桥.全等臂电桥自然是平衡电桥全等臂电桥自然是平衡电桥. 下面以全等臂电桥为例说明电桥的基本特性下面以全等臂电桥为例说明电桥的基本特性.设全等臂电桥的设全等臂电桥的4个桥臂个桥臂都由应变片组成都由应变片组成,且工作且工作时各桥臂的电阻都将发生时各桥臂的电阻都将发生变化变化.当供桥电压一定时当供桥电压一定时,对下式对下式U全微分，全微分，可求得可求得电桥的输出电压增量为电桥的输出电压增量为:其中其中:在电桥处于平衡状态在电桥处于平衡状态U=0附近附近当各桥臂应变片的灵敏度系数当各桥臂应变片的灵敏度系数k相同时相同时,上式可以表上式可以表示为示为:根据应变片数量的不同根据应变片数量的不同,电桥有以下电桥有以下3种方式种方式:1 单臂工作单臂工作 电桥只有一个为工作臂电桥只有一个为工作臂