光电传感器ppt课件

1、5.1 常用光电器件常用光电器件5.2 光栅传感器光栅传感器5.3 固态图像传感器固态图像传感器上一页下一页返 回定义：是一种将光信号转换成电信号的安装。定义：是一种将光信号转换成电信号的安装。 以光电元件作为转化元件，可以将被测的非电量经过光量的以光电元件作为转化元件，可以将被测的非电量经过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器普通由光源、光学变化再转化成电量的传感器。光电式传感器普通由光源、光学元件和光电元件三部分组成。元件和光电元件三部分组成。物理根底：光电效应物理根底：光电效应优点：构造简单、性能可靠、精度高、反映快。优点：构造简单、性能可靠、精度高、反映快。运用：现代丈量和自动

2、控制系统，运用广泛，前景宽广。运用：现代丈量和自动控制系统，运用广泛，前景宽广。上一页下一页返 回下一页返 回 是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的任务原理基于光电效应。光电效应分产生的电效应。光电传感器的任务原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：为外光电效应和内光电效应两大类：1外光电效应外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体外表向外发射的景象称在光线的作用下，物体内的电子逸出物体外表向外发射的景象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光为外光

3、电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。电器件有光电管、光电倍增管等。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：为普朗克常数sJhhfE3410626. 6 根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所根据爱因斯坦假设，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外表逸出，必需使光子的能量大于该物体以要使一个电子从物体外表逸出，必需使光子的能量大于该物体的外表逸出功，超越部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电的外表逸出功，超越部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开场

4、照射至金属释放电子效应多发生于金属和金属氧化物，从光开场照射至金属释放电子所需时间不超越所需时间不超越10-9s。根据能量守恒定理根据能量守恒定理 式中式中 m电子质量；电子质量；v0电子逸出速度。电子逸出速度。 02021Amh该方程称为爱因斯坦光电效应方程n光电子能否产生，取决于光电子的能量能否大于该物光电子能否产生，取决于光电子的能量能否大于该物体的外表电子逸出功体的外表电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出。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，称为红限功，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。光线频率低于红限频率，光子能量缺乏频率或波长

5、限。光线频率低于红限频率，光子能量缺乏以使物体内的电子逸出，因此小于红限频率的入射光，以使物体内的电子逸出，因此小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n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，逸出的电子数也就越多。n光电子逸出物体外表具有初始动能mv02 /2 ，因此外光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，必需加负的截止电压，而且截止电压与入射

6、光的频率成正比。下一页返 回2 2内光电效应内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光发生变化，或产生光生电动势的景象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据任生电动势的景象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据任务原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：务原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类： 1 1 光电导效应光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合形状过渡到自在形状，在光线作用，电子吸收光子能量从键合形状过渡到自在形状，而引起资料电导率的变化，这种景象被称为光电导效应。基于这而引起资料电导率的变

7、化，这种景象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。种效应的光电器件有光敏电阻。过程：当光照射到半导体资料上时，价带中的电子遭到能量大于过程：当光照射到半导体资料上时，价带中的电子遭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，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，如图，使资料中导带内的电子和价带内的空穴浓度添加，从而使如图，使资料中导带内的电子和价带内的空穴浓度添加，从而使电导率变大。电导率变大。导带价带禁带自在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg 资料的光导性能决议于禁带宽度，对于一种光电资料的光导性能决议于禁带宽度，对于一种光

8、电导资料，总存在一个照射光波长限导资料，总存在一个照射光波长限0，只需波长小于，只需波长小于0的光照射在光电导体上，才干产生电子能级间的跃的光照射在光电导体上，才干产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率添加。进，从而使光电导体的电导率添加。式中式中、分别为入射光的频率和波长。分别为入射光的频率和波长。 Eg24. 1hch为了实现能级的跃迁，入射光的能量必需大于光电为了实现能级的跃迁，入射光的能量必需大于光电导资料的禁带宽度导资料的禁带宽度Eg，即，即 2 光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下可以使物体产生一定方向的电动势的景象叫做光生在光线作用下可以使物体产生一定方向的电动势的景象叫

9、做光生伏特效应。伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。 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PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射结为例，光线照射PN结时，设光结时，设光子能量大于禁带宽度子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挠层内电场的作用下，被光激发的电子移向穴对，在阻挠层内电场的作用下，被光激

10、发的电子移向N区外侧，被区外侧，被光激发的空穴移向光激发的空穴移向P区外侧，从而使区外侧，从而使P区带正电，区带正电，N区带负电，构成光区带负电，构成光电动势。电动势。 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，载流子浓度梯当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。度将会产生侧向光电效应。 当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，当光照部分吸收入射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，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因此载流子就要分散。假设就出现了载流子浓度梯度，因此载

11、流子就要分散。假设电子迁移率比空穴大，那么空穴的分散不明显，那么电电子迁移率比空穴大，那么空穴的分散不明显，那么电子向未被光照部分分散，就呵斥光照射的部分带正电，子向未被光照部分分散，就呵斥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。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件感器件PSD。下一页返 回1. 光敏电阻的光电效应光敏电阻的光电效应2光敏电阻种类光敏电阻种类3光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数4. 光敏电阻的根本特性光敏电阻的根本特性上一页下一页返 回

12、光敏电阻特性：光敏电阻特性：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，电路中电流很小很大，电路中电流很小 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，电流迅速添加急剧减少，电流迅速添加光照停顿时：恢复高阻形状光照停顿时：恢复高阻形状优点：优点：灵敏度高，光谱呼应范围宽，体积小、分量轻、机械强度高灵敏度高，光谱呼应范围宽，体积小、分量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载才干强和寿命长等。，耐冲击、耐振动、抗过载才干强和寿命长等。缺乏：缺乏：需求外部电源，有电流时会发热。需求外部电源，有电流时会发热。 上一页下一页返 回上一页下一页返 回接受光照

13、时：接受光照时： 其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到达导带，成为光生其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到达导带，成为光生自在电子，使得半导体中自在电子自在电子，使得半导体中自在电子空穴对添加，导电率提高，电阻值下降。空穴对添加，导电率提高，电阻值下降。光照停顿时：光照停顿时： 失去光子能量的光生自在电子又重新迭落回价带与空穴复合，自在电子失去光子能量的光生自在电子又重新迭落回价带与空穴复合，自在电子空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。EgEg禁带宽度，价电子吸收光子能量禁带宽度，价电子吸收光子能量E EEgEg，才干穿越禁带成为自在

14、电子。，才干穿越禁带成为自在电子。 光照越强、光照越强、E E越大，光生自在电子越多，电阻值越小。越大，光生自在电子越多，电阻值越小。 光照停顿或光强减小使光照停顿或光强减小使E EEgEg时，光生自在电子又迭回价带成为价电子，使电时，光生自在电子又迭回价带成为价电子，使电阻值添加或恢复高阻形状。阻值添加或恢复高阻形状。 构成缘由：构成缘由：上一页下一页返 回偏压偏压U一定时，检流计指示电流一定时，检流计指示电流I的大小决议于光敏电阻上的光照强度：的大小决议于光敏电阻上的光照强度：无光照时：无光照时：I很小，此电流称之为暗电流；很小，此电流称之为暗电流； 光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻兆

15、欧级光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻兆欧级有光照时：有光照时：I较大，此电流称之为亮电流；较大，此电流称之为亮电流； 光敏电光敏电 阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻千欧以内阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻千欧以内光电流：由光照所产生的自在电子光电流：由光照所产生的自在电子空穴流，为亮电流与暗电流之差。空穴流，为亮电流与暗电流之差。由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。 光敏电阻光电效应实验电路光敏电阻光电效应实验电路1.玻璃玻璃 2.光电导层光电导层 3.电极电极 4.绝缘衬底绝缘衬底 5.金属壳金属壳 6.黑色绝缘玻璃黑色

16、绝缘玻璃 7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。上一页下一页返 回 光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因此光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因此运用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏运用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最正确任务波长电阻。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最正确任务波长范围分三类：范围分三类：1对紫外光敏感元件对紫外光敏感

17、元件 紫外光是指紫外线紫外光是指紫外线(波长波长10380nm)的内侧光波，波长约的内侧光波，波长约300380nm。对这类光敏感的资料有氧化锌、硫化锌等，适于作。对这类光敏感的资料有氧化锌、硫化锌等，适于作射射线检测及光电控制电路。线检测及光电控制电路。 2对可见光敏感元件对可见光敏感元件 可见光波长范围约可见光波长范围约380760nm，对这类光敏感的资料有硒、硅，对这类光敏感的资料有硒、硅、锗等，适用于光电计数、光电锅台、光电控制等场所。、锗等，适用于光电计数、光电锅台、光电控制等场所。3对红外光敏感元件对红外光敏感元件 红外光是红外线红外光是红外线(波长波长 7601106nm)的内侧

18、光波，波长约的内侧光波，波长约7606000nm。对这类光敏感的资料有硫化铅、硒化钳等，主要用来。对这类光敏感的资料有硫化铅、硒化钳等，主要用来探测不可见目的。探测不可见目的。 上一页下一页返 回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，在全暗后经过一定时光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间丈量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电间丈量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。流，称为暗电流。 2亮电阻亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下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。的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 3光电流

19、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。上一页下一页返 回1光谱特性光谱特性2光照特性光照特性3伏安特性伏安特性 4呼应时间和频率特性呼应时间和频率特性5温度特性温度特性6稳定性稳定性上一页下一页返 回定义：光电流对不同波长的单色光，灵敏度是不同的。定义：光电流对不同波长的单色光，灵敏度是不同的。 上一页下一页返 回光波：光波： 波长为波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光：波长可见光：波长380780nm紫外线：波长紫外线：波长10380nm， 波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10

20、200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线：波长红外线：波长780106nm 光谱特性与光敏电阻的资料有关。从图中可知，硫化光谱特性与光敏电阻的资料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。结论：结论： 在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的资料和光源的种在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的资料和光源的种类结合起来思索，才干获得称心的效果。类结合起来思索，才干获得称心的效果。 上一页下一页返 回20406080100400800

21、1200160020002400/nm312相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅定义：在一定电压下，光敏电阻的光电流定义：在一定电压下，光敏电阻的光电流I与光强与光强E之间的关系。之间的关系。 上一页下一页返 回012345I/mA L/lx1000 2000 右图表示右图表示CdS硫化镉光敏电阻的光硫化镉光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的缺乏之处。普通在件，这是光敏电阻的缺乏之处。普通在自动控制系

22、统中用作光电开关。自动控制系统中用作光电开关。 定义：在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。定义：在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。 上一页下一页返 回 图中曲线图中曲线1、2分别表示照度为分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下曲线可知，在给定偏压下,光照度光照度较大，光电流也越大。在一定的光较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和景象。但是电压越大，而且无饱和景象。但是电压不能无限地增大，由于任何光敏电不能无限地增大，由于任何光敏电阻都受

23、额定功率、最高任务电压和阻都受额定功率、最高任务电压和额定电流的限制。超越最高任务电额定电流的限制。超越最高任务电压和最大额定电流，能够导致光敏压和最大额定电流，能够导致光敏电阻永久性损坏。电阻永久性损坏。501001502001220I/ A040U/V时延特性：时延特性： 当光敏电阻遭到脉冲光照射时，光电流要经过一段时当光敏电阻遭到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才干到达稳定值，而在停顿光照后，光电流也不立刻为零，间才干到达稳定值，而在停顿光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。这就是光敏电阻的时延特性。 通常用呼应时间通常用呼应时间t表示。表示。 上一页下一页返 回 不同

24、资料的光敏电阻具有不同的呼应时间，所以它们的频率特性不同资料的光敏电阻具有不同的呼应时间，所以它们的频率特性也就不尽一样。也就不尽一样。上一页下一页返 回20406080100I / %f / Hz010102 1 031 04硫化铅硫化镉 如图。硫化铅的运用频率比硫如图。硫化铅的运用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要延都比较大，所以，它不能用在要求快速呼应的场所。求快速呼应的场所。 光敏电阻性能光敏电阻性能(灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲

25、线的峰值向波长短的的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向挪动。硫化镉的光电流方向挪动。硫化镉的光电流I和温度和温度T的关系如下图。有时为了提高的关系如下图。有时为了提高灵敏度，或为了可以接纳较长波段的辐射，将元件降温运用。例如，灵敏度，或为了可以接纳较长波段的辐射，将元件降温运用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。上一页下一页返 回I / A100150200-50-1030 5010-30T / C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C上一页下一页返 回 图中曲线图中曲线1、2分别表示两

26、种型号分别表示两种型号CdS硫化镉光敏电阻的稳定性。硫化镉光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构任务不稳定，以及电阻体与其介质初制成的光敏电阻，由于体内机构任务不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有到达平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、的作用还没有到达平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、I / %408012016021T/h0400 800 1200 1600光照及加负载情况下，经一至二周的光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开老化，性能可达稳定。光敏电阻在开场一段时间的老化过程中，有些样品场一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样

27、品阻值下降，但最阻值上升，有些样品阻值下降，但最后到达一个稳定值后就不再变了。这后到达一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。就是光敏电阻的主要优点。 光敏电阻的运用寿命在密封良好、光敏电阻的运用寿命在密封良好、运用合理的情况下，几乎是无限长的。运用合理的情况下，几乎是无限长的。 上一页下一页返 回 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是发电式有源元件，有较大面积的能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是发电式有源元件，有较大面积的PN结，当光照射在结，当

28、光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。结上时，在结的两端出现电动势。命名方式：把光电池的半导体资料的称号冠于光电池命名方式：把光电池的半导体资料的称号冠于光电池(或太阳能电池或太阳能电池)之前。如，之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前，运用最广、最有开展出路的是硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前，运用最广、最有开展出路的是硅光电池。硅光电池。 硅光电池价钱廉价，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硅光电池价钱廉价，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。 硒光电池光电转换效率低硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接纳可见光、寿命短，适于接纳可见光(呼应峰值波长呼

29、应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。，最适宜制造照度计。 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱呼应特性那么与太阳光谱最吻砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱呼应特性那么与太阳光谱最吻合。且任务温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、合。且任务温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的运用是有开展出路的。太空探测器等电源方面的运用是有开展出路的。上一页下一页返 回 硅光电池的构造如下图。它是在一块硅光电池的构造如下图。它是在一块N型硅片上用分散的方法掺型硅片上用分散的方法掺入一些入一些P型杂质型杂质(如硼如硼)构成构成PN结。

30、当光照到结。当光照到PN结区时，假设光子能量结区时，假设光子能量足够大，将在结区附近激发出电子足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在空穴对，在N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P区区聚积正电荷，这样聚积正电荷，这样N区和区和P区之间出现电位差。假设将区之间出现电位差。假设将PN结两端用导结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至区流经外电路至N区。区。假设将外电路断开，就可测出光生电动势。假设将外电路断开，就可测出光生电动势。光电池的表示图+光PNSiO2RL(a) 光电池的构造图I光(b) 光电池的任务原理表示图 P N上一页下

31、一页返 回光电池的表示符号、根本电路及等效电路如下图。光电池的表示符号、根本电路及等效电路如下图。IUIdUIRLI(a)(b)(c)光电池符号和根本任务电路(1) 光谱特性光谱特性(2) 光照特性光照特性(3) 频率呼应频率呼应 (4) 温度特性温度特性 (5) 稳定性稳定性上一页下一页返 回上一页下一页返 回 光电池对不同波长光的灵敏度是不同的，不同资料的光电池对入射光光电池对不同波长光的灵敏度是不同的，不同资料的光电池对入射光波长的敏感范围是不同的，因此光电池的光谱特性决议于资料。从曲线可波长的敏感范围是不同的，因此光电池的光谱特性决议于资料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高

32、的灵敏度，峰值波长在看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附附近，适宜测可见光。硅光电池运用的范围近，适宜测可见光。硅光电池运用的范围400nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内运用。附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内运用。204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m1硒光电池2硅光电池上一页下一页返 回开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线

33、短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光电池(b)硒光电池开路电压短路电流短路电流上一页下一页返 回定义：指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。定义：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，因此应选取适当的外接负载近光电池在不同照度下，其内阻也不同，因此应选取适当的外接负载近似地满足似地满足“短路条件。短路条件。 以下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特以

34、下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。性。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0结论：负载结论：负载RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。结论：硅光电池具有较高的频率呼应结论：硅光电池具有较高的频率呼应 ,用于高速计数的光电转换用于高速计数的光电转换 上一页下一页返 回 光电池作为丈量、计数、接纳元件时常用调制光输入。光电池的频率光电池作为丈量、计数、接纳元件时常用调制光输入。光电池的频率呼应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池呼应就是指输出电流随调

35、制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率呼应曲线。大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率呼应曲线。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光电池2硅光电池上一页下一页返 回 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到运用光电池的仪器设备，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到运用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到丈量或控制精度等主要目的，因此，当光电池作为丈量的

36、温度漂移，影响到丈量或控制精度等主要目的，因此，当光电池作为丈量元件时，最好能坚持温度恒定，或采取温度补偿措施。元件时，最好能坚持温度恒定，或采取温度补偿措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCU OCISC / A600400200UOC开路电压ISC 短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线l当光电池密封良好、电极引线可靠、运当光电池密封良好、电极引线可靠、运用合理时，光电池的性能是相当稳定的用合理时，光电池的性能是相当稳定的 l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 l影响性能和寿命要素：影响性能和寿命要素：l光电池的资料及制造工艺光

37、电池的资料及制造工艺l运用环境条件运用环境条件 上一页下一页返 回l1 任务原理任务原理l2 根本特性根本特性上一页下一页返 回上一页下一页返 回 光电二极管和光电池一样，其根本构造也是一个光电二极管和光电池一样，其根本构造也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池一样，但输出电流的频率特性特别好。光生电势与光电池一样，但输出电流普遍比光电池小，普通为几普遍比光电池小，普通为几A到几十到几十A。按资料分，光。按资料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按电二极管有硅、砷化镓、

38、锑化铟光电二极管等许多种。按构造分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结构造分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。硅光电二极管。1光敏二极管上一页下一页返 回 光敏二极管的构造与普通二极管类似、它装在透明玻璃外壳中，光敏二极管的构造与普通二极管类似、它装在透明玻璃外壳中，其其PN结装在管顶，可直接遭到光照射。光敏二极管在电路中普通是处结装在管顶，可直接遭到光照射。光敏二极管在电路中普通是处于反向任务形状，如下图。于反向任务形状，如下图。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线 上一页下一页返 回 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反光敏二极

39、管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流当光照射时，光敏二极管的任务原理与光电池向电流也叫做暗电流当光照射时，光敏二极管的任务原理与光电池的任务原理很类似。当光不照射时，光敏二极管处于载止形状，这时的任务原理很类似。当光不照射时，光敏二极管处于载止形状，这时只需少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挠层构成微小的反向电只需少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挠层构成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区的少数载流子浓度大大添加

40、，因此在外区的少数载流子浓度大大添加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挠层进入区的少数载流子渡越阻挠层进入N区区， N区的少数载流子渡越阻挠层进入区的少数载流子渡越阻挠层进入P区，从而使经过区，从而使经过PN结的反向电结的反向电流大为添加，这就构成了光电流。光敏二极管的光电流流大为添加，这就构成了光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适宜检测等方面的线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适宜检测等方面的运用。运用。2光敏三极管上一页下一页返 回 光敏三极管有光敏三极管有P

41、NP型和型和NPN型两种，如图。其构造与普通三极管很型两种，如图。其构造与普通三极管很类似，具有电流增益类似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大只是它的发射极一边做的很大,以扩展光的照射面积以扩展光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时基极开路时,集电极处于反向偏集电极处于反向偏置形状。当光线照射在集电结的基区时置形状。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子会产生电子-空穴对空穴对,在内电场的在内电场的作用下作用下,光生电子被拉到集电极光生电子被拉到集电极,基区留下空穴基区留下空穴,使基极与发射极间的电压使基极与发射极间的电压升高

42、升高,这样便有大量的电子流向集电极这样便有大量的电子流向集电极,构成输出电流构成输出电流,且集电极电流为光且集电极电流为光电流的电流的倍。倍。 PPNNNPe bc RL Eec b1光谱特性光谱特性 2光照特性光照特性3伏安特性伏安特性4频率特性频率特性5温度特性温度特性上一页下一页返 回 存在一个最正确灵敏度的峰值波长。当入射光的波长添加时，存在一个最正确灵敏度的峰值波长。当入射光的波长添加时，相对灵敏度要下降。由于光子能量太小，缺乏以激发电子空穴对。相对灵敏度要下降。由于光子能量太小，缺乏以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导当入射光的波长缩短时，相

43、对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体外表附近就被吸收，并且在外表激发的电子空穴对不能到达体外表附近就被吸收，并且在外表激发的电子空穴对不能到达PN结结，因此使相对灵敏度下降。，因此使相对灵敏度下降。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 可见光或探测赤热形状物体时，普通都用硅管。可见光或探测赤热形状物体时，普通都用硅管。在红外光进展探测时，那么锗管较为适宜。在红外光进展探测时，那么锗管较为适宜。 上一页下一页返 回硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性 上一页下一页返 回 光敏二极管与光敏晶体管的光照特性明显不同，以硅管为例如下图。光光敏二极管与光敏晶体管的光照特性明显不同

44、，以硅管为例如下图。光敏二极管的光照特性近似为线性关系，光敏晶体管的光照特性为非线性，敏二极管的光照特性近似为线性关系，光敏晶体管的光照特性为非线性， 照度较小时，光电流随光照度加强而缓慢添加，当光照度较大时，光电流又照度较小时，光电流随光照度加强而缓慢添加，当光照度较大时，光电流又趋于饱和。从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。趋于饱和。从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。 上一页下一页返 回u 光敏管的输出电流与所加的偏量电压关系不大，具有近似的恒流特性；光敏管的输出电流与所加的偏量电压关系不大，具有近似的恒流特性；u 光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍，

45、因此具有更高的灵敏度；光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍，因此具有更高的灵敏度；u 光敏二极管在零偏压下就有一定的光敏二极管在零偏压下就有一定的 电流输出，光敏晶体管却有一段死区电流输出，光敏晶体管却有一段死区电压。电压。 硅光敏晶体管的频率呼应硅光敏晶体管的频率呼应 上一页下一页返 回 光敏二极管的频率特性较好，是半导体光敏器件中最好的一种光敏二极管的频率特性较好，是半导体光敏器件中最好的一种，其呼应速度达，其呼应速度达 0.1s，截止频率高，适用于快速变化的光调制信，截止频率高，适用于快速变化的光调制信号。光敏晶体管由于基区面积大，号。光敏晶体管由于基区面积大， 载流子穿越基区所需的时

46、间长载流子穿越基区所需的时间长，因此其频率特性比二极管差。，因此其频率特性比二极管差。无论是哪一类光敏管，其负载电阻越大，频率特性愈差。无论是哪一类光敏管，其负载电阻越大，频率特性愈差。 0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率 / HZ相对灵敏度/% 无论是硅管还是锗管，对温度的变化都比较敏感。无论是硅管还是锗管，对温度的变化都比较敏感。 温度升高，热激发产生的电子温度升高，热激发产生的电子电穴对添加，使暗电流上升。尤其是电穴对添加，使暗电流上升。尤其是锗管，其暗电流较大，温度特性较差。锗管，其暗电流较大，温度特性较差。

47、 温度升高对光电流影响不大。温度升高对光电流影响不大。 对于高温低照度下任务的光敏晶体管，此时暗电流上升、亮电流下降，对于高温低照度下任务的光敏晶体管，此时暗电流上升、亮电流下降，使信噪比减小；为了提高信噪比，应采取相应的温度补偿或降温措施。使信噪比减小；为了提高信噪比，应采取相应的温度补偿或降温措施。 上一页下一页返 回l光电耦合器光电耦合器l光电转速器光电转速器l反射式固体外表粗糙度计反射式固体外表粗糙度计l透射式薄膜厚度计透射式薄膜厚度计l烟尘浊度监测仪烟尘浊度监测仪上一页下一页返 回上一页下一页返 回定义：光电耦合器是由一个发光元件和一个光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件

48、。绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂采用金属外壳和玻璃绝缘的构造，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。(a)金属密封型(b)塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的构造。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种构造灵敏度较高。光电耦合器的组合方式光电耦合器的组合方式上一页下一页返 回光电耦合器的组合方式有多种，如下图。(a)(b)(c)(d)该方式构造简单、本钱低，通常用于50kHz以下任务频率的安装内。该方式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的安装中。该组合方式采用了放大三极管构成的高传

49、输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的安装中。该方式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。通用光耦通用光耦高速光耦高速光耦高效光耦高效光耦高速高效光耦高速高效光耦发光二极管发光二极管上一页下一页返 回 发光二极管是只需一个发光二极管是只需一个PN结的半导体器件。管芯是一个具有结的半导体器件。管芯是一个具有单导游电性能的单导游电性能的PN结，在正向偏压作用下，结，在正向偏压作用下，PN结空间电荷区势结空间电荷区势垒下降，引起过量的载流子注入，注入的电子与空穴加速复合时垒下降，引起过量的载流子注入，注入的电子与空穴加速复合时释放出光子能量，即把电能转换成光能。释放出光子能量，即把

50、电能转换成光能。 目前，发光二极管和光电转换器可以集成到一个芯片上，因目前，发光二极管和光电转换器可以集成到一个芯片上，因此可以作成集成光电耦合器。此可以作成集成光电耦合器。 If发光二极管的正向电流发光二极管的正向电流 Ic光电转换器输出电流光电转换器输出电流结论：输出、输入电流间线性关系较差，不宜作运算电路，但可以结论：输出、输入电流间线性关系较差，不宜作运算电路，但可以广泛运用于电平转换、电路隔离、固态继电器及无触点开关等控制广泛运用于电平转换、电路隔离、固态继电器及无触点开关等控制电路中。电路中。 光电耦合器根本特性光电耦合器根本特性上一页返 回上一页返 回 光源发出一定照度的光入射到

51、被测光源发出一定照度的光入射到被测 固定的外表上，一部分被外表吸固定的外表上，一部分被外表吸收，一部分反射到光电池上。被测外表越光滑，反射到光电池上的光越收，一部分反射到光电池上。被测外表越光滑，反射到光电池上的光越强，光电池输出电压越大。根据电压表指示的电压数，就可以判别被测强，光电池输出电压越大。根据电压表指示的电压数，就可以判别被测外表的组糙度。外表的组糙度。 上一页返 回 光源发出一定照度的光经准直透镜调制成平行光束，垂直入射到被光源发出一定照度的光经准直透镜调制成平行光束，垂直入射到被测薄膜上，一部分被薄膜吸收，一部分穿过薄膜出射到光电他上；薄膜测薄膜上，一部分被薄膜吸收，一部分穿过

52、薄膜出射到光电他上；薄膜越薄，出射光越强，光电池输出电压越大。根据这种原理，不但可以用越薄，出射光越强，光电池输出电压越大。根据这种原理，不但可以用于检测薄膜的厚度，印刷机纸张监控，还可以检测液体的混浊度，或气于检测薄膜的厚度，印刷机纸张监控，还可以检测液体的混浊度，或气体和固体的透明度。体和固体的透明度。 上一页返 回 防止工业烟尘污染是环保的重要义务之一。为了消除工业烟尘污染，防止工业烟尘污染是环保的重要义务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必需对烟尘源进展监测、自动显示和超标首先要知道烟尘排放量，因此必需对烟尘源进展监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用经过光

53、在烟道里传输过程中的变化大小来报警。烟道里的烟尘浊度是用经过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。假设烟道浊度添加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射添检测的。假设烟道浊度添加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射添加，到达光检测器的光减少，因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟加，到达光检测器的光减少，因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。道浊度的变化。上一页返 回平行光源光电探测放大显示刻度 校正报警器吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道5.2.1 莫尔条纹莫尔条纹5.2.2 光栅传感器的组成光栅传感器的组成5.2.3 辨向原理辨向原理5.2.4 细分技术细分技术上一页下一页返 回上

54、一页下一页返 回 光栅传感器是用于测位移的光电传感器。光透过光栅照射到光栅传感器是用于测位移的光电传感器。光透过光栅照射到光电器件上，根据光栅的莫尔条纹景象，可实现角位移或线位移光电器件上，根据光栅的莫尔条纹景象，可实现角位移或线位移的丈量。的丈量。 直光栅：用于丈量直线位移的光栅；直光栅：用于丈量直线位移的光栅； 圆光栅：用于丈量角位移的光栅。圆光栅：用于丈量角位移的光栅。上一页下一页返 回光栅光栅 光栅又叫光栅尺，是由在光学玻璃上均匀刻有许多线条，光栅又叫光栅尺，是由在光学玻璃上均匀刻有许多线条，构成规律陈列的透光和不透光的明暗条纹所组成。构成规律陈列的透光和不透光的明暗条纹所组成。Wmn

55、称为光栅的栅距或光栅常数称为光栅的栅距或光栅常数把光栅常数把光栅常数W相等的两光栅相等的两光栅尺相对叠合在一同，栅条间尺相对叠合在一同，栅条间坚持很小夹角坚持很小夹角，在与栅条，在与栅条近乎垂直的方向出现明暗相近乎垂直的方向出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。间的条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹间距莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度BH由光栅由光栅常数与光栅夹角决议常数与光栅夹角决议 上一页下一页返 回1莫尔条纹的间距莫尔条纹的间距BH对光栅常数对光栅常数W具有放大作用具有放大作用 调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了丈量调整夹角即可得到

56、很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了丈量精度。精度。2莫尔条纹具有消除光栅尺部分缺陷引起的误差莫尔条纹具有消除光栅尺部分缺陷引起的误差 由于光栅尺在制造时工艺的分散性，难免有的光栅尺的栅条或栅条间距存在由于光栅尺在制造时工艺的分散性，难免有的光栅尺的栅条或栅条间距存在着部分缺陷，但这些缺陷不会引起莫尔条纹的误差。由于在丈量时，光电元件上着部分缺陷，但这些缺陷不会引起莫尔条纹的误差。由于在丈量时，光电元件上接纳到的光信号，是透过众多栅条构成亮带的光信号，光栅尺的部分缺陷对亮带接纳到的光信号，是透过众多栅条构成亮带的光信号，光栅尺的部分缺陷对亮带透光量影响极小。透光量影响极小。 3莫尔条

57、纹的挪动大小和方向可以反映两光栅尺相对挪动大小和方向莫尔条纹的挪动大小和方向可以反映两光栅尺相对挪动大小和方向 当固定斜光栅尺、左右挪动直光栅尺时，莫尔条纹那么作上下挪动。假设被当固定斜光栅尺、左右挪动直光栅尺时，莫尔条纹那么作上下挪动。假设被测体跟随直光栅尺挪动，那么可根据莫尔条纹挪动的大小和方向，判别被测体挪测体跟随直光栅尺挪动，那么可根据莫尔条纹挪动的大小和方向，判别被测体挪动的大小和方向。动的大小和方向。 4莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术。这样可以提高丈量精度或可以采用较粗的

58、光栅。倍频技术。这样可以提高丈量精度或可以采用较粗的光栅。上一页下一页返 回 根据莫尔条纹特性制造的光栅位移传根据莫尔条纹特性制造的光栅位移传感器，按光路构成方式可分为两大类，即感器，按光路构成方式可分为两大类，即反射式光栅传感器和透射式光栅传感器。反射式光栅传感器和透射式光栅传感器。 上一页下一页返 回上一页下一页返 回 此光路适宜于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适宜于粗栅距的黑白透射光栅。 特点：构造简单，位置紧凑，调整运用方便，运用广泛。特点：构造简单，位置紧凑，调整运用方便，运用广泛。光源光源 常用钨丝灯泡或砷化镓发光二极管，钨丝灯泡有较大的输出功常用钨丝灯泡或砷化镓发光二极管，钨丝灯泡

59、有较大的输出功率，率， 较宽的任务温度范围较宽的任务温度范围(40一一130)，但运用寿命短，要定期改，但运用寿命短，要定期改换；砷化镓发光二极管输出功率低，任务温度范围换；砷化镓发光二极管输出功率低，任务温度范围(一一66一一100)也略小，但其与光敏晶体管组合比钨丝灯泡与光敏晶体管组合转换也略小，但其与光敏晶体管组合比钨丝灯泡与光敏晶体管组合转换效率高效率高(约约30)，且呼应速度快，且呼应速度快(约约2s)， 可使光源任务在触发形状，可使光源任务在触发形状，以减小功耗和热耗散。以减小功耗和热耗散。光电元件光电元件 常用光电池或光敏晶体管，在光电元件输出端常接放大器，以常用光电池或光敏晶体

60、管，在光电元件输出端常接放大器，以获得尽能够大的信号输出，以提高抗干扰才干。获得尽能够大的信号输出，以提高抗干扰才干。 透镜透镜 作用是把光源发出的光变换成平行光束，垂直投射到主光栅上。作用是把光源发出的光变换成平行光束，垂直投射到主光栅上。主光栅主光栅 又称标尺光栅，它有固定的光栅常数又称标尺光栅，它有固定的光栅常数W、亮条宽度、亮条宽度m和暗条宽和暗条宽度度n。通常，测位移时，被测体坚持与主光栅一样的位移大小和方向。通常，测位移时，被测体坚持与主光栅一样的位移大小和方向。指示光栅指示光栅 比主光栅短很多，通常具有与主光栅一样的光栅常数和亮、暗比主光栅短很多，通常具有与主光栅一样的光栅常数和