感测技术--ch2-1

1、第第2章章 光电式传感器光电式传感器主要内容主要内容光电元件 （光敏二极管、光敏三极管、 光敏电阻、光电池）红外光传感器光纤传感器光栅传感器激光传感器 光电式传感器的工作原理： 首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。 光电器件的作用是将光信号转变为电电信号。 其工作的物理基础是光电效应。 光电效应光电效应：在光照射下，物体中的电子吸收了入射光子的能量，发生电学效应的现象 光电效应的分类光电效应的分类：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。 外光电效应外光电效应：在光作用下电子逸出物体表面的现象。光电效应方程发生光电效应入射光的最小频率： 对应的最大波长（称红限

2、频率）：要发生光电效应，入射光频率或波长应该满足：0202/AvmhhAm/00/ AhcM00/AhchA或 内光电效应内光电效应：光作用使光电器件的电阻率发生变化的现象。如：光敏电阻。 光生伏特效应光生伏特效应：光作用使物体产生一定方向电动势的现象。如光电池，光敏二极管、光敏三极管。hgRhE2.1 光电元件光电元件 光电元件通常分为半导体光电元件和真空光电元件。 半导体光电元件有：光敏二极管、光敏三极管、光电池、光敏电阻等；真空光电元件有：光电倍增管等。一、光敏二极管 1、工作原理工作原理：利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。 用于光纤通信、红外线遥控器、光

3、电耦合器、光电检测等 光敏二极管在在电路中通常处于反向偏置状态，没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流。二极管处于截止状态。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生电子-空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。二极管处于导通状态。光的照度越大, 光电流越大。2、光敏二极管的基本特性、光敏二极管的基本特性：光谱特性光谱特性：光敏二极管在一定照度时， 输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。100806040200 0.51.01.52.0入射光锗硅K / (%)m/伏安特性伏安特性： 当光照时，反向电流随着

4、光照强度的变化。 在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行。 光的颜色会随着温度的升高而变化，这种光源的温度就叫该光源的色温色温。0.100.080.060.040.02I / mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x0 10 20 30 40 5010864201020 304050500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI / mA反 向 电 压 / V集 电 极 发 射 极 电 压 / V(a)(b)色温1526K光照特性光照特性：光电流与照度的关系，线性关系温度特性温度特性：暗电流及光电流与温度的关系。温度变化 对光电流影响很小，

5、而对暗电流影响很大频率特性频率特性：光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种。响应特性响应特性：硅光敏二极管的上升时间不超过5纳秒，适合用于快速响应或高频调制。3、光敏二极管的应用光敏二极管的应用 光电路灯控制电路光电路灯控制电路：无光照时，光敏二极管反向截止，R1上的压降VA很小，T1和T2截止，继电器J不动作，路灯保持亮； 有光照时，光敏二极管反向电阻下降， VA上升T1和T2导通，J动作常闭端打开，路灯保持亮。白天灯灭，晚上灯亮，起到自动控制的作用。 光强测量电路光强测量电路：由稳压管、光敏二极管和电桥组成测量电路。 无光照时，

6、VA很大，FET导通，调整RW使电桥平衡，即指针为0。 有光照时，VA下降， R2上电流下降， VB减小；光照不同， VA不同， R2上压降不同，光强可以通过电流计读数显示出来。二、光敏三极管 结构与工作原理结构与工作原理：大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，会产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。 NPc光Nebbec(a)(b)RLE光敏三极管的基本特性光敏三极管的基本特性：类似光敏二极管。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

7、器：Vi是电源，V0是输出电压，A和B是光敏二极管的发射端和光敏三极管的接收端。转轴以转速n转动时，辐条树为N的光栅转盘也转动，输出电信号为频率f = nN的脉冲 光电数字转速传感器光电数字转速传感器：原理如下图，接收光信号的是光敏二极管或三极管。由脉冲编码器原理， n= f / N，用频率计测出f，就可得到转速n。光电脉冲转换电路如下图 其中BG3和BG4组成射极耦合触发器，有光照BG1时使U0为高电位，反之U0为低电位 光电式烟尘浓度计光电式烟尘浓度计：光敏三极管6和7输出电压U1和U2由远算器8算出U1和U2的比值，进一步算出浓度。 电子蜡烛电子蜡烛：接通电源后，当光敏三极管3DU无光照

8、时可控硅VS触发端G因无触发电流而关断，灯ZD不亮。当点燃火柴并靠近3DU时，其c、e极间电阻迅速降低，VS导通，灯亮。当火柴熄灭后，由于VS有自锁功能，灯一直亮着。若对着气动开关SA1吹气，SA1的动片被吹离触点，切断了灯和VS的电源，灯灭。由于VS有自锁功能，SA1复原接通电源，灯也不会亮，只有再点燃火柴用光照光敏三极管才行。灯就象电子蜡烛。三、光敏电阻光敏电阻1、光敏电阻的结构与工作原理、光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性, 是一个电阻器件。 制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物和金属硒化物，通常采用涂敷、喷涂等方法，在陶

9、瓷基片上涂上半导体薄膜，经烧结而成。 光敏电阻的结构光敏电阻的结构：在底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极与引出线端相连接，通过引出线端接入电路。为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，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。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，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 光敏电阻电极 光敏电阻接线图光敏电阻工作原理光敏电阻工作原理-内光电效应 光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增

10、强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。亮电阻很小，暗电阻很大 。 要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足hgE导带价带uAgREIggEhcorEh/刚好发生内光电效应的临界波长为：nmEmEJEmJEhcgggg1625834010988. 110988. 1)()(10310626. 62、光敏电阻的主要参数与基本特性、光敏电阻的主要参数与基本特性主要参数有 (1) 暗电阻 亮电阻光电流 暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 光电流：亮电流与暗电

11、流之差称为光电流。 (2) 光谱范围 对应于一定敏感程度的波长响应区间 (3) 响应时间 光敏电阻从停止光照到电流下降到原来值的63%所需要的时间（无其他负载），一般低于20ms基本特性基本特性：光照特性 光电灵敏度 光谱特性 1）光照特性光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻光电流和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图为硫化镉光敏电阻的光照特性。0.050.100.150.200.250.300.350.4000.20.40.60.81.01.21.4I / mA / lm光敏电阻不光敏电阻不宜用作测量宜用作测量元件，但可元件，但可用于自动控用

12、于自动控制中的光电制中的光电开关开关 2）光电灵敏度光电灵敏度 单位光通量入射时光敏电阻输出的光电流 单位外加电压下的光电灵敏度称相对灵敏度 3）光谱特性光谱特性 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。ddI/UK/ 对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。 硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作照度计的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区， 常用做火焰探测器的探头。 /A4）频率特性频率特性 光敏电阻的光电流不

13、能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大。 图表明硫化铅的使用频率范围较大。 100806040200101001 00010 000硫 化 镉硫 化 铅S /( %)f / Hz5）温度特性温度特性 光敏电阻温度变化影响光敏电阻的光谱响应。 温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，硫化铅光敏 电阻要在低温、恒 温的条件下使用。 对于可见光的光敏 电阻， 其温度影响 要小一

14、些。 光敏电阻优缺点：光敏电阻优缺点： 光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件3、光敏电阻的应用、光敏电阻的应用1）照度监视器 RG、R1、RW为采光电路，T1、T2为差动放大电路， T2、T3为复合开关，IC为音乐集成电路， T4、T5为复合功率放大电路， 当光照低于100lx时， RG值大， T1截止， T2、T3导通，IC工作，扬声器发声；当光照高于100lx时， RG值小， T1导通， T2、T3截止，IC不工作，扬声器不发声；2）应急自动照明灯 SA在位置1时对蓄电池充电3）自动调光台灯 当开关SA1在手控位置时，与普通调光台灯一样，双向可控4）带材跑偏检测装置 R1作为测量元件安装在带