传感器应用技术 课件 项目3 光敏传感器应用电路设计与调试

光电效应的定义及分类DefinitionandclassificationofphotoelectriceffectSensorsapplicationtechnology发展历史光电效应由德国物理学家赫兹于1887年在证明波动理论实验中首次发现，当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电火花。对发展量子理论起了根本性作用。1902年，勒纳德（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释。1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。

伟大的瞬间——号称汇集全球三分之一智慧的照片

这张照片是1927年第五届索尔维会议(布鲁塞尔)参加者的合影。光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectriceffect）。光电效应的定义光电效应方程爱因斯坦光电效应方程如下：

Ek=hν-

W其中，h

表示普朗克常量，ν

表示入射光的频率。上式表明如果入射光子的能量hν

大于逸出功W时，那么有些光电子就能脱离金属表面而逸出，而且还具有剩余的动能Ek

。1、外光电效应——在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，也称光电发射效应。如光电管、光电倍增管2、光电导效应——在光线作用下，物体的电导性能改变的现象称为内光电效应。如光敏电阻3、光生伏特效应——在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应。如光电池、光敏晶体管。内光电效应光电效应的分类光电效应的分类常用光电传感器名称外形光谱特性工作方式光敏电阻可见光电阻变化光敏二极管可见光红外线电流变化光敏三极管可见光红外线电流变化9

电磁波谱图电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程光电发射效应及典型器件PhotoelectricemissioneffectanditstypicaldevicesSensorsapplicationtechnology1.光电发射效应2.

光电管3.光电倍增管课程内容CourseContents1.

光电发射效应光电发射效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下，金属会吸收光子并发射电子，发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值（相等于光的频率高于某一临界值）时方能发射电子，其临界值即极限频率和极限波长。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。2.

光电管光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管分为真空光电管和充气光电管。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。2.

光电管光电管外形3.

光电倍增管光电倍增管（photomultiplier）建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，结合了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件。光电倍增管由光阴极、倍增极、阳极组成，其中倍增极通常为12-14级，多的可达30级。倍增极能在电子轰击下发射出更多“次级电子”，可将阴极的光电流放大几万至几百万倍，故其灵敏度要比普通光电管高得多。3.

光电倍增管光电倍增管工作原理图当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并利用二次电子释放效应得到倍增放大，最后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。

因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。3.

光电倍增管光电倍增管外形电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程光电导效应及典型器件PhotoconductiveeffectsanditstypicaldevicesSensorsapplicationtechnology1.光电导效应2.

光敏电阻3.光敏电阻的主要参数4.

光敏电阻外形课程内容CourseContents1.

光电导效应光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能力从键合状态过渡到自由状态从而引起材料电导率的变化。过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使材料的电导率变大。1.

光电导效应

为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即：

材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导材料上时才能产生电子能级间的跃迁，从而使光电导材料的电导率增加。2.

光敏电阻光敏电阻（photocell）又称光敏电阻器（photoresistor）或光导管（photoconductor），是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。2.

光敏电阻常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。2.

光敏电阻光导电材料绝缘衬低引线电极引线通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。右图中弯曲的线条就是所谓的“梳”状电极交界的半导体光敏材料，主要是由金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体组成，是用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作的很薄的光敏电阻体。2.

光敏电阻3.

光敏电阻的主要参数

1．暗电阻

光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。2．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。3．光电流

亮电流与暗电流之差称为光电流。3.

光敏电阻的主要参数光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。

一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。4.

光敏电阻外形光敏电阻外形电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程光生伏特效应及典型器件PhotovoltaiceffectsanditstypicaldevicesSensorsapplicationtechnology1.光生伏特效应2.

光敏二极管3.光敏三极管4.

光电池课程内容CourseContents1.

光生伏特效应光生伏特效应，简称“光伏效应”，英文名称：Photovoltaiceffect。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。1.

光生伏特效应光生伏特效应示意图2.光敏二极管光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件。其基本原理是利用PN结的光生伏特效应，即光照到PN结上时，PN结吸收光能，产生电动势的现象。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。在不受光照射时，处于截止状态，受光照射时，处于导通状态。2.光敏二极管光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管分有PN结型、PIN结型、雪崩型等，其中用得最多的是PN结型，价格便宜。3.

光敏三极管光敏三极管（Phototransistor）又称光电三极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。

光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当光敏三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。光敏三极管有PNP型和NPN型两种：4.

光电池

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。属有源器件。4.

光电池光电池的结构和工作原理

是一个大面积的PN结，直接将光能转换为电能的光电器件。当光照射到PN结上时，便在PN结的两端产生电动势(P区为正，N区为负)。

用导线将PN结两端连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程光电传感器的组成与分类ComponentandclassificationofphotoelectricsensorsSensorsapplicationtechnology1.概述2.

光电传感器的组成3.光电传感器的分类课程内容CourseContents1.

概述▲光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。▲光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制中应用非常广泛。2.

光电传感器的组成通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管等。接收器则由光电二极管、光电三极管、光电池等组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。3.

光电传感器的分类（1）、按探测机理分类光子传感器：利用某些半导体材料在入射光的照射下产生光电效应，使材料的电学性能发生变化。按照光子传感器的工作原理，又可分为内光电传感器和外光电传感器。热传感器：在吸收了红外辐射后，会引起温度的变化，并伴随产生一些物理性能的变化。这类传感器又可分为：热电堆光传感器、辐射热计传感器、热释电传感器等。3.

光电传感器的分类辐射式：被测物体本身就是光辐射源。被测物发射的光通量射向光电元件，也可经一定的光路后作用到光电元件上。（2）、按传输方式分类吸收式：被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部分被吸收后透射到光电元件上。3.

光电传感器的分类反射式：恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上。（2）、按传输方式分类遮光式：当光源发出的光通量经被测物遮住其中一部分光之后，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路中的位置有关。3.

光电传感器的分类（3）、按输出信号的性质分类模拟光学传感器光栅传感器光电式传感器光纤传感器固态图像传感器电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程光电传感器的特性与参数CharacteristicsandparametersofphotoelectricsensorsSensorsapplicationtechnology灵敏度

光电传感器对单色辐射光通量的响应称为光谱灵敏度，反映了光电传感器对单色辐射光的响应能力，即：

光电传感器对连续辐射光通量的响应称为积分灵敏度，反映了光电传感器的输出电压（电流）与入射的总的辐射光通量之比，即：

上式中Rv和RI分别为光电传感器的电压灵敏度和电流灵敏度。脉冲响应特性

光电传感器对阶跃光信号的响应，从稳态值的10%上升到90%所需要的时间称为上升时间，用tr表示。从稳态值的90%下降到10%所需要的时间称为下降时间，用tf表示。

光电传感器的脉冲时间响应特性反映了响应时间的快慢。频率响应特性

光电传感器的输出电压（电流）的振幅或相对光谱灵敏度随入射光辐射通量的调制频率而变化的关系称为频率响应特性。硫化铅和硫化铊材料制作的光电传感器的频率响应特性曲线光照特性

光电传感器的积分灵敏度或光谱灵敏度与入射光辐射通量的关系称为光照特性。光谱特性

光电传感器的相对光谱灵敏度与入射光线波长的关系称为光谱特性。该特性反映了一定波长的辐射源只适应特定的光电传感器。温度特性

温度特性是指在一定的温度范围内，环境温度对光电传感器的灵敏度、暗电流、光电流等的影响，通常由温度系数表示。温度系数表示在给定的温度范围内，温度变化1℃时，光电流的相对平均增量或灵敏度的变化。

伏安特性

在入射光谱不变的情况下，光电传感器的电流与电压之间的关系称为伏安特性。

量子效率

量子效率是指在一定的波长下，单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。该参数反映了光电器件的光电转换能力。电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程Fundamentalcharacteristicsofphotosensitive

resistors光敏电阻的基本特性Sensorsapplicationtechnology1.伏安特性2.

温度特性3.光谱响应4.频率特性5.光照特性课程内容CourseContents1.

伏安特性

在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。在给定的电压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。注意：光敏电阻的阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。（斜率一定）2.

温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性温度系数:在一定光照下，温度每变化1℃，光敏电阻阻值的平均变化率。2.

温度特性

温度对光谱特性影响

随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。3.

光谱特性

光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。对不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。3.

光谱特性光敏电阻的分类根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

1、紫外光敏电阻器：包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等。

2、红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器。

3、可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。4.

频率特性

光敏电阻的光电流不能立即随着光照量的改变而立即改变。即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这个惰性通常称为时间常数，用τ来表示。不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。

5.

光照特性光照特性：光敏电阻的光电流与光强之间的关系。

由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程Applicationofphotosensitiveresistors光敏电阻的应用Sensorsapplicationtechnology1.调光电路2.

光控开关电路3.应急照明灯电路4.汽车大灯自动控制电路课程内容CourseContents1.

调光电路调光电路1光线变弱RG阻值增加C上分压上升可控硅导通角增大照明灯电压增大灯光变亮光线变亮RG阻值下降C上分压上升可控硅导通角变小照明灯电压下降灯光变暗1.

调光电路调光电路2S拨向2时为一个普通调光台灯。RP、C和氖泡N组成张弛振荡器，用来产生脉冲触发可控硅VS。调节RP能改变C充电速率，从而能改变VS导通角，达到调光的目的。S拨向1时，光敏电阻RG取代R3，当周围光线较弱时，RG呈高阻，VD5右端电位升高，电容C充电速率加快，振荡频率变高，VS导通角增大，电灯两端电压升高、亮度增大。2.

光控开关电路光控开关电路1工作原理：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发VT1导通，进而使得VT2也导通，VT2的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。2.

光控开关电路光控开关电路2工作原理：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升使运放IC的反相端电位升高，其输出激发VT导通，VT的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。3.

应急照明灯电路工作原理：一旦电网突然停电，光敏电阻RG就会因失去光照而呈高电阻，使得TWH8751的2脚处于低电位，振荡电路工作，TWH8751的输出端输出一系列脉冲电流，经变压器T升压后，驱动日光灯管，实现电网停电后的自动照明。4.

汽车大灯自动控制电路工作原理：在夜间行车时，当无灯光照射光敏电阻Rgm时，其呈高阻值，555输出高电位，两个场效应管均导通，汽车两前大灯D1和D2均发光。当对方有车开来时，Rgm呈低阻值，555输出低电位，两个场效应管均截止，汽车两前大灯熄灭。电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程Fundamentalcharacteristicsofphotosensitive

diodes光敏二极管的基本特性Sensorsapplicationtechnology1.光照特性2.

光谱特性3.伏安特性4.温度特性5.频率响应课程内容CourseContents1.

光照特性光敏二极管的光照特性曲线的线性较好，在小负载电阻下其光电流与照度基本成线性关系。硅光敏二极管小知识：1.光通量：光源在单位时间、向周围空间辐射并引起视觉的能量。用Φ表示，单位为流明(lm)。

2.照度：指在单位面积上接受的光通量。用E表示，单位勒克司(lx)。2.

光谱特性光敏二极管存在一个最佳的入射波长，此时灵敏度最高。硅和锗光敏二极(晶体)管的光谱特性

可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。3.

伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，这是由于反向偏压加大了耗尽层的宽度和电场强度。随反向偏压的加大，对载流子的收集达到极限，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。硅光敏二极管4.

温度特性反映暗电流及光电流与温度的关系。温度变化对光电流影响较小，而对暗电流影响很大。5.

频率响应入射光频率硅光敏晶体管的频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系。电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程Testingandapplicationofphotosensitive

diodes光敏二极管的检测及应用Sensorsapplicationtechnology1.光敏二极管的工作原理2.

光敏二极管的反向偏置接线3.光敏二极管的检测4.光敏二极管的应用电路课程内容CourseContents1.

光敏二极管的工作原理光敏二极管的工作原理主要基于光生伏特效应。

在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小，这时光敏二极管处于载止状态，只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流。

受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。

光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系，所以适合检测等方面的应用。2.

光敏二极管的反向偏置接线在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流(暗电流)很小。当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。光敏二极管的反向偏置接法U０光照++——3.

光敏二极管的检测可通过以下三种方法测量光电二极管的好坏：1、电阻测量法：用万用表R*100或者R*1K档，像测普通二极管一样，正向电阻应为10K左右，无光照射时，反向电阻应为∞。然后让光电二极管见光，光线越强反向电阻应越小，光线特别强时反向电阻可降到1K以下，这样的管子就是好的。若正反向电阻都是∞或零，说明管子是坏的。2、电压测量法：把指针式万用表调到直流1V左右的档位，用红表笔接光电二极管正极，黑表笔接负极，在阳光或白炽灯照射下，其电位与光照强度成正比，一般可达0.2-0.4V。3、电流测量法：把指针式万用表调到直流50微安或500微安档，红表笔接光电二极管正极，黑表笔接负极，在阳光或白炽灯照射下，其短路电流可达数十到数百微安。4.

光敏二极管的应用电路图(a)的光敏二极管输出端为开路方式，其输出电压随入射光量的对数呈线性变化，但容易受温度变化的影响。图(b)的光敏二级管输出端为短路方式，输出电流随入射光量的对数呈线性变化，一般采用输出端短路的工作方式。（1）、简单的光检测电路4.

光敏二极管的应用电路（2）、无偏置电路图(a)接高阻抗负载，图(b)接低阻抗负载。负载阻抗越高其特性越接近输出端开路方式，负载阻抗越低则越接近输出端短路方式。然而因二级管都是单个使用，所以输出信号极小，一般需要接放大电路。4.

光敏二极管的应用电路（3）、反向偏置电路光敏二极管加反向偏置，则响应速度可提高几倍以上。图(a)是接有较大负载电阻的电路，图(b)是接有较小负载电阻的电路。图(a)所示电路的输出电压比图(b)所示电路大，但响应特性不如图(b)。图(b)所示电路的输出电压比图(a)小，但响应速度比图(a)快。4.

光敏二极管的应用电路（4）、与晶体管组合应用电路图(a)为典型的集电极输出电路形式，而图(b)为典型的发射极输出电路形式。集电极输出电路适用于脉冲入射光电路，输出信号与输入信号的相位相反，输出信号一般较大。而发射极输出电路适用于模拟信号电路，电阻RB可以减小暗电流，输出信号与输入信号的相位相同，输出信号一般较小。4.

光敏二极管的应用电路（5）、与运放组合应用电路图(a)为无偏置方式，图(b)为反向偏置方式。无偏置电路可以用于测量宽范围的入射光，例如照度计等，但响应特性比不上反向偏置的电路，可用反馈电阻Rf调整输出电压，如果Rf用对数二极管替代，则可以输出对数压缩的电压。反向偏置电路的响应速度快，输出信号与输入信号同相位。电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程Applicationofphototransistors光敏三极管的应用Sensorsapplicationtechnology1.光控开关电路2.

光控语音报警电路3.红外检测器电路4.烟雾报警器电路课程内容CourseContents1.光控开关电路当光敏三极管3DU5上有光照射时，它被导通，从而使继电器K通电工作。当光敏三极管3DU5上无光照射时，电路被断开，3DK7、3DK9均不工作，也无电流输出，继电器不动作。因此通过有无光照射到光敏管3DU5上即可控制继电器的工作状态，从而控制与继电器连接的工作电路。2.

光控语音报警电路平常在光源照射下，VT1呈低阻状态，VT2饱和导通，IC触发端3脚得不到正触发脉冲而不工作，扬声器无声。当VT1被物体遮挡时，便产生一负脉冲电压，并通过C1耦合到VT2的基极，导致VT2进入截止状态，IC获得一正触发脉冲而工作，输出音频信号通过VT3放大，推动扬声器发出声响。3.

红外检测器电路当红外遥控发射装置发出的红外光照射到光敏三极管VT1时，其内阻减小，驱动VT2导通，使发光二极管VD1随着人射光的节奏被点亮。由于发光二极管VD1的亮度取决于照射到光敏三极管VT1的红外光的强度，因此根据发光二极管VD1的发光亮度，可以估计出红外发射装置上的电池是否还可以继续使用。4.

烟雾报警器电路烟雾报警器光敏三极管是烟雾报警器中的光传感器。它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。根据烟粒子对光线的吸收和散射作用。光电感烟探测器又分为遮光型和散光型两种。下图为遮光型报警器。平时发光二极管发出的光被不透明挡板挡住，当有烟雾时，烟雾对光有散射作用，光电三极管接收到散射光，电阻变小，使报警电路工作。4.

烟雾报警器电路烟雾报警器散光型烟雾报警器：在烟雾报警器内部有一道光和传感器，二者成90度角放置，如下所示：

在正常情况下，左侧的光源发出的光会直接射出，不经过传感器。但是当有烟雾进入腔体时，烟雾微粒会使光线散开，一部分光会射到传感器，然后传感器会启动烟雾报警器中的喇叭。4.

烟雾报警器电路

无烟雾时，红外发光二极管VD1发光并被光敏三极管VT1接收，其内阻减小，最终使得VT2导通，VT3截止，报警器不工作。

有烟雾时，空气透光性变差，此时光敏三极管VT1接收到的光通量减小，内阻增大，最终使得VT2截止，VT3导通，报警器工作。电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程Principle，structureandapplicationofphototransistors光敏三极管的原理、结构及特性Sensorsapplicationtechnology1.光敏三极管的工作原理2.

光敏三极管的内部结构3.光敏三极管的特性课程内容CourseContents1.光敏三极管的工作原理光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此其实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的三极管。IpIcIE1.光敏三极管的工作原理硅光敏三极管一般都是NPN结构，基极开路，集电极加反向偏压，其电路符号及等效电路如下图所示。当光照射在集电结上时,会产生电子-空穴对,在外电场的作用下光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,相当于三极管基极电流，同时使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,使三极管具有电流增益，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。所以光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。2.

光敏三极管的内部结构a)

内部组成b)管芯结构c)结构简化图1—集电极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜5—发射极引脚6—N+衬底7—N型集电区8—SiO2保护圈9—集电结10—P型基区11—N型发射区12—发射结3.

光敏三极管的特性光敏三极管的光谱特性硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。

在探测可见光或赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。3.

光敏三极管的特性光敏三极管的伏安特性

光敏二极管输出电流比同样照度下光敏三极管输出的光电流要小得多。硅光敏二极管硅光敏三极管3.

光敏三极管的特性光敏三极管的光照特性光敏二极管的光照特性曲线的线性较好。硅光敏二极管硅光敏三极管3.

光敏三极管的特性光敏三极管的温度特性光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响较小，而对暗电流的影响很大。所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。3.

光敏三极管的特性光敏三极管的频率响应特性TOSHIBATPS601的频率响应特性光敏三极管响应速度比光敏二极管慢，因为结电容CCB放大了hFE倍在允许限度内，负载电阻选用低值将有助改善频率响应特性电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程Applicationofphotoelectricinterrupters光电断续器的应用Sensorsapplicationtechnology1.光电断续器和光电开关的区别2.

光电断续器的分类3.光电断续器的结构图4.光电断续器外形5.光电断续器的应用课程内容CourseContents1.光电断续器和光电开关的区别

从原理上讲，光电断续器及光电开关没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。2.

光电断续器的分类

光电断续器可分为遮断型和反射型两种。

遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测。

反射式光电断续器普遍称为反射式光电开关，也是由红外线发射管与接收管一体使用的反射式光电开关。

光电断续器的发光二极管可以直接用直流电驱动，亦可用40kHz尖脉冲电流驱动；红外LED的正向压降约为1.1~1.3V，驱动电流控制在20mA以内。3.

光电断续器的结构图4.

光电断续器的外形反射型光电断续器遮断型光电断续器5.

光电断续器的应用

光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。当工件经过光电断续器时，接收器即产生一个计数脉冲。5.

光电断续器的应用

齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。n电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程光电开关的工作原理及分类PrincipleandclassificationofphotoelectricswitchesSensorsapplicationtechnology光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。光电开关的工作原理光电开关的分类

光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。

反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型(简称散射型)。反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光(波动方向严格一致的光)反射回去，提高抗干扰能力。遮断型光电开关

遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到光线而产生开关信号。反射镜反射型光电开关

反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。被测物漫反射型光电开关

漫反射型光电开关集光发射器和光接收器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接收器接收，于是产生开关信号。各种光电开关工作示意图电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程Applicationofphotoelectricswitches光电开关的应用Sensorsapplicationtechnology光电开关可用在物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。

光电开关的应用送料器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料口遮断式光电开关(计数)透明度测量、控制质量检测光电开关的应用加工控制机械手定位光电开关的应用商标方向检测光电开关的应用光幕

两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。发射器接收器

光幕应用光幕是利用光电感应原理制成的安全保护装置，多用于工业自动化或安防领域。光线被遮断(报警)产品高度测量三维尺寸检测高度测量宽度测量长度测量

光幕应用

光幕应用木材外形截面积检测纠偏

光幕应用自动收费系统的车辆检测锻压机床的安全区域入侵报警电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程红外传感器的原理及分类PrincipleandclassificationofinfraredsensorsSensorsapplicationtechnology1.红外检测的物理基础2.

红外辐射的基本定律3.红外探测器的分类课程内容CourseContents1.

红外检测的物理基础

红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76～1000μm，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。1.

红外检测的物理基础

红外线辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。而且，红外线被物体吸收时，可以显著地转变为热能。

在自然界中，只要物体本身具有一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外光。例如电机，电器，炉火，甚至冰块都能产生红外辐射。1.

红外检测的物理基础

红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。红外线在通过大气层时，有三个波段透过率最高，分别是2～2.6μm，3～5μm，8～14μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要。红外探测器一般都工作在“大气窗口”这三个波段。2.

红外辐射的基本定律(1)基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W。在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。

(2)玻耳兹曼定律：即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化就会引起辐射通量密度很大的变化，这正是红外装置测定温度的理论基础。

(3)维恩位移定律：随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。

3.

红外探测器的分类

红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示等组成。

红外探测器是红外传感器的核心，红外探测器种类很多。根据驱动方式不同可分为电平型和脉冲型；根据探测原理的不同可分为光子探测器(探测原理基于光电效应)和热探测器(探测原理基于热效应)；根据功能不同可分为辐射计、搜索跟踪系统、热成像系统、红外测距通信系统和混合系统五大类。3.

红外探测器的分类

（1）、光子探测器

入射红外辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，称光子效应。利用光子效应制成的红外探测器，统称光子探测器。

光子探测器通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。其主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。3.

红外探测器的分类

（2）、热探测器

热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定控制器所吸收的红外辐射。

热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便，应用相当广泛。

热探测器主要类型有：热释电型，热敏电阻型，热电偶型，气体型探测器。其中热释电探测器在热探测器中探测率最高，响应频率最宽，备受重视。电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程Applicationofinfraredsensors红外传感器的应用Sensorsapplicationtechnology1.红外测温仪2.

红外气体分析仪3.红外热像仪课程内容CourseContents1.

红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的是红外光，因此可用红外探测器检测其温度。

红外测温是目前较先进的测温方法，具有如下优点：1.远距离、非接触测量，适应于高速、带电、高温、高压；2.

反应速度快，不需要达到热平衡过程，反应时间在μs量级；3.灵敏度高，辐射能与温度T成正比；4.准确度高，可达0.1℃内；5.

测量范围广，0～上千度。1.

红外测温仪1.

红外测温仪人体体温测量耳温仪集成IC温度测量设备温度测量2.

红外气体分析仪几种气体对红外线的透射光谱红外气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。2.

红外气体分析仪3.

红外热像仪

红外热像仪将红外辐射转换成可见光进行显示，利用物体自身的红外辐射来摄取物体热辐射图像。它能通过快速扫描，精确的摄取反映被测物体温差信息的热图像。3.

红外热像仪热像技术应用：温度分布检测、飞行器表面温度检测、无损探测、安全生产监控、夜间机场状况检测、海岸线检测、临床医学、军事等。总线节点发热检测耐火材料设备检测电脑主板发热量分布沥青铺路温度分布夜视红外热成像辅助驾驶系统配备热成像传感器的自动步枪红外遥感的无人驾驶飞机红外遥感反卫星系统3.

红外热像仪电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰《传感器应用技术》课程Principleandapplicationofpyroelectricinfraredsensor热释电红外传感器的原理及应用Sensorsapplicationtechnology1.热释电效应2.

热释电红外传感器工作原理3.热释电红外传感器的结构及内部电路4.热释电红外传感器的应用课程内容CourseContents1.热释电效应热释电效应指的是极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变导致在材料的两端出现电压或产生电流。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。如果在热电元件两端并联上电阻，当元件受热时，则电阻上就有电流流过，在电阻两端也能得到电压信号。2.

热释电红外传感器工作原理热释电红外探测器是由具有极化现象的热晶体或被称为“铁电体”的材料制作而成。“铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。3.

热释电红外传感器的结构及内部电路