传感器技术及应用（第三版）教案 项目七 光电式传感器

项目七光电式传感器

课题：光电传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：11

难点：光电元件的应用电路

教材分析

重占•光电传感器的应用

教学目的和要求1、了解光电元件的分类以及工作原理；

2、掌握光电元件的应用电路；

3、了解光电池的电流/电压转换电路及计算；

4、掌握光电传感器的应用。

教具：各种光电元

采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析

件、光电传感器

各

演示：

教

做以下的演示：

学

将光敏电阻接到万用表的电阻量程，测量在有光照和没有光照情况下的的电阻

环

值。

节

可以看到：随着光的照度的增加，光敏电阻的阻值从几个MC逐渐减小。在强光

和

照的情况下，大约可减小到几个kQ。

内

从以上演示，引入第一节光电效应、光电元件，以及它们的工作原理。

容

任务一光电效应及光电元件

讲述光的物理基础，以及三种光电效应：

光电效应：用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为何•的光子的轰击，

组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。通常把

光电效应分为三类：

（1）外光电效应。基于外光电效应的光电元件：光电管、光电倍增管、光电摄像

管等（玻璃真空管元件）。

（2）内光电效应。基于内光电效应光电元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极

管及光敏晶闸管等。

（3）光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件：光电池等。

一、简单介绍光电管（掌握应用领域）

由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的

灵敏度，人们可以根据检测对象是可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。目

前紫外光电管在工业检测中多用于紫外线测量、火焰监测等，可见光较难引起光电子

的发射。

二、基于内光电效应的光电元件

（一）光敏电阻（掌握特性参数和应用）

1.工作原理

光照愈强，光生电子-空穴对就越多，胆值就愈低.

2.光敏电阻的特性和参数

（1）暗电阻

（2）光电特性

照度定义：E=d0/cLA,所以1Ix=lIm/m?。照度是光源照射在被照物体单位面积上

的光通量。照度单位：勒克斯（lux）

光通量是光源在单位时间内发出的光量总和。光通量单位：流明（1m）

解释日常生活中的照度大小：1501X是教育部门要求所有学校课堂桌面所必须达到

的标准照度。

用照度计测量：距离为2m时，15W白炽灯的照度为501x；节能台灯的照度为

2000lx；阴天靠窗的照度为20001X；太阳光直接照射的照度为10000〜400001X。

提问：

光敏电阻光电特性为线性？非线性？能否用于光的精密测量？（只能用于定性地

判断有无光照）。价廉，虽然准确度不高，但可用于照相机的测光以及控制闪光灯。

图7-8某型号光敏电阻的光电特性

a）光照/电阻特性b）光照/电流特性

（3）响应时间

光敏电阻的时延特性，上升响应时间和下降响应时间：KT2〜］（）-%,

提问：光敏电阻能否用在要求快速响应的场合？

（二）光敏二极管、光敏三极管

1.光敏二极管的结构及工作原理：

当光照射在光敏二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子.

空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。

分析光敏二极管的基本电路（结论：在电路中处于反向偏置状态）。

思考：光敏二极管在应用电路中为什么必须反向偏置？（否则流过它的电流就与

普通二极管的正向电流一样，不受入射光的控制）

图7-11光敏二极管的反向偏置接法

2.光敏三极管结构及工作原理

解释与光敏二极管的区别，与普通三极管的区别：光敏三极管有两个PN结，但

只有正负（C、E）两个引脚，其外形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。

光线通过透明窗口落在基区及集电结上，光敏三极管比二极管的灵敏度高B倍。

图7-13光敏三极管图形符号

a）光敏三极管图形符号b）光敏达林顿三极管图形符号

光敏晶闸管的导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有可高达数百伏，输出功

率大。主要用途：用于光控开关电路及光耦中。

（三）光敏晶体管的基本特性

（1）光谱特性

看图，结论：不同材料的光敏晶体管对不同波长的入射，其相对灵敏度《不同。

0.50.81.0

紫外光可见光近红外光

Mum

图7-14光敏晶体管的光谱特性

1一常规工艺硅光敏晶体管的光谱特性2—滤光玻璃引起的光谱特性紫偏移

3一漉光玻璃引起的光谱特性红偏移

颜色传感器：能输出红、绿、蓝三色信号。计算机根据三色信号的比例，可以判

断被测物的颜色。

（2）伏安特性（简介）

（3）光电特性结论：光电流4与光照度成线性关系。

研究：光电特性曲线斜率与灵敏度的关系。

图7-15某系列光敏晶体管的光电特性

1一光敏二极管光电特性2—光敏三极管光电特性

提问：曲线1、2哪一个为光敏二极管？为什么？

求：光照度为301x时，光敏二极管的光电流为多少UA?

（4）温度特性温度对暗电流的影响；光敏三极管的温漂与光敏二极管比较；在

高准确度测量中选用硅光敏二极管的必要性如何提高检测灵敏度：采用低温漂、高准

确度的运算放大器。

（5）响应时间工业级硅光敏二极管的响应时间：107〜10%左右，光敏三极管

的响应时间与光敏二极管比较。

三、基于光生伏特效应的光电元件——光电池

人造卫星上的太阳能光电池板。

光电池是一种自发电型的光电传感器

（-）结构及工作原理与光敏二极管的区别

在大面积的N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面。当入射光子的能量足

够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子•空穴对，

PN结又称空间电荷区，它的内电场（N区带正电、P区带负电）使扩散到PN结

附近的电子一空穴对分离，电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N

区带负电，P区带止电。PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。

（二）光电池的基本特性

（1）光谱特性

提问：硅光电池的灵敏度峰值波长为多少Um?

（2）光电特性

曲线1：光电池负载开路时的“开路电压””,的特性曲线；

曲线2：负载短路时的“短路电流”4的特性曲线。

提问开路电压风与光照度的关系呈何种关系？（对数/指数/线性），在多数lx以

上就趋于饱和？。

当负载短路时，光电流在很大范围内与照度成线性关系。当希望光电池的输出与

光照度成正比时，应把光电池作为电流源来使用；当被测非甩量是开关量时，可以把

光电池作为电压源来使用。

提问：如果要得到L5V的输出电压，提供给液晶计算器使用，必须将几块光电池

串联/并联起来？

(

T

u

m

n

v

r

o

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图7-20某系列硅光电池的光电特性

1一开路电压曲线2—短路电流曲线

（3）光电池的温度特性（略）

（4）频率特性硅光电池的面积越小，PN结的极间电容也越小，频率响应就越

高。

任务二光电传感器的应用

光电传感器的最大特点：非接触式测量。

I）光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映

了光源的某些物理参数，如图7-22a所示。典型的例子有光电高温比色温度计、光照度

计、照相机曝光量控制等。

2）恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电

元件上，吸收量决定于被测物的某些参数，如图7-22b所示，典型例子如透明度计、浊

度计等。

3）恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上,

光电元件的输出反映了被测物的某些参数，如图7-22c所示。典型的例子如用反射式光

电法测转速、测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。

4）怛光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的

光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸，如图7-22d所示。典型

的例子如振动测量、工件尺寸测量等。

bl

图7-22光电传感器的几种形式

a）被测物是光源b）被测物吸收光通量

c）被测物是有反射能力的表面c）被测物遮蔽光通量

1一被测物2—光电元件3一恒光源

一、光源本身是被测物的应用实例

1.红外线辐射温度

辐射温度计可分为高温辐射温度计、高温比色温度计、红外辐射温度计等。

2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用演示

将热释电传感器放置于讲台，接通电源开关。

在学生晃动身体时，发出报警声响。不动时，无反应。

解释菲涅尔透镜在防干扰中的用途。

二、被测物体反射光通量的应用实例

1.反射式烟雾报警器

判断火灾发生时伴随时的有光和热的化学反应：

（1）产生热量，使环境温度升高：热敏电阻；

（2）产生可燃性气体：气敏电阻；

（3）产生烟器：烟雾报警器；

（4）产生火焰：辐射出红外线、可见光和紫外线：紫外线报警器。

分析：在火灾报警中，为什么不能测量单凭红外线增大，判断火灾？

取暖设备、电:T、太阳光线都包含有红外线或可见光。

紫外线的判断：利用本章第一节介绍