光電式傳感器及其應(yīng)用課件

按工作原理分類：光電效應(yīng)傳感器紅外熱釋電傳感器固體圖像傳感器光纖傳感器第5章光電式傳感器及其應(yīng)用光電傳感器:將光信號(hào)（紅外、可見光及紫外光）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。被測(cè)量的變化光信號(hào)的變化電信號(hào)的變化對(duì)于不同波長(zhǎng)的光有不同的光學(xué)傳感器遠(yuǎn)紫外近紫外可見光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長(zhǎng)/μm一、外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)的電子獲得光子的能量從而脫離正電荷的束縛，逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。條件：光子能量大于該物體的表面逸出功基于外光電效應(yīng)的光電器件：光電管、光電倍增管、光電攝像管等光電效應(yīng)方程：

結(jié)論：1光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0；2逸出的光電子具有動(dòng)能；3、一定時(shí)，產(chǎn)生的光電流和光強(qiáng)成正比克服逸出功；轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能二、內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。當(dāng)光照射在物體上，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)而使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象常見器件：光敏電阻1.光電導(dǎo)效應(yīng)光→半導(dǎo)體→電子吸收能量（）→躍遷→電子-空穴對(duì)→阻值降低，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電導(dǎo)率增大原理：Eg2、光生伏特效應(yīng)原理：光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。常見器件：光敏二極管、三極管、光電池等。光→PN結(jié)→電子→N,空穴→P→電動(dòng)勢(shì)光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。5.2光電器件(光電傳感器)光電管:光電倍增管：光敏電阻:光電二極管：光電三極管:光電池:一、光電管結(jié)構(gòu)：在真空玻璃管內(nèi)裝有光電陰極(逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管內(nèi)壁)和陽極，感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料，便有電子逸出，并被正電位的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。1.光電管結(jié)構(gòu)和工作原理原理：基于外光電效應(yīng)；光→陰極→光電子→陽極→空間電子流→外接電阻→壓降U=f(I)（實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換）特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，靈敏度低2、光電管的特性光電管的伏安特性曲線當(dāng)入射光的頻率和通量確定時(shí)，陽極電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性

陽極電壓較低：陰極發(fā)射的電子部分到達(dá)陽極，其余受光電子在真空中運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的負(fù)電場(chǎng)作用，回到陰極。陽極電壓增高：光電流隨之增大。當(dāng)陰極發(fā)射的電子能全部到達(dá)陽極時(shí)，陽極電流便很穩(wěn)定，稱為飽和狀態(tài)。150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012陰極電壓/VIA/μA陽極電壓較低：陰極發(fā)射的電子部分到達(dá)陽極，其余受光電子在真空中運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的負(fù)電場(chǎng)作用，回到陰極。真空光電管

2、光電管的特性光電管的光譜特性同一光電管對(duì)于不同頻率的光，具有不同的靈敏度例：對(duì)GD-4型光電管，陰極采用銻銫材料，對(duì)可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測(cè)儀表中。對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測(cè)器。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。2、光電管的特性光電管的頻率響應(yīng)光電管在從光子射入陰極到在陽極上獲得光電子的時(shí)間間隔僅有幾納秒，但由于電極間的分布電容和負(fù)載電阻構(gòu)成RC回路關(guān)系，使光電管工作響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至10-4量級(jí)，在使用時(shí)，可以通過降低負(fù)載電阻和減少分布電容方法，提高頻率響應(yīng)。二、光電倍增管原理：利用二次電子釋放效應(yīng),將光電流在管內(nèi)部進(jìn)行放大。二次電子釋放效應(yīng)：高速電子撞擊固體表面,再發(fā)射出二次電子的現(xiàn)象。1.結(jié)構(gòu)與原理光電管缺點(diǎn)：靈敏度較低改進(jìn)：光電倍增管光電陰極倍增極陽極

設(shè)第一倍增極有δ個(gè)二次電子發(fā)出，經(jīng)過n次加速和轟擊加速后，產(chǎn)生的電子數(shù)為δnδ稱為二次電子發(fā)射比幾種光電倍增管的外形2.光電倍增管的基本特性光電特性光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間關(guān)系

在入射光通最小于10-4lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系,當(dāng)光通量再增大時(shí)，呈現(xiàn)非線性特性

三、光敏電阻1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理光敏電阻的電極構(gòu)造與封裝光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖：由一塊兩邊帶有金屬電極的均質(zhì)光電半導(dǎo)體組成。2、光敏電阻的特性及特點(diǎn)：光敏電阻對(duì)光敏感,當(dāng)改變光照強(qiáng)度時(shí),電阻的大小也隨著改變。一般會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增大而電阻值減小。１）暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻,此時(shí)流過的電流稱為暗電流。２）亮電阻光敏電阻在光照射時(shí)的電阻稱亮電阻,此時(shí)流過的電流稱亮電流。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。

３）光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。暗電流越小，光電流越大，光敏電阻的靈敏度越高。

暗電阻一般超過1MΩ,甚至高達(dá)100MΩ，亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，靈敏度很高。4)光照特性

光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系,稱為光敏電阻的光照特性。不同類型的光敏電阻,光照特性不同。光敏電阻的光照特性多數(shù)是非線性的。不宜做線性測(cè)量元件，一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。5)光譜特性光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光,光譜靈敏度不同,而且不同種類光敏電阻峰值波長(zhǎng)也不同。光敏電阻的光譜靈敏度①不同材料，其峰值波長(zhǎng)不同。②同一種材料，對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光，其相對(duì)靈敏度不同，響應(yīng)電流不同。應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相對(duì)靈敏度。7)響應(yīng)時(shí)間和頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光作用時(shí)，光電流需要經(jīng)歷一段時(shí)間才上升到最大值。這種響應(yīng)時(shí)間用時(shí)間常數(shù)來表示。多數(shù)光敏電阻時(shí)間常數(shù)在10-2～10-6s數(shù)量級(jí)。響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短與照度有關(guān)不同材料的光敏電阻具有不同的時(shí)間常數(shù)及頻率特性1-硫化鉛2-硫化鉈。相對(duì)靈敏度隨光照頻率的變化8)溫度特性

溫度變化影響暗電阻和靈敏度，也影響光敏電阻的光譜響應(yīng)。溫度升高，暗阻和靈敏度都下降。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。常用材料光敏電阻的典型參數(shù)常見光敏電阻光電二極管大多數(shù)情況下工作在反向偏壓狀態(tài)。當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

光電三極管：當(dāng)光照射到PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子--空穴對(duì)，它們?cè)趐n結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下，作定向運(yùn)動(dòng)形成光電流，因此，pn結(jié)的反向電流大大增加，由于光照射發(fā)射結(jié)產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于三極管的基極電流。因此，集電極電流是光電流的β倍，所以光電三極管比光電二極管具有更高的靈敏度。2.光敏管的特性1)光譜特性光電三極管的光譜特性曲線與光電二極管的相似。由圖可見,當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí),相對(duì)靈敏度要下降,這是因?yàn)楣庾拥哪芰縣ν太小,不足以激發(fā)出電子-空穴對(duì)。當(dāng)入射光波長(zhǎng)太短時(shí)相對(duì)靈敏度也下降,這是因?yàn)楣庾釉诎雽?dǎo)體表面附近激發(fā)的電子—空穴在半導(dǎo)體表面附近便被吸收,不能達(dá)到PN結(jié)。材料不同,峰值波長(zhǎng)也不同,應(yīng)根據(jù)光譜特性來確定光源和光電器件的最佳匹配。

2)伏安特性硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線，（a）圖為硅光敏二極管，（b）圖為硅光敏三極管。光敏三極管的光電流比相同管型的光敏二極管的光電流大上百倍。在零偏壓時(shí)，二極管仍有光電流輸出，三極管則沒有3)光照特性光照特性反映集電極輸出電流IC和照度EC之間的關(guān)系。三極管的光照特性曲線線性不太好,在大電流時(shí)有飽和現(xiàn)象。光電二極管在反向偏壓的作用下,光照特性曲線有良好的線性。

硅光敏管的光照特性（a）硅光敏二極管；（b）硅光敏三極管

4)溫度特性溫度對(duì)光電管暗電流和光電流的影響,如圖所示。從圖可見,溫度變化對(duì)光電流的影響很小,而對(duì)暗電流影響很大。5)頻率響應(yīng)(特性)和時(shí)間常數(shù)光電管的頻率響應(yīng)是指一定頻率的調(diào)制光照射時(shí),光電管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系。光電管的頻率響應(yīng)與其物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。硅光電三極管的頻率響應(yīng)曲線光電管的時(shí)間常數(shù):在10-10~10-4s之間,硅管時(shí)間常數(shù)較小,響應(yīng)頻率高。有些特殊用途的光電管,如硅PIN光電二極管其響應(yīng)頻率高達(dá)幾百兆赫茲,暗電流小到1nA。

P-Si

N-Si

I-Si硅PIN管光電二極管:特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)10GHz。在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。不足：I層電阻很大，輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。硅PIN光電二極管硅光電二極管幾種硅（鍺）光電三極管的特性參數(shù)五、光電池1.光電池的結(jié)構(gòu)及原理原理：基于光生伏特效應(yīng)光電池有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)光生電動(dòng)勢(shì)。+光PN－SiO2RL光電池可把太陽能直接變電能，又稱為太陽能電池,是發(fā)電式有源元件.下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN種類：硒光電池、氧化亞銅光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02％)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長(zhǎng)0.56μm)，最適宜制造照度計(jì)，常用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。2、光電池特性硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表。如用照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。1）光譜特性：

2)光照特性①不同光照射下有不同光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。②短路電流(2)在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。③開路電壓(1)與光強(qiáng)是非線性的，且在2000lx時(shí)趨于飽和。④光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負(fù)載電阻越小越好。硅光電池光照特性與負(fù)載的關(guān)系光電池負(fù)載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。負(fù)載在100以下，線性還是比較好的，負(fù)載電阻太大，則線性變壞3)頻率特性光電池的頻率特性是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系,反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面硅光電池硒光電池4)溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。短路電流隨溫度升高而變化緩慢,。因此作測(cè)量元件時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)行溫補(bǔ)。幾種硅光電池的性能參數(shù)光電池外形3、應(yīng)用太陽能電池：衛(wèi)星、燈塔、高空偵察氣球（幾萬米）六、其他光電器件光電耦合器：發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。它以光為媒介，實(shí)現(xiàn)輸入電信號(hào)耦合到輸出端。

應(yīng)用:電路中的強(qiáng)弱電隔離。發(fā)光二極管光敏三極管①強(qiáng)弱電隔離。輸入輸出之間絕緣電阻很高。耐壓達(dá)2000V以上。能避免輸出端對(duì)輸入端的干擾。②對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。發(fā)光二極管為電流驅(qū)動(dòng)元件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲有旁路作用。（濾除噪聲）特點(diǎn)：光電開關(guān)：光電開關(guān)在制造業(yè)自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置。可實(shí)現(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù),料位檢測(cè)，越限安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。透射式反射式光電開關(guān)與光電耦合器件比較光電開關(guān)和光電耦合器都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。區(qū)別：光電開關(guān)不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調(diào)制板。光電耦合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個(gè)不透光的管殼內(nèi)。應(yīng)用：光電開關(guān)多用于光電計(jì)數(shù)、報(bào)警、安全保護(hù)、非接觸開關(guān)，及各種光電控制等方面。光電耦合器多用于抗干擾電路、電平轉(zhuǎn)換、長(zhǎng)線傳輸、過流保護(hù)及高壓控制等方面。光電開關(guān)與光電耦合器

共同點(diǎn)：熱釋電傳感器：利用熱釋電效應(yīng)來檢測(cè)受光面的溫度升高值,得知光的輻射強(qiáng)度,在紅外檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用，可用于能產(chǎn)生紅外輻射的人體檢測(cè)，如防盜門、賓館大廳自動(dòng)門、自動(dòng)燈的控制等。

熱釋電感應(yīng)燈熱釋電傳感器光電角度編碼器用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。1-光源，2-透鏡，3-碼盤，4-狹縫，5-光電組件絕對(duì)接觸式編碼器演示4個(gè)光電元件

4位二進(jìn)制碼盤

最小分辨角度為α=360°/2n

5.3、光電傳感器應(yīng)用按被測(cè)物與光電元件和光源之間的關(guān)系，光電式傳感器的應(yīng)用有以下四種：1、光源本身就是被測(cè)物。如：光電比色溫度計(jì)、光照度計(jì)等被測(cè)物光電元件2、恒定光源發(fā)出的光通量透過被測(cè)物，由被測(cè)物吸收一部分后到達(dá)光電元件上。如：測(cè)液體透明度、煙塵濃度等被測(cè)物光電元件恒光源

3、恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)過被測(cè)物遮擋一部分后照射到光電元件上。如：測(cè)元件尺寸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等被測(cè)物光電元件恒光源4、恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物反射后到達(dá)光電元件上。如：測(cè)紙張白度、零件表面粗糙度、光電轉(zhuǎn)速表等應(yīng)用實(shí)例1.紅外線輻射溫度計(jì)：紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測(cè)量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測(cè)量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個(gè)不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號(hào)。食品溫度測(cè)量集成IC溫度測(cè)量—光、機(jī)、電一體化的紅外測(cè)溫系統(tǒng)8～14μm2.反射式煙霧報(bào)警器

在沒有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個(gè)微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。3.光電自動(dòng)門自動(dòng)門光電傳感器放大圖有效檢測(cè)區(qū)域5、熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用智能空調(diào)能檢測(cè)出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。

空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動(dòng)著。上下范圍左右范圍5.產(chǎn)品計(jì)數(shù)6、光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表光電轉(zhuǎn)換電路n=60(f/z)

1.

光電效應(yīng)有哪些？這些光電效應(yīng)對(duì)應(yīng)哪些光電元件？2.

這些光電元件有哪些特點(diǎn)？分別適用哪些場(chǎng)合？小結(jié)：8.4光電數(shù)字式傳感器一、數(shù)字式傳感器分類和特點(diǎn)

1.數(shù)字式傳感器分類及工作原理數(shù)字式傳感器：把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器（1）代碼型數(shù)字式傳感器代碼型數(shù)字式傳感器又稱為編碼器,輸出的每—個(gè)代碼相當(dāng)于一個(gè)定量的輸入值。