光電傳感技術(shù)

光

電

傳

感技術(shù)光電傳感器主要由發(fā)光元件、光學(xué)系統(tǒng)、光電接收元件和測量電路組成。光電接受元件主要有光敏電阻、光電池、光敏晶體管、固態(tài)成像器件、光柵、光導(dǎo)纖維等。光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛用于各種自動檢測系統(tǒng)中。光電傳感器是利用光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，使用它測量非電量時(shí)，需要將這些非電量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化。1.1

常用光源1.2

光電效應(yīng)及光電器件1.3光電開關(guān)及光電斷續(xù)器

1.4光電傳感器的應(yīng)用1.5

光電編碼器1.1

常用光源

自然界的一切物體在環(huán)境溫度高于0K以上時(shí)都會產(chǎn)生光波輻射，光是波長約在100—0.01μm之間的電磁輻射，其光譜見圖。紫藍(lán)綠黃橙紅380nm780nm

光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。由光的粒子說可知，光是以光速運(yùn)動著的粒子（光子）流，一束頻率為ν的光由能量相同的光子所組成，每個(gè)光子的能量為

h——普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν——光的頻率（單位s-1）。

光源（發(fā)光元件）1.白熾光源

用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。

改良：鹵鎢燈---鎢絲+鹵素（碘）鹵素+內(nèi)壁鎢→鹵化鎢→受熱分解→鎢→沉積到鎢絲2.氣體放電光源

定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。

氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。通過改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。

光譜儀器中常用的光源有低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如，照明日光燈。

氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈1/2—1/3。3.發(fā)光二極管（LED—LightEmittingDiode）

由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。

半導(dǎo)體中，由于空穴和電子的擴(kuò)散，在PN結(jié)處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)PN結(jié)上加有正向電壓時(shí)，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。

電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量Eg等于PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）。所放出的光子能量用hν表示，h為普朗克常數(shù)，ν為光的頻率。則普朗克常數(shù)h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；Eg的單位為電子伏（eV），1eV=1.6╳10-19J。

hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eV。可見光的波長λ近似地認(rèn)為在7×10-7m以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/λ=1.8eV

普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，顯然不能使用。

發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點(diǎn)燃）電壓略有差異。圖為砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線，紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。U/V

I/mA

注意，圖上的橫坐標(biāo)正負(fù)值刻度比例不同。一般而言，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5V，為了安全起見，使用時(shí)反向電壓應(yīng)在5V以下。-10-5012GaAsP(紅)GaAsP(綠)

發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵的曲線有兩根，這是因?yàn)槠洳馁|(zhì)成分稍有差異而得到不同的峰值波長λp。除峰值波長λp決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（用Δλ描述）決定光的色彩純度，Δλ越小，其光色越純。0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAs發(fā)光二極管的光譜特性λ/nm相對靈敏度4、激光器

激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長從0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器（1）固體激光器

典型實(shí)例是紅寶石激光器，是1960年人類發(fā)明的第一臺激光器。它的工作物質(zhì)是固體。種類：紅寶石激光器、摻釹的釔鋁榴石激光器（簡稱YAG激光器）和釹玻璃激光器等。特點(diǎn)：小而堅(jiān)固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達(dá)到幾十太瓦。固體激光器在光譜吸收測量方面有一些應(yīng)用。利用阿波羅登月留下的反射鏡，紅寶石激光器還曾成功地用于地球到月球的距離測量。（2）氣體激光器

工作物質(zhì)是氣體。種類：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。它們的波長覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。（3）半導(dǎo)體激光器

與前兩種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機(jī)上作測距儀來瞄準(zhǔn)敵機(jī)。其缺點(diǎn)是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。（4）液體激光器種類：無機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中較為重要的是有機(jī)染料激光器。它的最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。

1.2

光電效應(yīng)及光電器件1.2.1

光電效應(yīng)1.2.2光電管1.2.3光電倍增管1.2.4光敏電阻1.2.5光敏二極管和光敏晶體管1.2.6光電池1.2.7光電耦合器件1.2

光電效應(yīng)及光電器件

光電器件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電式傳感器的工作原理如圖2-1所示：首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。圖中x1表示被測量能直接引起光量變化的檢測方式；x2表示被測量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測方式。

圖2-1光電式傳感器的工作原理1.2.1

光電效應(yīng)光電效應(yīng)可分為：外光電效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)

定義：對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。1．外光電效應(yīng)

在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件。

我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能力由下式確定：h——普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；v——光的頻率（單位s-1）

若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。所以要使一個(gè)電子逸出，則光子能量hυ必須超出逸出功A0，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。即

（2-1）

式中：m－電子質(zhì)量；v0－電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。

由式（2-1）可知：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。不同物體具有不同的逸出功，這意味著每一個(gè)物體都有一個(gè)對應(yīng)的光頻閥值，成為紅限頻率或波長限。光線頻率小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。光電子逸出物體表面具有初始動能，因此外光電效應(yīng)器件，如光電管即使沒有加陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生。2．內(nèi)光電效應(yīng)

受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。

當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖2-2所示：圖2-2電子能級示意圖

從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的導(dǎo)電率變大。為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即：

光生伏特效應(yīng)：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。基于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。②側(cè)向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，由載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。

光電傳感器是將被測量的變化通過光信號變化轉(zhuǎn)換成電信號，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。在計(jì)算機(jī)、自動檢測、控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。光敏器件種類很多如：光電管、光敏二極管、光電倍增管、光敏三極管、光敏電阻、光電池、光電耦合器、光纖等等。光信號光電傳感器電信號1.2.2光電管1．結(jié)構(gòu)與工作原理

光電管是外光電效應(yīng)的器件，

有真空光電管和充氣光電管

兩類。光電陰極通常是用逸出功小

的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)

壁上做成，其感光面對準(zhǔn)光圖2-3光電管的結(jié)構(gòu)

的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。

2．主要性能（1）光電管的伏安特性

在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。真空光電管和充氣光電管的伏安特性分別如同2-4（a）和（b）所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。圖2-4光電管的伏安特性（2）光電管的光照特性

通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間的所加電壓一定時(shí)，光通量和光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。◆光電管陰極材料不同，其光照特性也不同。◆光照特性曲線的斜率（光電流與入射光通量之比）稱為光電管的靈敏度。（3）光電管光譜特性◆一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率v0，因此它們可用于不同的光譜范圍?！艏词拐丈湓陉帢O上的入射光的頻率高于紅限頻率v0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性?！羲?，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。1.2.3光電倍增管1．結(jié)構(gòu)與原理◆光電倍增管也是基于

外光電效應(yīng)的器件。

由于真空光電管的靈

敏度較低，因此人們

便研制了光電倍增管，

其工作原理如圖2-5所

示。

圖2-5光電倍增管的外型和工作原理2．主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M◆倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射電子δi的乘積。如果n個(gè)倍增電極的δi都一樣，則M=δin

，因此，陽極電流I為：◆M與所加電壓有關(guān)，一般在105~108之間。如果電壓有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽極和陰極的電壓為1000V－2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電壓差為50V－100V。（2）陰極靈敏度和總靈敏度：一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。

圖2-6光電倍增管的特性曲線

光電倍增管的放大倍數(shù)或總靈敏度如圖2-6所示。極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會損壞。（3）光譜特性◆光電倍增管的光譜特性與相同材料光電管的光譜特性很相似。（4）暗電流及本底電流◆當(dāng)管子不受光照，但極間加入電壓時(shí)在陽極上會收集到電子，這時(shí)的電流稱為暗電流，?！羧绻怆姳对龉芘c閃爍體放在一起，在完全避光情況下，出現(xiàn)的電流稱本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的。本底電流具有脈沖形式，因此也成為本底脈沖。1.2.4光敏電阻1．光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理

◆光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是內(nèi)光電效應(yīng)器件，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻器以硫化鎘制成，所以簡稱為CDS?！艄饷綦娮铔]有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。

◆當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下?！魣D2-7為光敏電阻的原理

結(jié)構(gòu)。

圖2-7光敏電阻結(jié)構(gòu)

2．光敏電阻的主要參數(shù)（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◆光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。（3）光電流◆亮電流與暗電流之差稱為光電流。3．光敏電阻的基本特性（1）伏安特性◆在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。

圖2-8硫化鎘光敏電阻的伏安特性

圖2-8為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見，光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓、電流無關(guān)。

（2）光譜特性◆光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。圖2-9為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。對應(yīng)于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的。

圖8-9光敏電阻的光譜特性（3）光照特性◆光敏電阻的光照特性是光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系，如圖2-10所示?！粲捎诠饷綦娮璧墓庹?/p>

特性呈非線性，因此

不宜作為測量元件，

一般在自動控制系統(tǒng)

中常用作開關(guān)式光電

信號傳感元件。

圖2-10光敏電阻的光照特性（4）溫度特性◆光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降?！魷囟茸兓绊懝饷綦?/p>

阻的光譜響應(yīng)，尤其

是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫

化鉛光敏電阻受溫度

影響更大。圖2-11為

硫化鉛光敏電阻的光

譜溫度特性曲線。圖2-11硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線

（5）光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間和頻率特性◆實(shí)驗(yàn)證明，光電流的變化對于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后，通常用時(shí)間常數(shù)t來描述，這叫做光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。所謂時(shí)間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降到原來的63%所需的時(shí)間，因此，t越小，響應(yīng)越迅速，但大多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都較大，這是它的缺點(diǎn)之一。圖2-12所示為硫化鎘和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性。圖2-12光敏電阻的頻率特性1.2.5光敏二極管和光敏晶體管1．結(jié)構(gòu)原理◆光敏二極管的結(jié)

構(gòu)與一般二極管

相似。它裝在透圖2-14光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理

明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見圖2–14左）。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見圖2-14右），在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流?！魣D2-15為NPN型光

敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡

圖和基本電路。大

多數(shù)光敏晶體管的

基極無引出線，當(dāng)

集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，從而形成光電流，相當(dāng)于三極管的基極電流。由于基極電流的增加，因此集電極電流是光生電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。圖8-15NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路2．基本特性（1）光譜特性

◆光敏二極管和晶體管的光

譜特性曲線如圖8-16所示。

從曲線可以看出，硅的峰

值波長約為0.9μm，鍺的

峰值波長約為1.5μm，此圖8-16光敏晶體（二極）管的光譜特性時(shí)靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長增加或縮短時(shí)，相對靈敏度也下降。一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。但對紅外光進(jìn)行探測時(shí)，鍺管較為適宜。（2）伏安特性◆圖2-17為硅光敏

管在不同照度下

的伏安特性曲線。

從圖中可見，光

敏晶體管的光電

流比相同管型的

二極管大上百倍。

圖8-17硅光敏管的伏安特性（3）溫度特性

◆光敏晶體管的

溫度特性是指

其暗電流及光

電流與溫度的

關(guān)系。光敏晶

體管的溫度特

性曲線如圖2-18所示。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大，所以在電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。圖2-18光敏晶體管的溫度特性圖2-19光電池工作原理1.2.6光電池◆光電池是在光線照射下，

直接將光能轉(zhuǎn)換為電能

的光電器件。光電池在

有光線作用下實(shí)質(zhì)就是

電源，電路中有了這種

器件就不需要外加電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”光敏面

在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對光生電子—空穴對，光生電子—空穴對的的擴(kuò)散運(yùn)動使電子通過漂移運(yùn)動被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動勢輸出。1．基本特性（1）光譜特性

◆光電池對不同波長的光的靈敏度

是不同的。圖8-20為硅光電池和

硒光電池的光譜特性曲線。從圖

中可知，不同材料的光電池，光

圖8-20光電池的光譜特性譜

響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不同的，硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池的范圍只能為0.38~0.75μm?？梢姽韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內(nèi)得到應(yīng)用。（2）光照特性

◆光電池在不同光照度下，

光電流和光生電動勢是

不同的，它們之間的關(guān)

系就是光照特性。圖

8-21為硅光電池的開路

電壓和短路電流與光照

的關(guān)系曲線。

圖8-21硅光電池的光照特性（3）溫度特性

◆光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。光電池的溫度特性如圖2-22所示。

圖2-22硅光電池的溫度特性（4）頻率特性◆光電池的頻率特性就是反

映光的交變頻率和光電池

輸出電流的關(guān)系，如圖

8-23所示。從曲線可以看

出，硅光電池有很高的頻

率響應(yīng)，可用在高速計(jì)

數(shù)、有聲電影等方面。這

就是硅光電池在所以光電

元件中最為突出的優(yōu)點(diǎn)。圖8-23光電池的頻率特性1.2.7光電耦合器件◆光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。圖2-25光電耦合器組合形式1．光電耦合器◆光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。耦合器常見的組合形式如圖2-25所示。2．光電開關(guān)◆光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲

得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號的器件。

圖2-26光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)◆圖（a）是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時(shí)，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣起到檢測作用。圖（b）是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時(shí)，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時(shí)則接收不到。光電開關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。◆用光電開關(guān)檢測物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號有“高-低”（1-0）之分即可。◆光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。1.3光電開關(guān)及光電斷續(xù)器

從原理上講，光電開關(guān)及光電斷續(xù)器沒有太大的差別，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，只是光電斷續(xù)器是整體結(jié)構(gòu)，其檢測距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開關(guān)的檢測距離可達(dá)幾米至幾十米。1.3.1光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)和分類

光電開關(guān)可分為遮斷型和反射型兩大類。遮斷型光電開關(guān)的發(fā)射器和接收器相對安放，軸線嚴(yán)格對準(zhǔn)。當(dāng)有物體在兩者中間通過時(shí)，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信號。遮斷型光電開關(guān)的檢測距離一般可達(dá)十幾米，對所有能遮斷光線的物體均可檢測。反射型光電開關(guān)的發(fā)射器和接收器單側(cè)安裝，當(dāng)有物體在光電開關(guān)面前通過時(shí)，紅外光束被反射回來，接收器接收到紅外線，而產(chǎn)生一個(gè)正脈沖信號。反射型光電開關(guān)的檢測距離一般不超過1m，對暗色物體無法檢測。光電開關(guān)外形1遮斷式光電開關(guān)原理ObjectReceiver

遮斷式光電開關(guān)由相互分離且相對安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測物體位于發(fā)射器和接受器之間時(shí)，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關(guān)信號。被檢測物體光發(fā)射器光接收器遮斷型光電開關(guān)用于人體保護(hù)光電開關(guān)在流水線上的應(yīng)用送料器定區(qū)域式光電開關(guān)咖啡罐流水線運(yùn)行方向罐裝高度檢測儲料倉落料口遮斷式光電開關(guān)（計(jì)數(shù)）光電開關(guān)在產(chǎn)品檢驗(yàn)中的應(yīng)用遮斷型光電開關(guān)用于產(chǎn)品質(zhì)量控制光幕

兩個(gè)柱形結(jié)構(gòu)相對而立，每隔數(shù)十毫米安裝一對發(fā)光二極管和光敏接收管，形成光幕，當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號。接收器

光幕應(yīng)用

當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號，起保護(hù)、預(yù)警等作用。光線被遮斷（報(bào)警）光幕應(yīng)用

三維尺寸檢測寬度測量長度測量高度測量

光幕應(yīng)用木材外形截面積檢測光幕應(yīng)用孔的檢測光幕應(yīng)用糾偏

光幕可檢測出帶材在卷曲過程中的偏移，經(jīng)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)使帶材向正確的方向運(yùn)動（糾偏）。2反射型光電開關(guān)

反射型光電開關(guān)分為兩種情況：反射鏡反射型及被測物漫反射型（簡稱散射型）。

反射鏡反射型光電開關(guān)采用較為方便的單側(cè)安裝方式，但需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對安裝角度的變化不太敏感，有的還采用偏光鏡，它能將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光（波動方向嚴(yán)格一致的光）反射回去，提高抗干擾能力。定區(qū)域反射式光電開關(guān)原理

定區(qū)域式光電開關(guān)有一個(gè)非常確定的檢測區(qū)域，不經(jīng)過該區(qū)域的被測物體不會引起光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號。檢測距離檢測距離反射型光電開關(guān)及反射鏡外形三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身反射鏡反射型光電開關(guān)工作原理反射鏡使用偏光三角棱鏡，能將發(fā)射器發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光反射回去，光接收器表面覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來的偏振光。反射板反射鏡被測物體偏振光發(fā)射光反射鏡反射鏡反射型光電開關(guān)的應(yīng)用

塑料瓶的反射光不是偏振光，不會引起報(bào)警。反射鏡反射型光電開關(guān)的應(yīng)用反射鏡反射型檢測有無物體通過反射鏡反射型光電開關(guān)的應(yīng)用擺放錯(cuò)誤檢測被測物漫反射型光電開關(guān)原理漫反射光線反射光線被檢測物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線

漫反射型光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體。當(dāng)被測物體經(jīng)過該光電開關(guān)時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開關(guān)信號。額定距離智能化自學(xué)習(xí)型光電開關(guān)

常規(guī)反射型光電開關(guān)的動作距離是不變的（與型號有關(guān)），當(dāng)檢測流水線上的漫反射物體時(shí)，必須調(diào)節(jié)安裝距離，十分不方便。自學(xué)習(xí)型光電開關(guān)上設(shè)置了一只閾值開關(guān)，當(dāng)流水線上的被檢測物體到達(dá)光電開關(guān)面前時(shí)，按下閾值開關(guān)數(shù)秒，待“學(xué)習(xí)”指示燈閃亮停止后，內(nèi)部的微處理器就記住了兩者之間的距離，就能在一定的允許范圍內(nèi)，可靠地對之后來到的被檢測物體作出反應(yīng)。當(dāng)流水線上的被檢測品種改變時(shí)，只需再次“學(xué)習(xí)”，而不必調(diào)節(jié)機(jī)械安裝螺絲。

智能化光電開關(guān)的自學(xué)習(xí)過程示意圖閾值開關(guān)學(xué)習(xí)指示燈設(shè)定距離安裝距離1.3.2光電斷續(xù)器

光電斷續(xù)器可分為遮斷型和反射型兩種。遮斷型光電斷續(xù)器也稱為槽式光電開關(guān)，通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)。其發(fā)射器和接收器做在體積很小的同一塑料殼體中，分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，兩者能可靠地對準(zhǔn)，為安裝和使用提供了方便。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生表示檢測到的開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較可靠，較適合高速檢測。反射式光電

斷續(xù)器

光電斷續(xù)器廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線、機(jī)電一體化設(shè)備、辦公設(shè)備和家用電器中。光電斷續(xù)器的發(fā)光二極管可以用直流電驅(qū)動，亦可用40kHz尖脈沖電流驅(qū)動；紅外LED的正向壓降約為1.1~1.3V，驅(qū)動電流控制在20mA以內(nèi)。光電斷續(xù)器外形光電斷續(xù)器示意圖

接收器發(fā)射器槽遮光報(bào)警光電斷續(xù)器的應(yīng)用透明簿膜透明物上的標(biāo)記物檢出

齒盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，光電斷續(xù)器就輸出一個(gè)脈沖。通過脈沖頻率的測量或脈沖計(jì)數(shù)，即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移。光電斷續(xù)器的應(yīng)用n1.4光電傳感器的應(yīng)用

1.4.1光源本身是被測物的應(yīng)用實(shí)例

光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學(xué)單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計(jì)來測量。光電池（外加柔光罩）1.紅外線輻射溫度計(jì)：

紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢。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。紅外線輻射溫度計(jì)外形

紅外線輻射溫度計(jì)用于食品溫度測量在非接觸體溫測量中的應(yīng)用耳溫儀紅外線輻射溫度計(jì)用于人體額溫測量紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測量中的應(yīng)用集成IC溫度測量紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測量中的應(yīng)用利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）溫度采集系統(tǒng)比色式溫度傳感器溫度非接觸測量中的應(yīng)用比色式溫度傳感器采用比色式（雙波段）測溫原理實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)的非接觸測溫，用戶不需知道物質(zhì)的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強(qiáng)，不受窗口玻璃影響，能瞄準(zhǔn),測量小目標(biāo)，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標(biāo)充滿，不需調(diào)焦就可準(zhǔn)確測量。比色溫度計(jì)適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴(yán)重的鋼鐵、焦化和爐窯等應(yīng)用現(xiàn)場。2.熱釋電傳感器在人體檢測、報(bào)警中的應(yīng)用

熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。熱釋電元件外形熱釋電傳感器簡介

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。比如：在房間無人時(shí)會自動停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)；電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機(jī)的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應(yīng)用；攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動記錄動物或人的活動等等……

熱釋電傳感器工作原理

熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個(gè)不大的視場角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動時(shí)，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。

菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片菲涅爾透鏡外形

傳感器不加菲涅爾透鏡時(shí)，其檢測距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測距離可增加3倍以上。熱釋電套件熱釋電報(bào)警器菲涅爾透鏡Φ5mm接插件熱釋電傳感器應(yīng)用

熱釋電傳感器用于自動亮燈，當(dāng)然也可以用于防盜熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用

智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動調(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著。上下范圍左右范圍煙霧報(bào)警器

無煙霧時(shí)，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧進(jìn)入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報(bào)警信號。

煙霧報(bào)警1.4.2被測物吸收光通量的應(yīng)用實(shí)例1.4.3被測物體反射光通量的應(yīng)用實(shí)例

在沒有煙霧時(shí)，由于紅外對管相互垂直，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。

1.反射式煙霧報(bào)警器

2.光電式轉(zhuǎn)速表

光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉(zhuǎn)速。

n=60(f/p

)

水泵轉(zhuǎn)速測量3.色標(biāo)傳感器

色飽和圖

色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色。人眼