第7章光學(xué)測量傳感器

實用傳感器技術(shù)教程2023/2/61光電效應(yīng)1.2第7章光學(xué)測量傳感器概述7.17.2光敏晶體管7.4光電耦合器7.5光敏電阻1.27.3光纖傳感器7.7CCD傳感器7.8光電池7.62023/2/62光電式傳感器是以光為測量媒介，將被測量的變化所引起的光信號的變化通過光電器件轉(zhuǎn)換成電信號的一類傳感器。它即可用于檢測直接引起光強(qiáng)變化的非電量，如光強(qiáng)、照度、溫度、氣體成分分析等；也可用來檢測能通過一定方式轉(zhuǎn)換為光量變化的一些非電量，如物體的位移、速度、加速度、表面粗糙度等。2023/2/637.1概述光電式傳感器的一般組成結(jié)構(gòu)如圖7-1所示：主要包括光源、光學(xué)通路、光敏元件和測量電路幾個部分。2023/2/64光電式傳感器常用的光源1、熱輻射光源

定義：物體因具有溫度而向外輻射能量的現(xiàn)象稱為熱輻射。一切物體，只要其溫度高于絕對零度，都會向空間發(fā)出一定波長的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。常見的熱輻射光源有白熾燈，鹵鎢燈等。用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普遍，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的發(fā)光范圍：除可見光外、還包含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。2023/2/65熱輻射光源特點1）發(fā)光范圍廣：除可見光外，還包含大量的紅外線和紫外線，當(dāng)需要窄光帶光譜時可以采用濾色片濾除不需要的光譜來實現(xiàn)。2）發(fā)光效率低：發(fā)光能量只有15%左右落在可見光區(qū)域，波長范圍約為0.4~3μm，峰值波長在近紅外區(qū)域，約1~1.5mm。3）熱輻射光源輸出功率大，但對電源的變化響應(yīng)速度慢，因此其調(diào)制頻率一般低于1kHz，不能用于快速的正弦和脈沖調(diào)制。4）由于用鎢絲做燈絲，玻璃做泡殼，因而其具有壽命短、發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，使用電壓高且易碎等缺點。2023/2/66光電式傳感器常用的光源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)象的原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源的光譜不連續(xù)，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的大小等，可以得到所需光譜范圍的輻射源。

低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，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，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。

2023/2/673、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）定義：固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，其實質(zhì)是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能，利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件。如發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和電致發(fā)光屏等。其中應(yīng)用較多的是發(fā)光二極管，制作發(fā)光二極管的材料很多，材料不同，發(fā)出的光的波長不同，從而能夠發(fā)出各種不同顏色的光，發(fā)光二極管常用的材料與發(fā)光波長見表7-1：

2023/2/68發(fā)光二極管常用的材料與發(fā)光波長2023/2/694、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重要特性。激光波長從0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個光頻波段范圍。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2023/2/610所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后把光能轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。

光電效應(yīng)按原理又分為以下3種：

1、外光電效應(yīng)：在光線照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。其中，向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料。

2、內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。

7.2光電效應(yīng)2023/2/611

在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）外光電效應(yīng)2023/2/612根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理

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。2023/2/613光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而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；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。2023/2/614內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類：1）光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用下，電子吸收光子能量后引起物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管等。2）光生伏特效應(yīng)

在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池等。

2023/2/6157.3光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是利用半導(dǎo)體光敏材料制成的一類光電器件，其作用原理基于光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)無光照時，光敏電阻具有極高的阻值；當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照射時，其電阻阻值降低，光線越強(qiáng)，電阻值越低，當(dāng)光照停止后，其電阻阻值在一段時間后恢復(fù)原值。2023/2/616

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，是利用半導(dǎo)體光敏材料制成的一類光電器件，其作用原理基于光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)無光照時，光敏電阻具有極高的阻值；當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照射時，其電阻阻值降低，光線越強(qiáng)，電阻值越低，當(dāng)光照停止后，其電阻阻值在一段時間后恢復(fù)原值。7.3光敏電阻2023/2/6177.3光敏電阻當(dāng)在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻是一個純電阻器件，沒有極性，因而使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。制造光敏電阻的材料一般由金屬的硫化物、硒化物、碲化物等組成。由于光電導(dǎo)效應(yīng)只限于光照的表面薄層，因此光敏材料一般都做成薄層。同時為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，如圖7-2a所示：為了避免外來干擾，光敏電阻外殼的入射孔上蓋有一種能透過所要求光譜范圍光的透明保護(hù)窗（如玻璃），同時為了避免光敏電阻的靈敏度受潮濕等因素的影響，通常將光敏材料嚴(yán)密封裝在金屬殼中。2023/2/618光敏電阻外觀符號及接線圖

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2.光敏電阻的主要參數(shù)

1）亮電阻：是指光敏電阻器受到光照射時的電阻值。2）暗電阻：是指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時的電阻值。3）最高工作電壓：是指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。4）亮電流：是指在有光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。7.3光敏電阻2023/2/6205）暗電流：是指在無光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。6）光電流：在一定外加電壓下亮電流與暗電流之差。7）時間常數(shù)：是指光敏電阻器的光電流從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63%時所需的時間。8）溫度系數(shù)：是指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1℃時，其電阻值的相對變化。9）靈敏度：是指光敏電阻器在有光照射和無光照射時電阻值的相對變化。2023/2/621

3.光敏電阻的基本特性

(1)在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。圖7-3為硫化鎘光敏電阻在不同照度下的伏安特性曲線。2023/2/622圖7-3硫化鎘光敏電阻的伏安特性2023/2/6231）光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U曲線為斜率不同的直線，說明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓電流無關(guān)。2）光敏電阻兩端電壓不能過高，因為光敏電阻有最大額定功率（如圖7-3中的500mW功率曲線）限制，當(dāng)光敏電阻兩端的電壓和電流超過最大允許工作電壓和最大額定電流時，可能導(dǎo)致光敏電阻的永久性損壞。2023/2/624（2）光照特性在一定的外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量之間的關(guān)系稱為光敏電阻的光照特性。材料不同，光照特性也不同，絕大多數(shù)光敏電阻的光照特性都是非線性的，這也決定了光敏電阻作為定量檢測元件使用的機(jī)會不多，這是光敏電阻的不足之處，一般常用作自動控制系統(tǒng)中的光電開關(guān)。圖7-4為硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線。2023/2/625圖7-4硫化鎘光敏電阻的光照特性2023/2/626（3）光譜特性光敏電阻的相對靈敏度與入射光波長的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。光敏電阻對不同波長的入射光有著不同的靈敏度。圖7-5為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性，可以看出：對應(yīng)于不同的入射光波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。

2023/2/627圖7-5光敏電阻的光譜特性2023/2/628

（4）頻率特性

實驗證明：光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)的改變而立刻變化，稱為光電馳豫現(xiàn)象，這是它的缺點之一。不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數(shù)（從幾十毫秒到幾百毫秒），因而它們的頻率特性也各不相同。當(dāng)光敏電阻在光照快速變化的場合應(yīng)用時，要考慮其頻率特性的影響。圖7-6為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性，縱軸S表示相對靈敏度，從圖中可以看出，硫化鉛的使用頻率范圍相對較大。光敏電阻的響應(yīng)時間除了與元件的材料有關(guān)，還與光照的強(qiáng)弱有關(guān)，光照越強(qiáng)，響應(yīng)時間越短。2023/2/629圖7-6光敏電阻的頻率特性2023/2/630（5）溫度特性光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大。當(dāng)使用環(huán)境溫度變化較大時，會影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，同時光敏電阻的靈敏度和暗電阻也會隨之改變，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7-7為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線，其峰值響應(yīng)隨著溫度的上升而向波長短的方向移動。故硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用，而對于可見光范圍的光敏電阻，溫度對其影響相對要小一些。

2023/2/631圖7-7硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性2023/2/632光敏電阻器的分類和常用型號（1）按光敏電阻器的制作材料分類光敏電阻按其制作材料不同分為多晶光敏電阻和單晶光敏電阻，還可細(xì)分為硫化鎘光敏電阻、硒化鎘光敏電阻、硫化鉛光敏電阻、硒化鉛光敏電阻、銻化銦光敏電阻等。2023/2/633（2）按光譜特性分類

光敏電阻按其光譜特性可分為可見光光敏電阻、紫外光光敏電阻和紅外光光敏電阻。可見光光敏電阻器主要對可見光敏感：常見的有硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于可見光范圍的各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門，光控?zé)艉推渌彰飨到y(tǒng)的自動亮滅控制等，洗手間自動給水和自動停水裝置，機(jī)械上的自動保護(hù)裝置和“位置檢測器”，照相機(jī)的自動測光裝置等方面。紫外光光敏電阻器主要對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘等光敏電阻器，主要用于紫外線的探測。紅外光光敏電阻器主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測、非接觸測量、人體病變探測等國防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。2023/2/634常用光敏電阻器的命名規(guī)則及型號2023/2/635常用光敏電阻器的命名規(guī)則及型號2023/2/636光敏電阻器性能檢測首先把萬用表撥到R×1kΩ檔，把光敏電阻的受光面與入射光線保持垂直，這時在萬用表上測得的電阻就是亮阻。再把光敏電阻置于完全黑暗的場所，此時用萬用表所測出的電阻就是暗阻。如果亮阻為幾千歐至幾十千歐，暗阻為幾兆歐至幾十兆歐，則說明光敏電阻性能良好。亮阻與暗阻阻值相差越大，則光敏電阻器靈敏度越高。2023/2/637光敏電阻器的應(yīng)用1.簡易光控?zé)羝涔ぷ髟頌椋汉仙祥_關(guān)S1，當(dāng)有一定強(qiáng)度的光照射光敏電阻時，其阻值迅速減小（約幾十千歐），三極管VT1的基極電壓被拉低而處于截止?fàn)顟B(tài)，而此時VT2的基極電壓升高，VT2截止，此時LED熄滅；當(dāng)光敏電阻所受光照小于一定值時，其阻值增大（約幾兆歐），此時VT1的基極電壓升高并使其導(dǎo)通，而VT2的基極電壓降低，VT2導(dǎo)通，LED發(fā)光。2023/2/638光敏電阻器的應(yīng)用2.照相機(jī)電子快門2023/2/639光敏電阻器的應(yīng)用3.光控閃爍安全警示燈2023/2/640光敏電阻器的應(yīng)用4.心臟跳動次數(shù)的光電傳感器測量2023/2/6412023/2/6425.煤氣爐熄火檢測報警裝置2023/2/643光敏電阻特點及使用注意事項1.光敏電阻優(yōu)點1）光譜響應(yīng)范圍寬。根據(jù)光電導(dǎo)材料的不同，光譜響應(yīng)可從紫外光、可見光、近紅外擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外，尤其對紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度。2）工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。3）所測光強(qiáng)范圍寬，既可測強(qiáng)光也可測弱光。4）靈敏度高，光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小則性能越好，即靈敏度越高。5）無極性之分，使用方便。2023/2/644光敏電阻特點及使用注意事項2.光敏電阻缺點1）光電馳豫過程較長，頻率響應(yīng)很低。2）型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開關(guān)式光電信號的傳感元件。2023/2/645光敏電阻特點及使用注意事項3.光敏電阻使用注意事項1）使用中不要超過最大光電流和最高功率，必要時要控制入射光的輻射通量以限制光電流，尤其在高溫下使用時更要注意限制光電流大小，防止燒壞器件。2）高溫環(huán)境下盡量選擇玻璃和金屬封裝的光敏電阻。3）新光敏電阻的光電性能如果不穩(wěn)定，可以進(jìn)行人工老化處理，使其性能更加穩(wěn)定。2023/2/6467.4光敏晶體管光敏晶體管指的是光敏二極管和光敏三極管，都是電子電路中常用的光敏器件，文字符號分別為“VD”和“VT”，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏二極管和光敏三極管都是很好的光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，與前面講過的光敏電阻相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點。2023/2/6477.4.1光敏晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理1.光敏二極管結(jié)構(gòu)和工作原理2023/2/6482.光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理2023/2/6497.4.2光敏晶體管參數(shù)和特性1.光敏二極管主要參數(shù)1）最高反向工作電壓VRM：是指光敏二極管在無光照的條件下，反向漏電流不大于0.1μA時所能承受的最高反向電壓值。2）暗電流ID：是指光敏二極管在無光照及最高反向工作電壓條件下的漏電流。暗電流越小，光敏二極管的性能越穩(wěn)定，檢測弱光的能力越強(qiáng)。3）光電流IL：是指光敏二極管在受到一定光照時，在最高反向工作電壓下產(chǎn)生的電流。其測量的一般條件是：2856K色溫的鎢絲光源，照度為10001x。2023/2/6504）光電靈敏度：是反映光敏二極管對光敏感程度的一個參數(shù)，用在每微瓦的入射光能量下所產(chǎn)生的光電流來表示，單位為μA/μW。5）響應(yīng)時間：是指光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號所需要的時間。響應(yīng)時間越短，說明光敏二極管頻率特性越好。6）正向壓降VF：是指光敏二極管中通過一定大小正向電流時，其兩端產(chǎn)生的壓降。7）結(jié)電容Cj：指光敏二極管PN結(jié)的電容。結(jié)電容是影響光電響應(yīng)速度的主要因素。結(jié)面積越小，結(jié)電容也就越小，工作頻率也越高。2023/2/6512.光敏三極管主要參數(shù)

1）最高工作電壓Umax：最高工作電壓是指在無光照狀態(tài)下，e、c極間漏電流不超過規(guī)定值（約0.5）時，光敏三極管所允許施加的最高工作電壓，一般在10V-50V之間。

2）暗電流：在無光照的情況下，集電極與發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時，流過集電極的反向漏電流稱為光敏三極管的暗電流，通常小于1。

3）光電流：在規(guī)定光照下，當(dāng)施加規(guī)定的工作電壓時，流過光敏三極管的電流稱為光電流，光電流越大，說明光敏三極管的靈敏度越高，通常能達(dá)到幾個mA。

4）最大允許功耗：指光敏三極管在不損壞的前提下所能承受的最大功耗。2023/2/6525）集電極-發(fā)射極擊穿電壓VCE：在無光照下，集電極電流IC為規(guī)定值時，集電極與發(fā)射極之間的電壓降稱為集電極-發(fā)射極擊穿電壓。6）峰值波長λp：當(dāng)光敏三極管的光譜響應(yīng)為最大時對應(yīng)的波長稱為峰值波長。7）光電靈敏度：在給定波長的入射光輸入單位光功率時，光敏三極管管芯單位面積輸出光電流的強(qiáng)度稱為光電靈敏度。8）響應(yīng)時間：響應(yīng)時間指光敏三極管對入射光信號的反應(yīng)速度，一般為S。2023/2/6533.光敏晶體管的特性（1）光譜特性光敏晶體管的光譜特性是指在一定照度時，輸出的光電流（或用相對靈敏度S表示）與入射光波長的關(guān)系。硅和鍺光敏二（三）極管的光譜特性曲線如圖7-18所示。

2023/2/6542023/2/655（2）伏安特性圖7-19a為硅光敏二極管的伏安特性曲線，橫坐標(biāo)表示所加的反向偏壓。當(dāng)有光照時，反向電流隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，在不同的照度下，其伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒達(dá)到飽和值，它的輸出實際上不受偏壓大小的影響。圖7-19b為硅光敏三級管的伏安特性曲線，縱坐標(biāo)為光電流，橫坐標(biāo)為集電極-發(fā)射極電壓。從圖7-19可見，由于晶體管的放大作用，在同樣照度下，其光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍。

2023/2/6562023/2/657（3）頻率特性光敏晶體管的頻率特性是指光敏晶體管輸出的光電流（或相對靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，普通光敏二極管頻率響應(yīng)時間達(dá)10μs。光敏三級管的頻率特性主要受負(fù)載電阻的影響，響應(yīng)速度比光敏二極管低一個數(shù)量級，圖7-20為硅光敏三級管的頻率特性，通過減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)范圍，但輸出電壓大小同時也變小。

2023/2/658圖7-20光敏晶體管的頻率特性2023/2/659（4）溫度特性溫度特性是指光敏晶體管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。溫度變化不僅影響光敏晶體管的靈敏度，同時對其光譜特性也有影響，光敏晶體管溫度特性曲線如圖7-21所示：從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流影響較小(圖b)，而對暗電流影響很大(圖a)。

2023/2/6602023/2/6617.4.3常用光敏晶體管型號和參數(shù)2023/2/6622023/2/6632023/2/6647.4.4光敏晶體管好壞及引腳判斷方法1.光敏二極管和光敏三極管的區(qū)分光敏二極管和大部分光敏三極管外殼形狀基本相同，顏色為黑色，判別管子類型時可以用黑布遮住感光窗口，選擇指針式萬用表“R×1k”檔測量兩管腳引線間的正反向電阻，均為無窮大的是光敏三極管，一大一小的是光敏二極管。2023/2/6652.管腳極性及性能檢測（1）光敏二極管檢測方法1)從外觀上識別：光敏二極管外觀顏色為黑色，管腳較長的是正極，較短的是負(fù)極，另外，在光敏二極管的管體頂端有一個小斜切平面，通常帶有此斜切平面的一端為負(fù)極。2)電阻測量法：選擇指針式萬用表“R×1k”檔測量光敏二極管正反向電阻，正常時阻值一大一小，以阻值較小一次為準(zhǔn)，紅表筆所接管腳為負(fù)極，黑表筆為正極。2023/2/6663)數(shù)字萬用表測量法：用數(shù)字萬用表檢測紅外線接收管是很方便的。將擋位開關(guān)置于“二極管擋”，黑表筆接負(fù)極、紅表筆接正極時的壓降值應(yīng)為0.45～0.65V，對調(diào)表筆后，屏幕顯示的數(shù)字應(yīng)為溢出符號“OL”或“1”。2023/2/667（2）光敏三極管檢測方法1）光敏三極管管腳較長的是發(fā)射極，較短的是集電極?；蛘哂眉t黑表筆測量光敏三極管的兩根引腳，然后把紅黑表筆對調(diào)繼續(xù)測量，兩次測量中阻值較小的那次，黑表筆接的是光敏三極管的“C”極，紅表筆接的是“E”極。2）電阻測量法用萬用表“R×1K”檔，紅表筆接光敏三極管的發(fā)射極，黑表筆接集電極。無光照時，指針微動并接近∞；有光照時，應(yīng)隨光照的增強(qiáng)，其電阻變小，可達(dá)1kΩ以下。若黑表筆接光敏三極管的發(fā)射極，紅表筆接集電極，無光照時，電阻為∞；有光照時，電阻為∞或指針微動。2023/2/6683）數(shù)字萬用表法將數(shù)字萬用表檔位開關(guān)置于“R×20K”擋（或電阻自動擋），紅表筆接集電極，黑表筆接發(fā)射極，有光照時，屏幕顯示的壓降值應(yīng)在10kΩ以下；無光照時，屏幕顯示的數(shù)字應(yīng)為溢出符號“OL”或“1”。2023/2/6697.4.5光敏晶體管的應(yīng)用1.光敏二極管的應(yīng)用（1）光敏二極管反偏壓狀態(tài)（光導(dǎo)模式）

2023/2/670（2）光敏二極管零偏壓狀態(tài)（光伏模式）2023/2/6712.光敏三級管的應(yīng)用2023/2/6722023/2/6737.4.6光敏晶體管的特點及應(yīng)用注意事項光敏二極管的光電流小，輸出特性線性度好，響應(yīng)時間快；可與可見光、遠(yuǎn)紅外光光源配合使用。光敏三極管的光電流大，輸出特性線性度較差，響應(yīng)時間慢。一般要求靈敏度高，工作頻率低的開關(guān)電路，選用光敏三極管，而要求光電流與照度成線性關(guān)系或要求在高頻率下工作時，應(yīng)采用光敏二極管。無論光敏二極管或光敏三極管，它們不僅對紅外線敏感，對較強(qiáng)的日光和燈光也有作用，當(dāng)光照過強(qiáng)時會使放大電路輸出飽和而失控，應(yīng)加紅色有機(jī)玻璃濾光，以減少環(huán)境光所造成的影響。同時光敏晶體管的工作條件不要超過規(guī)定的最大極限參數(shù)，使用中要控制光照強(qiáng)度，以使通過光敏晶體管的光電流不超過最大限額。此外由于光敏晶體管的靈敏度與入射光的方向有關(guān)，應(yīng)盡量保持光源和光敏晶體管的位置不變。2023/2/6747.5光電耦合器

光電耦合器OC(opticalcoupler)，亦稱光電隔離器，簡稱光耦，它是把發(fā)光器件和光敏器件同時封裝在一個外殼內(nèi)，以光為媒介把輸入端的電信號耦合到輸出端的一種器件。光電耦合器大致分為兩類：一類是光隔離器，它是把發(fā)光器件和光敏器件對置在一起構(gòu)成的，能夠完成電信號的耦合、放大和傳遞。2023/2/675光隔離器的結(jié)構(gòu)原理如圖7-28所示。當(dāng)輸入電信號加到輸入端發(fā)光器件上時，發(fā)光器件在電信號的作用下發(fā)光，光敏器件接收到該光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后將電信號直接輸出（如圖a），或者將電信號放大處理成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電平輸出（如圖中b、c、d），這樣就實現(xiàn)了“電－光－電的轉(zhuǎn)換及傳輸，因為光是整個電路傳輸?shù)拿浇?，因而輸入端與輸出端在電氣上是絕緣的，也稱為電隔離。

2023/2/676另一類是光傳感器，有反光式和遮光式兩種，圖7-29所示的光電耦合器即屬于此類。用光傳感器可以測量物體的有無、個數(shù)和距離等物理量。2023/2/6777.5.2光電耦合器主要參數(shù)1）正向壓降VF：二極管通過的正向電流為規(guī)定值時，正負(fù)極之間所產(chǎn)生的電壓降。2）正向電流IF：在被測管兩端加一定的正向電壓時二極管中流過的電流。3）反向電流IR：在被測管兩端加規(guī)定反向工作電壓VR時，二極管中流過的電流。4）反向擊穿電壓VBR：被測管通過的反向電流IR為規(guī)定值時，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。5）結(jié)電容CJ：在規(guī)定偏壓下，被測管兩端的電容值。6）反向擊穿電壓V(BR)CEO：發(fā)光二極管開路，集電極電流IC為規(guī)定值時集電極與發(fā)射極間的電壓降。

2023/2/6787）輸出飽和壓降VCE(sat)：發(fā)光二極管工作電流IF和集電極電流IC為規(guī)定值時，并保持IC/IF≤CTRmin時（CTRmin在被測管技術(shù)條件中規(guī)定）集電極與發(fā)射極之間的電壓降。8）反向截止電流ICEO：發(fā)光二極管開路，集電極至發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時，流過集電極的電流為反向截止電流。9）電流傳輸比CTR：輸出管的工作電壓為規(guī)定值時，輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之比為電流傳輸比CTR。10）脈沖上升時間tr、下降時間tf：光電耦合器在規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流IF大小的脈沖波，輸出端管則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸出脈沖前沿幅度的10%到90%所需時間為脈沖上升時間tr，從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%所需時間為脈沖下降時間tf。2023/2/67911）傳輸延遲時間tPHL、tPLH：光耦合器在規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流IF的脈沖波，輸出端則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸入脈沖前沿幅度的50%到輸出脈沖電平下降到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間tPHL。從輸入脈沖后沿幅度的50%到輸出脈沖電平上升到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間tPLH。12）入出間隔離電容CIO：光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值。13）入出間隔離電阻RIO：光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。14）入出間隔離電壓VIO：光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。

2023/2/6807.5.3常用光電耦合器型號及參數(shù)2023/2/6812023/2/6827.5.4光電耦合器好壞及性能檢測1.指針式萬用表法利用指針式萬用表R×100或R×1K檔測量發(fā)光二極管的正反向電阻，通常正向電阻為幾百歐姆，反向電阻為幾千歐姆或幾十千歐姆，如果測量的正反向電阻阻值非常接近，則表明發(fā)光二極管性能欠佳或者已損壞。檢查時要注意不要用R×10K電阻檔測量，因為此時萬用表電池電壓為9V～15V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)光二極管1.5V～2.3V

的工作電壓，從而導(dǎo)致發(fā)光二極管被擊穿。然后分別測量接收光敏三極管的集電極和發(fā)射極的正反向電阻，其阻值均應(yīng)是無窮大，否則說明光敏三極管已經(jīng)損壞。再用R×10K檔檢查發(fā)射管與接收管之間的絕緣電阻，應(yīng)為無窮大。2023/2/6837.5.4光電耦合器好壞及性能檢測２.數(shù)字萬用表檢測法

2023/2/6847.5.4光電耦合器好壞及性能檢測３.光電效應(yīng)判斷法

2023/2/6857.5.5光電耦合器件的應(yīng)用1.在邏輯電路上的應(yīng)用

光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此，由它構(gòu)成的邏輯電路更為可靠。圖7-32電路為“與門”邏輯電路，其邏輯表達(dá)式為L=AB，圖中兩只光敏三級管串聯(lián)，只有當(dāng)輸入邏輯電平A=1、B=1時，輸出L=1，同理，還可以組成“或門”、“與非門”、“或非門”等邏輯電路。2023/2/6867.5.5光電耦合器件的應(yīng)用2.作為固體開關(guān)應(yīng)用

2023/2/6877.5.5光電耦合器件的應(yīng)用3．起隔離作用

2023/2/6887.5.5光電耦合器件的應(yīng)用使用光耦隔離需注意以下幾個問題：1）光耦直接用于隔離傳輸模擬量時，要考慮光耦的非線性問題。2）光耦隔離傳輸數(shù)字量時，要考慮光耦的響應(yīng)速度問題。3）如果輸出有功率要求的話，還要考慮光耦的功率接口設(shè)計問題。4）在光耦的輸入輸出部分必須分別采用獨立的電源，若兩端公用一個電源，則光耦的隔離作用將失去意義。5）當(dāng)用光耦來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號進(jìn)行全部隔離，使得被隔離的兩端沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離沒有意義。2023/2/6897.5.5光電耦合器件的應(yīng)用4.在脈沖放大電路中的應(yīng)用光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路，可以將脈沖信號進(jìn)行放大。如圖7-35所示為光耦組成的電壓反饋脈沖放大器的原理圖，其輸出脈沖與輸入脈沖同頻率，脈沖幅值放大倍數(shù)取決于R2和R1的比值和電源電壓。2023/2/6907.5.5光電耦合器件的應(yīng)用5.電平轉(zhuǎn)換

各種集成電路所用的電源電壓是不同的，如在一個系統(tǒng)中用二種材料的集成電路芯片，一起使用時需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。另外各種傳感器的電源電壓有時也難于與集成電路相同，故也需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。圖7-36是CMOS電路電平轉(zhuǎn)到TTL電路電平的電路圖。該電路中輸入的是－20V到0V的脈沖，輸出的是0V到5V的脈沖，前后電路完全隔離的，實現(xiàn)了不同電平標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換。2023/2/6917.6光電池光電池是一種用途很廣的光敏器件，其優(yōu)點是體積小、重量輕、壽命長、性能穩(wěn)定、光照靈敏度較高、光譜響應(yīng)頻帶較寬且本身不耗能，是小型化、微功耗儀器中常用的換能器件。當(dāng)光電池受到光照時不需要外加其它形式的能量即可產(chǎn)生電流輸出，電流大小反應(yīng)了光照強(qiáng)度大小。2023/2/6927.6.1光電池原理與結(jié)構(gòu)1.光電池原理2023/2/6932.光電池結(jié)構(gòu)光電池實質(zhì)是一個大面積的PN結(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖7-37a所示，上電極為柵狀受光電極，柵狀電極下涂有抗反射膜，用以增加透光，減小反射，下電極是一層襯底鋁。當(dāng)光照射PN結(jié)的一個面時，由此產(chǎn)生的電子空穴對迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場作用下建立一個與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢，一般可產(chǎn)生0.2V～0.6V電壓，約50mA左右大小電流。2023/2/6943.光電池電路符號與外觀

2023/2/6957.6.2光電池特性及參數(shù)1.光譜特性圖7-40可見，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，在人眼的視覺范圍內(nèi)，因此適宜測量可見光。硅光電池應(yīng)用的光譜范圍是400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，其光譜應(yīng)用范圍比硒光電池的更寬。

2023/2/6962.光照特性2023/2/6972023/2/6983.頻率特性光電池的頻率特性是指其輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。從光電池的頻率響應(yīng)曲線（圖7-43）可知，硅光電池頻率響應(yīng)較好而硒光電池較差。2023/2/6994.溫度特性光電池的溫度特性是指其開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖7-44可見，開路電壓與短路電流均隨溫度的變化而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)。2023/2/61007.6.3部分常用光電池的型號參數(shù)2023/2/61017.6.4光電池的應(yīng)用1.太陽能電池電源2023/2/61022．光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用（1）光探測器2023/2/6103（2）光電池作為控制元件的應(yīng)用2023/2/61042023/2/6105光纖——光導(dǎo)纖維，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介質(zhì)材料制成的極細(xì)的纖維，是一種理想的光傳輸線路。光纖傳感器（FiberOpticSensor，F(xiàn)OS）興起于20世紀(jì)70年代，是一類較新的光敏器件，它是利用被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使光波的一些參數(shù)，如強(qiáng)度、頻率、波長、相位、偏振態(tài)等特性產(chǎn)生變化來工作?？梢詼y量位移、加速度、壓力、溫度、磁、聲、電等物理量。7.7光纖傳感器2023/2/61067.7.1光纖傳感器基本理論1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖通常由纖芯、包層及護(hù)套組成。纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體，直徑約為5～150μm。包層的材料也是玻璃或塑料等，但纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2。外套起保護(hù)光纖的作用。較長的光纖又稱為光纜。2.光纖波導(dǎo)的原理2023/2/6107

2.光纖波導(dǎo)的原理

光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)光線以較小的入射角θ1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(即n1＞n2)時(見圖9.2)，則一部分入射光將以折射角θ2折射入介質(zhì)2，其余部分仍以θ1反射回介質(zhì)1。圖7-49光在兩介質(zhì)界面上的折射和反射2023/2/6108依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有

(7-6)當(dāng)θ1角逐漸增大，直至θ1=θc時，透射入介質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?θ2=90°)。對應(yīng)于θ2=90°時的入射角θ1稱為臨界角θc；由式(7-7)則有

(7-7)

由圖(7-48)和圖(7-49)可見，當(dāng)θ1＞θc時，光線將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)(纖芯)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ)。2023/2/6109

同理，由圖7-49和Snell定律可導(dǎo)出光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為

(9-3)上式的sinθi0即為光纖的“數(shù)值孔徑”NA(Numerical

Aperture)，它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無論光源發(fā)射功率多大，只有2θc張角內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖的集光能力愈強(qiáng)。產(chǎn)品光纖通常不給出折射率，而只給出NA。石英光纖的NA=0.2～0.4。2023/2/61107.7.2光纖傳感器分類2023/2/61117.7.3光纖傳感器應(yīng)用1反射式光纖位移傳感器2023/2/61127.7.3光纖傳感器應(yīng)用2023/2/61137.7.3光纖傳感器應(yīng)用2.光纖液位傳感器2023/2/6