15-光电式传感器_电子电路_工程科技_专业资料

第8章 光电式传感器
概述
光电式传感器是将光通量转换 为电量的一种传感器，光电式传感器的 基础是光电转换元件的光电效应。 由于光电测量方法灵活多样，可测 参数众多，具有非接触、高精度、高可 靠性和反应快等特点，使得光电传感器 在检测和控制领域获得了广泛的应用。
原理：
光源
光学通路 被测量
光电器件
输出
图8-9 NPN型光敏三极管结构简图和基本电路
◆ 图为NPN型光敏三极管的结构简图和基本电路。大多
数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于 发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏 压；当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子 -空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电 流。由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电 流的β
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线
（5）光敏电阻的响应时间和频率特性
◆实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有 一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导 的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停 止光照起到电流下降到原来 的63%所需的时间，因此，t 越小，响应越迅速，但大多
数光敏电阻的时间常数都较
大,这是它的缺点之一。
光敏电阻的频率特性
光敏二极管和光敏三极管
图8-7 光敏二极管的结构原理
◆光敏二极管的结构与一般二极管相似源自它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接 受到光照射（见图a）。光敏二极管在电路中一般 是处于反向工作状态（见图b），在没有光照射时， 反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为 暗电流。

（5）伏安特性：在一定照度下，光电流I与光敏元件 两端的电压U的关系 称为伏安特性。 （6）频率特性： 在相同的电压和相同幅值的光强度 下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏 元件输出的光电流I和灵敏度S随调制频率f变化的关 系： 、 称为频率特性。 （7）温度特性： 环境温度变化后，光敏元件的光学 性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。

光电式传感器
.
1
引言
光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成 光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光 信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感 器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、 非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应 快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随 着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继 问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得 到了更广泛的应用。
.
15
光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
2020/12/6
.
16
（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数。
光敏电阻的伏安特性。
I(mA)
6 5 4 3 2 1
0
硫化铅 硫化铊 UV
50 100
光敏电阻的伏安特性
2020/12/6
.
17
光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光谱特性 。
2020/12/6
12
9.1.3 内光电效应器件
光电倍增管的主要参数
（1）倍增系数M。
（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总 灵敏度。
放大倍数
106 105 104 103
2020/12/6
25 50 75 100 125 150
.
极 间 电 压 （ V）
13
1．光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是一种均质半导 体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响 应范围宽、体积小、重量轻、机械强度 高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和 寿命长等特点
2020/12/6
.
21
（1）光敏晶体管结构与工作原理
0.8
.
1.0 波长(m)
9
9.1.2 外光电效应器件

光电式传感器的Байду номын сангаас类
• 总结词：光电式传感器有多种分类方式，如按工作方式可分为直接转换 型和间接转换型，按输出信号可分为模拟输出和数字输出等。
• 详细描述：根据工作方式的不同，光电式传感器可以分为直接转换型和间接转换型两类。直接转换型传感器利用光电效 应直接将光信号转换为电信号，如光电管、光电倍增管等；而间接转换型传感器则通过其他物理效应将光信号转换为电 信号，如光电池、光电晶体管等。此外，根据输出信号的不同，光电式传感器可以分为模拟输出和数字输出两类。模拟 输出型传感器输出连续变化的电信号，如光电管和光电池；数字输出型传感器则输出离散的电信号，如光电码盘和光电 开关等。
联网领域的应用越来越广泛。未来，需要加强光电式传感器在这些领域
的应用研究，推动相关技术的进步和发展。
03
交叉学科融合发展
光电式传感器涉及到多个学科领域，如物理学、化学、生物学等。未来
，需要加强交叉学科的融合发展，推动光电式传感器在更多领域的应用
和创新。
光电式传感器通常采用光信号传输，不易 受到电磁干扰的影响，具有较好的抗干扰 能力。
光电式传感器的缺点
对环境光敏感
光电式传感器容易受到环境光的影响 ，特别是在室外或者强光环境下，测 量精度会降低。
成本较高
光电式传感器通常需要使用高精度的 光学元件和电子元件，导致其成本较 高。
需要稳定的光源和检测器
光电式传感器需要稳定的光源和检测 器，以保证测量的准确性和稳定性。
《光电式传感器 》PPT课件
目录
• 光电式传感器概述 • 光电式传感器的应用 • 光电式传感器的优缺点 • 光电式传感器的发展趋势 • 光电式传感器的研究现状与展望
01

•（3）光谱特性
•
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有
选择性。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之
间的关系叫光电管的光谱特性。如图9-4（d）所示。
9-4 (a)真空光电 管的伏安特性 (b) 充气光电管的伏安 特性
•光电倍增管的基本特性参数主要有以下几个方面：
•数（，1）它倍反增映系倍数增M极。收M集电c子n的效率。 ，其中 c为收集系
般是3~6。
•2.特性
•光电管的基本特性主要有以下几个方面：
•（1）光电特性
•
光电特性表示当阳极电压一定时，阳极电流I与入射在
阴极上光通量φ之间的关系。如图9-3（a）为真空光电管的
光电特性；图9-3（ b ）为充气光电管的光电特性。
•（2）伏安特性
•
当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的
电压同光电流的关系。如图9-4（c）所示。
图9-23 光敏电阻开 关电路
四、光敏晶体管的测量电路
图9-24所示为光敏三极管的开关电路。 VT1为光敏三极管，当有光照时， 光电流增加咀导通，作用到Vη和VT4组成的射极藕合放大器，使输出电压U 就为高电平，反之输出电压低电平，这样输出脉冲可送至计数器，以便进 行一些开关量如转速、时间间隔等量的测量。
•（4）光敏电阻的光谱特性 光敏电阻对于不同波长的入射 光，其相对灵敏度Kr是不同的。各种不同材料的光谱特性曲线 如图9-8所示。从图中可以看出，硫化镉的峰值在可见光区域， 而硫化铅的峰值在红外光区域，因此在选择光敏电阻时，应 当把元件和电源结合起来考虑，才能获得满意的结果。
•（5）光敏电阻的频率特性 在使用光敏电阻时，应当注 意它的光电流并不是随光强改变而立刻作相应的变化，而是 具有一定的惰性，图9-9为两种不同材料的光敏电阻的频率特 性，即相对灵敏度Kr与光强度变化频率间的关系曲线。 •（6）光敏电阻的光谱温度特性 如图9-10所示。

编辑ppt
20
I（mA） 12 10 8
6
4
2
100/µlm 80 60 40 20
0 50
100
150 UAD(V)
图6—7 光电倍增管伏安特性
编辑ppt
21
三、光电倍增管光电特性
光电倍增管光电特性是指阳极电流（光电流）IA与光 电阴极接收到的光通量之间的关系。典型光电倍增管 的光电特性如图6—8所示。图中光通量Φ在10-4~1013流明之间，光电特性曲线偏离线性不超过3%。当光 通量超过10-4流明后，曲线就明显下降了，其主要原 因是强光照射下，较大的光电流使后几级倍增极疲劳， 灵敏度下降。因此，使用时光电流不要超过1mA。
编辑ppt
24
光电倍增管的工作电压是指收集阳极A 与光电阴极K之间的电压。
光电倍增管倍增系数与工作电压的关系 是光电倍增管的重要特性。图6—9是典 型的光电倍增管倍增系数与工作电压的 关系曲线，说明随着工作电压的增加， 倍增系数M也增加。
编辑ppt
25
106 M
105
104 103
102 250 500 750 1000 1250 U（V） 图6—9 光电倍增管倍增系数M 与工作电压U的关系
物质，把光与声音类比，认为光是一种机械波，发光体在“以
太”（不存在）中激起不同深度和大小的颤动，依靠“以太”
传播。牛顿偏向微粒，但他认为实验不充分，一直在做实验，
牛顿环现象是光具有波动性的最好证明。一直到20世纪初，科
学家已肯定光的波粒二象性。
编辑ppt
2
第一节 外光电效应
光的波粒二象性，光具有波动性和离子性的两重性质，是一种 电磁波。光是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子具 有的能量hг正比于光的频率г（h为普朗克常数）。用光照射 某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hг的光子所轰击， 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 称光电效应。

即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物 体表面的现象。
根据外光电效应做出的光电器件有光电管和
光电倍增管。
2020年12月15日
4
光电管
（a)结构
（b)测量电路
图10.3 光电管
2020年12月15日
5
光电倍增管
2020年12月15日
6
内光电效应
内光电效应是指在光线作用下，物体 的导电性能发生变化或产生光生电动 势的现象
40
20
0 400 800 1200 1600
入射光 波长/nm
存在一个最佳灵敏度波长
2020年12月15日
29
(2) 伏安特性
I（mA) 5
4
2500Lx 2000Lx
3
1500Lx
2
1000Lx
1
500Lx
外加电压（V）
0
20 40 60 80
与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特
性202一0年12样月15日。只需把光电流看作基极电流即可。30
9
12
15
18
/ m
图8 – 15 电磁波谱图
记数、有声电影等方面。
2020年12月15日
42
第三节 红外传感器
一、 红外辐射
红外辐俗称红外线，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0.76～1000 μm，红外线在电磁波谱中的位 置如图8-15 所示。工程上又把红外线所占据的波段分 为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。
2020年12月15日
43
/ m
/ cm
10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 10 10－ 1 10

传感器内部组件和信号传输路 径的图解。
发射器和接收器的原理和作用
光电式传感器通常由发射器和接收器组成。发射器发出光信号，接收器接收被物体反射或透过的光信号， 并转换为电信号进行处理和分析。
发射器
发出特定波长的光，并通过透明或反射介质照 射到目标物体上。
接收器
接收被物体反射或透过的光信号，并将其转换 为电信号进行处理和分析。
光电式传感器的响应时间
光电式传感器的响应时间是指从接收到输入信号到输出信号变化的时间。快速响应时间对于实时控制 和测量非常重要。
1
短响应时间
光电式传感器通常具有快速的响应时间，能够即时检测和响应变化。
2
微秒级别
一些高速光电式传感器甚至能够在微秒级别的时间内完成响应。
3
应用领域
广泛应用于高速测量、快速反应控制和精确定位等领域。
用于气体检测、水质监测和灰尘控制。
光电式传感器的特点和优势
高精度
2 非接触式
可提供精确的测量和控制结果。
无需物理接触目标物体，减少磨损和污染。
3 快速响应
具有快速的感应和响应时间。
光电式传感器的原理图解
电路
传感器的工作原理以及与其他 电子设备的连接。
组成
传感器的核心组件和工作流程 的图解。
结构
传感器技术课件-光电式 传感器
本课件将介绍光电式传感器的工作原理、分类、应用场景以及特点和优势。 我们还将讨论光电式传感器的信号处理、响应时间、精度和灵敏度，以及常 见故障与解决方法。
传感器的基本原理
传感器通过感知环境中的物理量、化学量或生物量，并将其转换为可用的信号。基本原理包括电阻、 电容、磁性和光电效应等。
1
电阻

光
管受
电
光照
管
发射
电子
光电管阳极A通过RL与电源连接在管内形成电场。光电管的阴极K受 到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一 定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻RL上产生的 电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极K上的光成函数关 系。如果在玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等)即构成充气光电管。 由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电 子，从而提高光电变换的灵敏度。
12/5/2019
6
典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。
侧窗型光电倍增管（R系列）是从玻璃壳的侧面接收入射光，端窗型光电倍增 管（CR系列）则从玻璃壳的顶部接收射光。
12/5/2019
光电倍增管
9
二.内光电效应
在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体 的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。
22
光电池外形
12/5/2019
光敏面
23
能提供较大电流的大面积光电池外形
12/5/2019
24
光电池在动力方面的应用 太阳能赛车
太阳能硅光电池板
太阳能电动机模型
12/5/2019
25
光电池在动力方面的应用（续） 太阳能发电
12/5/2019
26
光电池在动力方面的应用（续） 光电池在人造卫星上的应用
激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性 好等优点，是很理想的光源。
12/5/2019
33
4.7.4
光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使 用，以光作为媒介传递信号的光电器件。 光电耦合器中的发光元 件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏 二极管、光敏三极管或光耦合器等。 根据其结构和用途不同，又 可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电 开关。

565,680 900 920
材料 CuSe-ZnSe ZnxCd1-xTe GaAs1-xPx
InPxAs1-x InxGa1-xAs
波长/nm 400～630 590～830 550～900 910～3150 850～1350
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓 曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不
c
hc Eg
价带
价电子所占能带
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
２）．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方 向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二 极管、三极管。
① 势垒效应（结光电效应）
光照射PN结时，若h≧Eg，使价带中的电子跃迁
到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用
7.1 概 述 1 光的特性 光波是波长为10~106nm的电磁波。
紫外光 可见光
红外光
10 nm 380 nm 780 nm
1000,0Байду номын сангаас0 nm
性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和
吸收等性质。
1905年，爱因斯坦提出了光
子假设：光在空间传播时，
是不连续的，也具有粒子性，
即一束光是一束以光速运动
（3）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激 光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大 特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效 率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作 用。
（4）半导体激光器 与前几种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光 器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单， 适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带。 其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择 的波长主要局限在红光和红外区域。

（4）开关式光电传感器
①工作原理：在开关式光电 传感器的光源与光敏器件 间的光路上，有物体时， 光路被切断；没有物体时， 光路畅通，光敏器件上表 示出有光就有电信号，无 光则无电信号，即仅为“0” 和“1”的两种开关状态。
②使用形式：开关、计数、 编码
光路
光路由光学元件组成 光学元件有透镜、滤光片、光阑、光契、棱镜、反
即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的 现象。
根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增 管。
1、光电管及其基本特性
（1）结构及工作原理 ①真空光电管：由一个阴极 （K极）和一个阳极（A极） 组成，且密封在一只真空玻璃 管理面。在阴极和阳极之间加 有一定的电压，且阳极为正极、 阴极为负极。当光通过光窗照 在阴极上时，光电子就由阴极 发射出去，在阴极和阳极之间 的电场作用下，光电子在极间 作加速运动，被高电位的中央 阳极收集形成光电流。光电流 的大小主要取决于阴极灵敏度 和入射光辐射的强度。 ②充气光电管：结构与真空光 电管相同，只是管内充有少量 的惰性气体如氩或氖。
2、光电倍增管及其基本特性
（1）结构与工作原理：主要由光阴极、次阴极（倍增极） 以及阳极三部分组成。阳极是最后用来收集电子的，它输出 的是电压脉冲。光电倍增管是灵敏度极高、响应速度极快的 光探测器，其输出信号在很大范围内与入射光子数成线性关 系。
工作电路如右图所示：使用时在各个倍增 管上均加电压。阴极电压最低，从阴极开始， 各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。 同时这些倍增电极用次级发射材料制成，这种 材料在具有一定能量的电子轰击下，能够产生 更多的“次级电子”。
光电池结构、符号
硼扩散层
P型电极 （SiO2膜）
接线点 ＋