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第10章光电式传感器第1页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第1010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器主要内容：主要内容：10.1 10.1 光电效应光电效应 10.2 10.2 光电器件光电器件光电器件光电器件 光电管光电管、光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管、光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、光电晶体管、光电晶体管、光电晶体管、光电晶体管、光电池光电池光电池光电池、其他光电器件、其他光电器件、电荷耦合器电荷耦合器电荷耦合器电荷耦合器 10.3 10.3 光栅式传感器光栅式传感器光栅式传感器光栅式传感器 第2页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第1010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器概述概述 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件。光敏器件。光敏器件。光敏器件种类很多，如：光敏器件种类很多，如：光敏器件种类很多，如：光敏器件种类很多，如：光电管、光电管、光电管、光电管、光敏二极管、光敏二极管、光敏二极管、光敏二极管、光电倍增管、光电倍增管、光电倍增管、光电倍增管、光敏三极管、光敏三极管、光敏三极管、光敏三极管、光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、光电池、光电池、光电池、光电池、光电耦合器、光电耦合器、光电耦合器、光电耦合器、光纤等等。光纤等等。光纤等等。光纤等等。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。第3页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器概述概述 指纹锁指纹锁门禁门禁光光电电鼠鼠标标第4页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器概述概述 料料位位自自动动控控制制光电开关第5页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器概述概述 光栅光栅光纤光纤光电管光电管光敏电阻光敏电阻第6页，共81页，编辑于2022年，星期一 10.1 10.1 光电效应光电效应 第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 传传统统的的光光敏敏器器件件利利用用各各种种光光电电效效应应，光光电效应可分为：电效应可分为：外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应 第7页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 10.1 10.1 光电效应光电效应 10.1.1 10.1.1 10.1.1 10.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 (1)(1)外光电效应外光电效应在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。电效应。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：光子具有的能量是：普朗克常数普朗克常数()光的频率（光的频率（Hz），波长短，频率高，能量），波长短，频率高，能量大第8页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 10.1 10.1 光电效应光电效应 10.1.1 10.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 如果光子的能量如果光子的能量E E大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A，超出的能量，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。发射。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。体表面的电子逸出功。由能量守恒定律有：由能量守恒定律有：第9页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器u光电导效应：光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电效应。这种效应几乎所有高电阻这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，为使电子从率半导体都有，为使电子从价带激发到导带，入射光子价带激发到导带，入射光子的能量的能量E E0 0应大于禁带宽度应大于禁带宽度EgEg。基于光电导效应的光电器件基于光电导效应的光电器件有有光敏电阻光敏电阻。10.1 10.1 光电效应光电效应10.1.1 10.1.1 10.1.1 10.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应第10页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 10.1 10.1 光电效应光电效应10.1.1 10.1.1 工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应u光生伏特效应：光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PNPN结上结上产生电动势的效应。产生电动势的效应。为什么为什么PNPN结会因光照产生光生伏特效应呢？结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：有下面两种情况：不加偏压的不加偏压的PNPN结结结结 处于反偏的处于反偏的处于反偏的处于反偏的PNPNPNPN结结结结第11页，共81页，编辑于2022年，星期一第第1010章章 光电传感器光电传感器 不加偏压的不加偏压的PNPN结结 当光照射在当光照射在PNPN结时，如果电子能量大于半导体禁带结时，如果电子能量大于半导体禁带 宽度（宽度（E0 E0 EgEg）,可激发出电子可激发出电子空穴对，在空穴对，在 PNPN结内电场作用下空穴移向结内电场作用下空穴移向P P区，而电子移向区，而电子移向N N区，区，使使P P区和区和N N区之间产生电压，区之间产生电压，这个电压就是光生电动势这个电压就是光生电动势.基于这种效应的器件有基于这种效应的器件有 光电池光电池 10.1 10.1 光电效应光电效应10.1.1 10.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应第12页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 处于反偏的处于反偏的PNPN结：结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对，空穴对，在在PNPN结电场作用下，形成光电流，结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管光敏二极管、光敏晶体管.10.1 10.1 光电效应光电效应10.1.1 10.1.1 10.1.1 10.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应第13页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件光电器件 （1 1）光电管）光电管 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E E大大于电子的逸出功于电子的逸出功A A（E EA A），会有电子逸出产生电子发射。），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻电流在回路电阻R R上产生上产生正比于电流大小的压降。正比于电流大小的压降。因此因此 第14页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件光电器件 （1 1）光电管）光电管第15页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件光电器件 （1 1）光电管）光电管第16页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件光电器件 （2 2）光电倍增管）光电倍增管 光照很弱时，光电管产生的电光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。电转换元件。光电倍增管是利用二次电子释光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进发出二次电子，将光电流在管内进行放大。行放大。第17页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件（2 2）光电倍增管）光电倍增管第18页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（倍增极（1010个左右），在阳极和阴极之间加有几个左右），在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极间有百上千伏的高压，每个倍增极间有100100200V200V高压，电流增益在高压，电流增益在10105 5数量极。数量极。倍增极外加电压倍增极外加电压UdUd与增益与增益G G的关系近似为：的关系近似为：式中：式中：常数常数 光电倍增管倍增极数光电倍增管倍增极数 10.2 10.2 光电器件光电器件（2 2）光电倍增管）光电倍增管第19页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器上式可见，外加电压上式可见，外加电压UdUd的变化引起光电倍增管增益的的变化引起光电倍增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较变化，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。高，必须有极好的稳定性。另外，为减少光电倍增管受温度影响，在核探测技术另外，为减少光电倍增管受温度影响，在核探测技术中中“稳谱稳谱”是一个重要内容，与光电倍增管的指标、参数是一个重要内容，与光电倍增管的指标、参数密切相关。密切相关。10.2 10.2 光电器件光电器件（2 2）光电倍增管）光电倍增管增益变化为：增益变化为：第20页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件光电器件（2 2）光电倍增管）光电倍增管光电倍增管测量电路光电倍增管测量电路 第21页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件光电器件（2 2）光电倍增管）光电倍增管核仪器测量中的谱线漂移核仪器测量中的谱线漂移 第22页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器10.2 10.2 光电器件光电器件（2 2）光电倍增管）光电倍增管基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪第23页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。光敏电阻结构及符号光敏电阻结构及符号 第24页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器光电器（3 3）光敏电阻）光敏电阻第25页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性:无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数光敏电阻主要参数:暗电阻暗电阻无光照时的电阻；无光照时的电阻；暗电流暗电流无光照时的电流；无光照时的电流；亮电阻、亮电流亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流；受光照时的阻值、电流；光电流光电流亮电流与暗电流之差称亮电流与暗电流之差称光光电流电流。10.2 10.2 光电器件光电器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻第26页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第1010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 伏安特性伏安特性 给定偏压给定偏压 光照越大光电流越大；光照越大光电流越大；给定光照度给定光照度 电压越大光电流越大；电压越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和，曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。10.2 10.2 光电器件光电器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻基本特性基本特性光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性第27页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第1010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 光谱特性光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关光敏电阻灵敏度与入射波长有关;光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，材料与相对灵敏度峰位波长材料与相对灵敏度峰位波长例图：例图：硫化镉（硫化镉（CdSCdS）0.30.30.8(m)0.8(m)硫化铅（硫化铅（PbSPbS）1.01.03.5(m)3.5(m)锑化铟（锑化铟（InSbInSb）1.01.07.3(m)7.3(m)10.2 10.2 光电器件光电器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻基本特性基本特性第28页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻基本特性基本特性光敏电阻的光谱光敏电阻的光谱特性特性第29页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻基本特性基本特性 温度特性温度特性温度变化影响温度变化影响光敏电阻的灵敏度、光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。暗电流和光谱响应。光敏电阻温度特性光敏电阻温度特性第30页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻应用应用光敏电阻开关电路光敏电阻开关电路第31页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻应用应用光敏电阻在声、光控开关中的应用光敏电阻在声、光控开关中的应用第32页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高可靠性高;广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。警、自动计数等领域和装置。第33页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管结构与一光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有般二极管相似，它们都有一个一个P PN N结，并且都是单结，并且都是单向导电的非线性元件。为向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受了提高转换效率大面积受光，光，PNPN结面积比一般二极管结面积比一般二极管大。大。硅光敏二极管结构硅光敏二极管结构 第34页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器工作原理：工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；反向电流很小；有光照时，有光照时，PNPN结处产生光生结处产生光生 电子空穴对；电子空穴对；在电场作用下形成光电流，在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。光电流方向与反向电流一致。10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 第35页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器v 基本特性：基本特性：光照特性，光照特性，图是硅光敏二极管在小图是硅光敏二极管在小 负载电阻下的光照特性。负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。光电流与照度成线性关系。光敏二极管光照特性光敏二极管光照特性 10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 第36页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光谱特性，光谱特性，当入射波长当入射波长900nm900nm时，响应下降，因波长长，时，响应下降，因波长长，光子能量小于禁带宽度，不产生电子光子能量小于禁带宽度，不产生电子空穴对；空穴对；当入射波长当入射波长900nm900nm时，响应也逐渐下降，波长短时，响应也逐渐下降，波长短 的光穿透深度小，使光电流减小。的光穿透深度小，使光电流减小。10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 硅光敏二极管光谱响应硅光敏二极管光谱响应 光敏晶极管光谱响应光敏晶极管光谱响应 第37页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光敏二极管伏光敏二极管伏安特性安特性 伏安特性伏安特性当反向偏压较低时，光电当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。只取决于光照强度。10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 第38页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 温度特性，温度特性，由于反向饱和电流与温度由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很管的暗电流对温度变化很敏感。敏感。10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管暗电流与温度关系光敏二极管暗电流与温度关系 第39页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器 频率响应频率响应:光敏管的频率响应是指光敏管光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图光入射光波长等因素有关。图光敏二极管频率响应曲线说明调敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于制频率高于1000Hz1000Hz时，硅光敏晶时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。体管灵敏度急剧下降。光敏二极管频率响应曲线 10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 第40页，共81页，编辑于2022年，星期一第第1010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 与普通晶体管不同的是，光敏晶与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极体管是将基极集电极结作为光集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极无引线，大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。孔，让光照射到基区。10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管光敏三极管光敏晶极管结构光敏晶极管结构 第41页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第1010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 硅（硅（SiSi）光敏晶体极管一般都是）光敏晶体极管一般都是NPNNPN结构，光照射在集电结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。在负载电阻管输出电流，使晶体管具有电流增益。在负载电阻RLRL上的上的输出电压为：输出电压为：10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管光敏三极管晶体管电流放大系数晶体管电流放大系数 第42页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线如图所示如图所示 10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管等效电路光敏晶体管等效电路 光敏晶体管伏安特性光敏晶体管伏安特性第43页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光敏晶体管的光谱特性光敏晶体管的光谱特性硅材料的光敏管峰值波长在硅材料的光敏管峰值波长在0.9m0.9m附近（可见光）附近（可见光）灵敏度最大；灵敏度最大；可见光或探测赤热状可见光或探测赤热状物体时一般都用硅管物体时一般都用硅管锗管的峰值波长约为锗管的峰值波长约为1.5m1.5m（红外光）（红外光）对红外进行探测时用对红外进行探测时用锗管较适宜。锗管较适宜。10.2 10.2 光电器件光电器件 (4)(4)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管光敏三极管光敏晶体管光谱特性 第44页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第1010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。砷化镓、氧化铜等等。10.2 10.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）光光电电池池符符号号第45页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池第46页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 结构：光电池实质是一个大面积结构：光电池实质是一个大面积PNPN结，上电极为栅状结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射原理：当光照射PNPN结的一个面时，电子结的一个面时，电子空穴对迅速空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压电压50mA50mA电流。电流。10.2 10.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）光电池结构光电池结构光电池工作原理图光电池工作原理图第47页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光照特性光照特性开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度2000lx2000lx下趋于饱和。下趋于饱和。短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线曲线，短路电流是指外接负载曲线，短路电流是指外接负载RLRL相对内阻很小时的相对内阻很小时的光电流。光电流。10.2 10.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）第48页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器 光电池光照特性光电池光照特性光电池光照与负载的关系光电池光照与负载的关系 光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用，光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用，而作为电流源的形式应用。而作为电流源的形式应用。10.2 10.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）第49页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第1010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光谱特性光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度不光电池对不同波长的光灵敏度不同，同，硅光电池的光谱响应峰值在硅光电池的光谱响应峰值在0.8m0.8m附近，波长范围附近，波长范围0.40.41.2m1.2m。硅光电池可在很宽的波。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。长范围内应用。硒光电池光谱响应峰值在硒光电池光谱响应峰值在0.5m0.5m附近附近,波波 长范围长范围0.380.380.75m0.75m。10.2 10.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）第50页，共81页，编辑于2022年，星期一第第1010章章章章 光电式传感器光电式传感器光光电池电池谱特性谱特性 10.2 10.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）第51页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第1010章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器频率特性频率特性 频率特性指光电池相对频率特性指光电池相对 输出电流与光的调制频输出电流与光的调制频 率之间关系。率之间关系。硅、硒光电池的频率特硅、硒光电池的频率特 性不同，硅光电池频率性不同，硅光电池频率 响应较好硒光电池较差。响应较好硒光电池较差。所以高速计数器的转换所以高速计数器的转换 一般采用硅光电池作为一般采用硅光电池作为 传感器元件。传感器元件。10.2 10.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）硅、硒光电池的频率特性硅、硒光电池的频率特性第52页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）温度特性温度特性第53页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器v电路连接电路连接光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制晶体管工作。晶体管工作。光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。需要高电压时应将光电池串联使用；需要高电压时应将光电池串联使用；需要大电流时应将光电池并联使用。需要大电流时应将光电池并联使用。10.2 10.2 光电器件光电器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）第54页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 硅管的发射结导通电压为硅管的发射结导通电压为0.6V0.6V0.7V0.7V，光电池的，光电池的 0.5V0.5V电压起不到控制作用，可将两个光电池串联电压起不到控制作用，可将两个光电池串联 后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流有光照度变化时，引起基极电流IbIb变化，集电极变化，集电极 电流发生电流发生倍的变化。电流倍的变化。电流IcIc与光照近似线性关系。与光照近似线性关系。光电池电路连接光电池电路连接第55页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第1010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器PINPIN型硅光电二极管型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达，高速光电二极管，响应时间达1nS1nS，适用于遥控装置。，适用于遥控装置。雪崩式光电二极管雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大功能，高电，具有高速响应和放大功能，高电流增益，可有效读取微弱光线，用于流增益，可有效读取微弱光线，用于0.8m0.8m范围的范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。光纤通信、光磁盘受光元件装置。光电闸流晶体管光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通（光激可控硅），由入射光线触发导通的可控硅元件。的可控硅元件。10.2 10.2 光电器件光电器件 (6)(6)其他光电管其他光电管第56页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第1010章章章章 光电式传感器光电式传感器达林顿光电三极管达林顿光电三极管（光电复合晶体管），输（光电复合晶体管），输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益大，大，I=IgI1I2 I=IgI1I2 。光敏场效应晶体管光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、体体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检测。测。半导体色敏传感器半导体色敏传感器，可直接测量从可见光到红，可直接测量从可见光到红外波段的单色辐射波长。外波段的单色辐射波长。10.2 10.2 光电器件光电器件 (6)(6)其他光电管其他光电管第57页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器又称光电隔离器又称光电隔离器 “光耦光耦”器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。通过电下控制输出电流大小。通过电光、光光、光电，电，两次转换进行输入输出耦合。两次转换进行输入输出耦合。10.2 10.2 光电器件光电器件 (6)(6)其他光电管其他光电管 光电耦合器件光电耦合器件第58页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器 “光耦光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，有集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，器件有很强的抗干扰能力和独立的输入输出抗，器件有很强的抗干扰能力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。隔离性能可避免振动、噪声干扰。特别适宜做数字电路特别适宜做数字电路 开关信号传输、逻辑开关信号传输、逻辑 电路隔离器、计算机电路隔离器、计算机 测量、控制系统中做测量、控制系统中做 无触点开关等。无触点开关等。10.2 10.2 光电器件光电器件 (6)(6)其他光电管其他光电管第59页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 10.2 10.2 光电器件光电器件 (6)(6)其他光电管其他光电管光电耦合器用于光电耦合器用于天然气点火器电路天然气点火器电路第60页，共81页，编辑于2022年，星期一第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器透射式，当不透明物质位透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接于中间时会阻断光路，接受器产生相应的电信号。受器产生相应的电信号。反射式，光电开关的发射与反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。表面反射的光线。10.2 10.2 光电器件光电器件 (6)(6)其他光电管其他光电管 光电开关光电开关光电开关结构与外形光电开关结构与外形第61页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器10.3 10.3 光栅式传感器光栅式传感器光栅式传感器的特点：光栅式传感器的特点：v精度高；精度高；v大量程测量兼有高分辨率；大量程测量兼有高分辨率；v可实现动态测量；可实现动态测量；v具有较强的抗干扰能力。具有较强的抗干扰能力。第62页，共81页，编辑于2022年，星期一第第第第10101010章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式