第8章 光电式传感器
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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。
被测量
光电式传感器可分三大类： 1 .输出端为“有”或“无”电信号两种 状态 2 .产生的光电流是光通量的函数
3 .反映被测体的形状
光电效应
◆光电器件工作的物理基础是光电效应。光电
效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 1．外光电效应 ◆在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现 象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管 就属于这类光电器件。
物理基础
物理本质：高于绝对零度 热辐射，发热，吸热
可见光的光谱特性
可见光是波长为: ----380nm—780nm的电磁波。 依波长的不同，可见光可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种彩色光。
（1）光敏电阻
1．光敏电阻的结构与工作原理
◆光敏电阻又称光导管，是内光电效应（光电导 效应）器件，它几乎都是用半导体材料制成的 光电器件。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简 称为CDS。
◆由于光敏电阻的光照 特性呈非线性，因此 不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统 中常用作开关式光电 信号传感元件。
图8-3 光敏电阻的光照特性
（4）温度特性
◆光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的 暗电阻和灵敏度都下降。 ◆温度变化影响光敏电 阻的光谱响应，尤其 是响应于红外区的硫 化铅光敏电阻受温度 影响更大。图为 硫化铅光敏电阻的光 谱温度特性曲线。
（4）光谱特性：当光敏元件加一定电压时，如 果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射 光功率不变时，光电流随入射光波长变化而 变化的关系 ，称为光谱特性。
光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当 光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致 时，光电传感器的性能较好，效率也高。 在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱 范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。
光敏电阻结构
2．光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻 ◆光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时 流过的电流称为暗电流。 （2）亮电阻 ◆光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此 时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流 ◆亮电流与暗电流之差称为光电流。
3．光敏电阻的基本特性
（1） 伏安特性
◆在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端 的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。 图为硫化镉光敏电阻 的伏安特性曲线。由图 可见，光敏电阻在一定 的电压范围内，其I-U曲 线为直线，说明其阻值与 入射光量有关，而与电 压、电流无关。 图8-5 硫化镉光敏电阻的伏安特性
（2）光谱特性
◆光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的 关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。 图8-4为几种不同材料 光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长，光 敏电阻的灵敏度是不 同的。
图8-4 光敏电阻的光谱特性
（3）光照特性
◆光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光
强之间的关系，如图8-3所示。
◆光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使 用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无 光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中 电流（暗电流）很小。
◆当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它 的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速 增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小 越好，此时光敏电阻 的灵敏度高。实际 光敏电阻的暗电 阻值一般在兆欧级， 亮电阻在几千欧以下。
光电器件
光电器件是构成光电式传感器最主 要的部件。光电式传感器的工作原理： 首先把被测量的变化转换成光信号的变 化，然后通过光电转换元件变换成电信 号。
光电器件的基本特性：
（1）光电流：光敏元件的两端加一定偏置电压 后，在某种光源的特定照度下产生或增加的 电流称为光电流。 （2）暗电流：光敏元件在无光照时，两端加电 压后产生的电流称为暗电流。 （3）光照特性：当光敏元件加一定电压时，光 电流I与光敏元件上光照度E之间的关系，称 为光照特性。一般可表示为 。
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。
被测量
光电式传感器可分三大类： 1 .输出端为“有”或“无”电信号两种 状态 2 .产生的光电流是光通量的函数
3 .反映被测体的形状
光电效应
◆光电器件工作的物理基础是光电效应。光电
效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 1．外光电效应 ◆在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现 象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管 就属于这类光电器件。
物理基础
物理本质：高于绝对零度 热辐射，发热，吸热
可见光的光谱特性
可见光是波长为: ----380nm—780nm的电磁波。 依波长的不同，可见光可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种彩色光。
（1）光敏电阻
1．光敏电阻的结构与工作原理
◆光敏电阻又称光导管，是内光电效应（光电导 效应）器件，它几乎都是用半导体材料制成的 光电器件。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简 称为CDS。
◆由于光敏电阻的光照 特性呈非线性，因此 不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统 中常用作开关式光电 信号传感元件。
图8-3 光敏电阻的光照特性
（4）温度特性
◆光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的 暗电阻和灵敏度都下降。 ◆温度变化影响光敏电 阻的光谱响应，尤其 是响应于红外区的硫 化铅光敏电阻受温度 影响更大。图为 硫化铅光敏电阻的光 谱温度特性曲线。
（4）光谱特性：当光敏元件加一定电压时，如 果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射 光功率不变时，光电流随入射光波长变化而 变化的关系 ，称为光谱特性。
光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当 光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致 时，光电传感器的性能较好，效率也高。 在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱 范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。
光敏电阻结构
2．光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻 ◆光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时 流过的电流称为暗电流。 （2）亮电阻 ◆光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此 时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流 ◆亮电流与暗电流之差称为光电流。
3．光敏电阻的基本特性
（1） 伏安特性
◆在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端 的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。 图为硫化镉光敏电阻 的伏安特性曲线。由图 可见，光敏电阻在一定 的电压范围内，其I-U曲 线为直线，说明其阻值与 入射光量有关，而与电 压、电流无关。 图8-5 硫化镉光敏电阻的伏安特性
（2）光谱特性
◆光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的 关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。 图8-4为几种不同材料 光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长，光 敏电阻的灵敏度是不 同的。
图8-4 光敏电阻的光谱特性
（3）光照特性
◆光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光
强之间的关系，如图8-3所示。
◆光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使 用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无 光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中 电流（暗电流）很小。
◆当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它 的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速 增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小 越好，此时光敏电阻 的灵敏度高。实际 光敏电阻的暗电 阻值一般在兆欧级， 亮电阻在几千欧以下。
光电器件
光电器件是构成光电式传感器最主 要的部件。光电式传感器的工作原理： 首先把被测量的变化转换成光信号的变 化，然后通过光电转换元件变换成电信 号。
光电器件的基本特性：
（1）光电流：光敏元件的两端加一定偏置电压 后，在某种光源的特定照度下产生或增加的 电流称为光电流。 （2）暗电流：光敏元件在无光照时，两端加电 压后产生的电流称为暗电流。 （3）光照特性：当光敏元件加一定电压时，光 电流I与光敏元件上光照度E之间的关系，称 为光照特性。一般可表示为 。