王介生-2010检测技术-第九章 光电式传感器
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第九章光电式传感器_重庆大学_广西大学_传感器与检测技术_课件
9.1 光电效应
3、光生伏特效应
广西大学电气工程学院
半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电 动势的现象称为光生伏特效应。 光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。
以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。
硒光电池
硅光电池
第九章 光电式传感器
广西大学电气工程学院
9.2 常见光电元件（传感器）
码盘最外圈上的 信号位的位置正好与 状态交线错开，只有 信号位处的光电元件 有信号才能读数，这 样就不会产生非单值 性误差。
9.3 光电传感器的应用
广西大学电气工程学院
10码道光电绝对式码盘
透光区
不透光区
零位标志
9.3 光电传感器的应用
广西大学电气工程学院
9.3 光电传感器的应用
广西大学电气工程学院
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
9.3 光电传感器的应用
广西大学电气工程学院
2、光电式增量编码器 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝 转轴 A B C B C 盘码及 狭缝
光栏板上的两个狭缝距离 是码盘上的两个狭缝距离 的（m +1/4）倍
A
光敏元件
零位标志
9.3 光电传感器的应用
辨向信号和零标志
广西大学电气工程学院
光电编码器的光栏板上有 A 组与 B 组两组狭缝，彼此错 开 1/4 节距，两组狭缝相对应 的光敏元件所产生的信号 A 、 B彼此相差90相位，用于辩向。 当编码正转时， A 信号超前 B 信号90；当码盘反转时，B信 号超前A信号90。 在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝 C ， 每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信 号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
传感器教程9光电式传感器课件
光电式传感器还具有防水、防尘和防震等特点，能够在各种恶劣环境下稳定运行。
光电式传感器在医疗设备中的应用
光电式传感器在医疗设备中主 要用于检测生理参数，如血压 、脉搏、血氧饱和度等。
它们能够实现无创、无痛、连 续监测，为医疗诊断和治疗提 供重要数据。
光电式传感器还具有小型化、 便携化和低功耗等特点，方便 在移动医疗设备中使用。
光电式传感器工作原理
光电式传感器利用光电效应，将光信号转换为电信号，从而实现对物理量的检测 和测量。
光电式传感器通常由光敏元件和辅助电路组成。当光敏元件受到光照时，会产生 电信号，该信号经过辅助电路的处理和放大，最终输出可用的电信号。
光电式传感器分类
光电式传感器有多种分类方式，常见 的有根据工作方式、测量对象和应用 领域等分类。
光电式传感器的制作材料与工艺
材料
常用的制作材料包括硅、锗、硒 等半导体材料，这些材料具有光 电效应，能够将光信号转换为电 信号。
工艺
制作工艺主要包括薄膜沉积、光 刻、腐蚀等微电子技术，这些技 术能够制造出高精度的光电式传 感器。
光电式传感器的封装与测试
封装
封装的主要目的是保护传感器免受环 境的影响，同时提供方便的接口，以 便将传感器连接到电路中。
拓展应用领域 通过研究和开发新的光电式传感 器应用领域，如生物医学、环境 监测等，拓展其应用范围。
降低成本
通过优化制造工艺和使用更低成 本的材料，降低光电式传感器的 制造成本，使其更具有市场竞争 力。
增强抗干扰能力
通过改进光学系统和信号处理算 法，提高光电式传感器的抗干扰 能力，使其在复杂环境下也能够 稳定工作。
在医疗设备领域，光电式传感器主要 用于检测生理参数，如血压、脉搏、 血氧饱和度等，为医疗诊断和治疗提 供重要数据。
光电式传感器在医疗设备中的应用
光电式传感器在医疗设备中主 要用于检测生理参数，如血压 、脉搏、血氧饱和度等。
它们能够实现无创、无痛、连 续监测，为医疗诊断和治疗提 供重要数据。
光电式传感器还具有小型化、 便携化和低功耗等特点，方便 在移动医疗设备中使用。
光电式传感器工作原理
光电式传感器利用光电效应，将光信号转换为电信号，从而实现对物理量的检测 和测量。
光电式传感器通常由光敏元件和辅助电路组成。当光敏元件受到光照时，会产生 电信号，该信号经过辅助电路的处理和放大，最终输出可用的电信号。
光电式传感器分类
光电式传感器有多种分类方式，常见 的有根据工作方式、测量对象和应用 领域等分类。
光电式传感器的制作材料与工艺
材料
常用的制作材料包括硅、锗、硒 等半导体材料，这些材料具有光 电效应，能够将光信号转换为电 信号。
工艺
制作工艺主要包括薄膜沉积、光 刻、腐蚀等微电子技术，这些技 术能够制造出高精度的光电式传 感器。
光电式传感器的封装与测试
封装
封装的主要目的是保护传感器免受环 境的影响，同时提供方便的接口，以 便将传感器连接到电路中。
拓展应用领域 通过研究和开发新的光电式传感 器应用领域，如生物医学、环境 监测等，拓展其应用范围。
降低成本
通过优化制造工艺和使用更低成 本的材料，降低光电式传感器的 制造成本，使其更具有市场竞争 力。
增强抗干扰能力
通过改进光学系统和信号处理算 法，提高光电式传感器的抗干扰 能力，使其在复杂环境下也能够 稳定工作。
在医疗设备领域，光电式传感器主要 用于检测生理参数，如血压、脉搏、 血氧饱和度等，为医疗诊断和治疗提 供重要数据。
光电式传感器优秀优秀课件
如图9-2为光电倍增管的典型结构。它是一个除在玻璃 泡内装入光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增 极，且在光电倍增极上涂以在电子轰击下可发射更多次级 电子的材料，倍增极的形状及位置要正好能使轰击进行下 去，在每个倍增极间均依次增大加速电压。
光电式传感器优秀优秀课件
光电式传感器优秀优秀课件
设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流 倍增率将为δ n 。倍增级数n可在4~ 14 之间，δ的范围一般是 3~6。
如图9-21所示是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大 管。其示值可在指示仪表P上读得。
在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。 2.光电倍增管的测量电路
常见的光电倍增管电路如图9-22所示，各倍增极的电压 由分压电阻链R1、R2……Rn获得，被放大的电流流经负载电 阻就得到了所需的输出电压。
光电式传感器优秀优秀课件
光电式传感器优秀优秀课件
光电式传感器优秀优秀课件
如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的 Cn~Cn-2可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可 以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca，这样系统 将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那 么就可以用电容器耦合。
当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更 低。这时应接入隔离电容 Ca，同时用电容器Cn~Cn-2稳定最 后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增 益和防止饱和，它们通过电源去耦电容器C将脉冲电压接地。
三、光电池 1.光电池的结构与原理 （1）结构
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型 杂质形成一个大面积的PN结，如图9-11所示。
（2）原理 当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的
光电式传感器优秀优秀课件
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设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流 倍增率将为δ n 。倍增级数n可在4~ 14 之间，δ的范围一般是 3~6。
如图9-21所示是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大 管。其示值可在指示仪表P上读得。
在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。 2.光电倍增管的测量电路
常见的光电倍增管电路如图9-22所示，各倍增极的电压 由分压电阻链R1、R2……Rn获得，被放大的电流流经负载电 阻就得到了所需的输出电压。
光电式传感器优秀优秀课件
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光电式传感器优秀优秀课件
如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的 Cn~Cn-2可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可 以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca，这样系统 将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那 么就可以用电容器耦合。
当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更 低。这时应接入隔离电容 Ca，同时用电容器Cn~Cn-2稳定最 后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增 益和防止饱和，它们通过电源去耦电容器C将脉冲电压接地。
三、光电池 1.光电池的结构与原理 （1）结构
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型 杂质形成一个大面积的PN结，如图9-11所示。
（2）原理 当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的
CH9光电式传感器含答案传感器与检测技术第2版习题及解答
第9章光电式传感器一、单项选择题1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。
A. 光电效应传感器B. 红外热释电探测器C. 固体图像传感器D. 光纤传感器2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（）。
A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 光敏二极管3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（）。
A. 伏安特性B. 光照特性C. 光谱特性D. 频率特性4、下列光电器件是基于光导效应的是（）。
A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 光敏二极管5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（）。
A. 伏安特性B. 光照特性C. 光谱特性D. 频率特性6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（）。
A. 光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大B. 光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大C. 工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管D. 光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性7、光电式传感器是利用（）把光信号转换成电信号。
A. 被测量B. 光电效应C. 光电管D. 光电器件8、光敏电阻的特性是（）A．有光照时亮电阻很大 B．无光照时暗电阻很小C．无光照时暗电流很大 D．受一定波长范围的光照时亮电流很大9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（）A．光电管 B.光敏电阻C．光电池 D.光电倍增管10、CCD以（）为信号A. 电压B.电流C．电荷 D.电压或者电流11、构成CCD的基本单元是（）A. P型硅B.PN结C. 光电二极管D.MOS电容器12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。
A.位移B.压力C.温度D.光电13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和( )两个重要部件。
A.反射镜B.透镜C.光栅D.光探测器14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。
传感器与检测技术8-1光电式传感器
抗干扰能力。
自适应滤波算法在光电传感器中的应用
02 根据环境噪声和信号特征，自适应调整滤波参数，提
高传感器的信噪比和稳定性。
基于大数据的光电传感器性能优化
03
通过对大量传感器数据的分析和挖掘，发现传感器性
能优化的潜在规律和策略，提高传感器的综合性能。
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感谢您的观看
有机光电材料的研究与应用
具有低成本、易加工和柔性等优点，可用于大面积、柔性可穿戴光电传感器。
钙钛矿等新型光电材料
具有高光电转换效率、可调谐带隙等优点，为光电传感器的发展提供了新的可能。
微纳加工技术在光电传感器中应用前景
01
MEMS技术在光电传感器中的应用
利用MEMS技术可实现微型化、集成化和智能化的光电传感器，提高传
光电发射效应传感器
利用光照射物体表面，使物体 发射电子或空穴的原理而制成 的传感器。
典型的光电发射效应传感器有 光电倍增管、光电子发射管等。
具有灵敏度高、响应速度快等 优点，但需要在高真空环境下 工作，且价格较高。
03 光电式传感器性能指标及 评价方法
灵敏度与响应度
灵敏度
指传感器对被测量变化的反应能力，即输出信号与输入信号 之间的比值。对于光电式传感器而言，灵敏度越高，其对光 信号的变化越敏感，能够检测到更微弱的光信号。
ADC接口电路设计
选择合适的ADC芯片
根据实际需求，选择合适的ADC芯片，考虑分辨率、转换速度、 输入范围等参数。
设计ADC接口电路
设计ADC与微处理器之间的接口电路，包括模拟信号输入、数字信 号输出、控制信号等。
考虑电路的抗干扰能力
在ADC接口电路设计中，需要考虑电路的抗干扰能力，采取合适的 措施来抑制噪声和干扰信号的影响。
西南交大自动检测技术课件 第九章 光电式传感器
光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量： E=h
式中 h——普朗克常数，6.626×10-34（J.s）
——光的频率（s-1）， =c/ 物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸 出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。 如果一个电子要想逸出，光子能量必须超过逸出功A0， 超过部分的能量表现为逸出电子的动能。 根据能量守恒定理
光敏电阻特性受温度变化的影响可采用电阻温度系数 表示。
电阻温度系数：一定光照下，温度每变化1 °C，光 敏电阻阻值的平均变化率。 国产81-A型光敏电阻特性 暗电阻(M)： >1102 亮电阻(k) ：<10
峰值波长(m)： 0.64
时间常数(ms)： <10
长波限(m)： 0.90
光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃 外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏 二极管在电路中处于反向工作状态。 光敏二极管的光照特性（光电流I与光照度之间）呈线 性关系。
光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流 很小。反向电流也叫暗电流。
当光照射时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度， 被束缚的价电子吸收能量产生电子－空穴对，在反向电 压作用下，反向电阻大大减小，反向饱和漏电流大大增 加，形成光电流，随入射光强度变化而变化。
当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，
受光照射时，光敏二极管处于导通状态。
2、光敏二极管技术参数 （1）最高反向工作电压 在无光照条件下，反向漏电流<0.1uA所能承受的最高 反向电压值。
（2）暗电流
在无光照条件下，最高反向电压工作条件下漏电流。 暗电流越小，性能越稳定，检测弱光能力越强。 （3）光电流 受到一定光照时，在最高反向电压下产阻值 VT导通，K触点闭合，实现对外电路控制
第九章光电式传感器
9/4/2019
21
（1）光敏晶体管结构与工作原理
① 光敏二极管。
通常处于反向 偏置状态 。当 没有光照射时， 其反向电阻很 大，反向电流 很小，这种反 向电流称为暗 电流。
9/4/2019
1—负极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜 5—正极引脚 6—N型衬底 7—SiO2保护圈 8—SiO2透明保护层 9—铝引出电极 10—P型扩散层 11—PN结 12—金属引出线
流。
9/4/2019
11
9.1.2 外光电效应器件
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
9/4/2019
25 50 75 100 125 150 极间电压（V）
12
9.1.3 内光电效应器件
光电倍增管的主要参数
600 1x
0.02
400 1x
200 1x
0 -10 -20 -30 -40 -50
反向电压 V
(a)
9/4/2019
10 8
6
4 2
5004103x2000010x11xx100 1x
0 10 20 30 40 50
集电极-发射极电压 V
(b) 30
③光敏晶体管的光照特性
I (A)
3 2
⑤光敏晶体管的频率特性
相对灵敏度 (%)
100 80
60 40 20 0
1
RL =1 k
100 k 10 k
10
100
入射光调制频率 kHz
9/4/2019
33
.电池
传感器教程9光电式传感器PPT
27
9.4 光纤传感器
光纤传感器的特点：
极高的灵敏度和精度 固有的安全性好 抗电磁干扰 高绝缘强度 耐腐蚀 集传感与传输于一体 能与数字通信系统兼容等
光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、 转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理 量的测量
(3) 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，
对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除
短周期误差的影响。
0
n
39
2
W2
B
C A
BH BH
θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大 了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条 纹宽度BH是栅距W的573倍， 这相当于把栅距 放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。
38
（2） 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向 向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反 之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下 移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动 进行辨向。
34
35
9.6.1 1. 光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细
小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不 透光），b为栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅的栅距（也称 光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常 用的光栅每毫米刻成25、50、 100、125、250条线条。
13
光电池结构、符号
硼扩散层
P型电极 （SiO2膜）
接线点 ＋
PN结
N型硅片
PN结
电极 － （a) 硅光电池结构
9.4 光纤传感器
光纤传感器的特点：
极高的灵敏度和精度 固有的安全性好 抗电磁干扰 高绝缘强度 耐腐蚀 集传感与传输于一体 能与数字通信系统兼容等
光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、 转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理 量的测量
(3) 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，
对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除
短周期误差的影响。
0
n
39
2
W2
B
C A
BH BH
θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大 了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条 纹宽度BH是栅距W的573倍， 这相当于把栅距 放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。
38
（2） 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向 向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反 之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下 移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动 进行辨向。
34
35
9.6.1 1. 光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细
小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不 透光），b为栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅的栅距（也称 光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常 用的光栅每毫米刻成25、50、 100、125、250条线条。
13
光电池结构、符号
硼扩散层
P型电极 （SiO2膜）
接线点 ＋
PN结
N型硅片
PN结
电极 － （a) 硅光电池结构
机械工程测试技术——第九章
色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色
TM
色标传感器
TM
9.3.4被测物遮挡光通量的应用实例
•光电式带材跑偏检测器
TM
9.4 光电开关及光电断续器
从原理上讲，光电开关及光电断续器 没有太大的差别，都是由红外线发射元件 与光敏接收元件组成，只是光电断续器是 整体结构，其检测距离只有几毫米至几十 毫米，而光电开关的检测距离可达几米至 几十米。
系。 由于光敏电阻光 电特性的非线性，不 能用于光的精密测量， 只能用于定性地判断 有无光照。
TM
光敏电阻的基本特性
•光谱特性
光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的 关系。即光敏电阻对入射光的光谱具有选择作 用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的 灵敏度。
1 00 80
S r / (%)
60 40 20 0
TM
9.1.3 光生伏特效应
光生伏特效应：在光线的作用下，物 体产生一定方向电动势的光电效应。 基于光生伏特效应的光电元件：光电 池等。 光电池实质上是一个大面积的PN结， 当光照射到PN结的一个面，例如P型面时， 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度， 那么P型区每吸收一个光子就产生一对自 由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内 迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立 一个与光照强度有关的电动势。
TM
光敏二极管的结构及工作原理
光 +
P
N
电场 势垒区
TM
（a)结构原理
（b）符号
光敏二极管的结构及工作原理
TM
光敏二极管的结构及工作原理
TM
光敏晶体管的结构及工作原理
•光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN
结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光 的照射面积。 •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，当光照射在集电结时， 就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被 拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极 间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集 电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流 的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
9光电式传感器12 共62页PPT资料
7
二、光电器件的特性参数 灵敏度K：表征光电器件输出信号能力的特征量
光电器件的输出信号电压VS与入射光功率PS之比，即 单位入射光功率作用下器件的输出信号电压：
K = V S / P S = V S / ( H A d )
光谱特性：描述光电器件的工作范围 某一种光电器件的灵敏度与入射波长的关系，称为 该光电器件的光谱特性 用不同辐射波长对某一器件的灵敏度描绘的曲线， 就是该器件的光谱特性曲线
阴极灵 敏度 (uA/lm)
40 30 40 30 60 40
阳极工 作电压
(V)
< 900 < 900 < 900 < 1000 < 1300 < 750
暗电流 (A)
< 8×10-9 < 6×10-9 < 8×10-9 < 1×10-7 < 5×10-8 < 2×10-9
环境 温度 (℃)
-40 - 40 -50 - 50 -40 - 50 -80 - 60 -40 - 40 -40 - 50
（1）光电管的伏安特性
在一定的光照射下，对光电器件的阴极所
加电压与阳极所产生的电流之间的关系称
为光电管的伏安特性。
12 IA/μA
10 8 6 4 2
120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm
20μlm
12 IA/μA
10 8 6 4 2
强光
弱光 阴极电压/V
0 50 100 150 阴极电压/V 0 50 100 150
以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料
制成，对可见光范围的入射光灵敏度比较
高。适用于白光光源，被应用于各种光电
二、光电器件的特性参数 灵敏度K：表征光电器件输出信号能力的特征量
光电器件的输出信号电压VS与入射光功率PS之比，即 单位入射光功率作用下器件的输出信号电压：
K = V S / P S = V S / ( H A d )
光谱特性：描述光电器件的工作范围 某一种光电器件的灵敏度与入射波长的关系，称为 该光电器件的光谱特性 用不同辐射波长对某一器件的灵敏度描绘的曲线， 就是该器件的光谱特性曲线
阴极灵 敏度 (uA/lm)
40 30 40 30 60 40
阳极工 作电压
(V)
< 900 < 900 < 900 < 1000 < 1300 < 750
暗电流 (A)
< 8×10-9 < 6×10-9 < 8×10-9 < 1×10-7 < 5×10-8 < 2×10-9
环境 温度 (℃)
-40 - 40 -50 - 50 -40 - 50 -80 - 60 -40 - 40 -40 - 50
（1）光电管的伏安特性
在一定的光照射下，对光电器件的阴极所
加电压与阳极所产生的电流之间的关系称
为光电管的伏安特性。
12 IA/μA
10 8 6 4 2
120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm
20μlm
12 IA/μA
10 8 6 4 2
强光
弱光 阴极电压/V
0 50 100 150 阴极电压/V 0 50 100 150
以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料
制成，对可见光范围的入射光灵敏度比较
高。适用于白光光源，被应用于各种光电
现代检测技术(9.1.3)--光电式传感器(2016版)
Xi’an Jiaotong University
二、光生伏特效应
光生伏特效应：在光线作用下，能使物体 产生一定方向的电动势的现象。
+
P
- -- - -
P
光
- - +- -
+++++
+ +-+ +
Nபைடு நூலகம்
N
-
阻挡层——内建电场—— PN 结
光照射——光电子空穴对——内建电场作用 ——光生电子被拉向 N 区，光生空穴被拉向 P 区——光电动势
Xi’an Jiaotong University
外光电效应
b. 入射光频率不变时，在足够外加电压作用下，单位时 间内发射的光电子数与入射光强成正比。因为光越强 ，光子数越多，产生的光电子也相应增多。
c. 欲使光电子初始速度为零，需要在阳极加上反向截
止电压，并且
U
e
=
1 2
mv02
Xi’an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University
外光电效应
光电子逸出时所具有的初始动能 Ek 与光的频率有关
，频率高则动能大。
Ek
=
1 2
mv02
=
hn
-
A
a. 光电子逸出物体表面的必要条件
hn > A 或，l是<波hAc长，l是光速。c
由于不同材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言便 有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大 ，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时 ，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限 频率”。
精品文档-测试技术与传感器(罗志增)-第9章
第9章 光电式传感器 图 9-11 光敏二极和晶体管的光谱特性
第9章 光电式传感器
3) 频率特性 频率特性指光敏管输出的相对灵敏度或光电流随频率变化 的关系，如图9-12所示。 可见，光敏晶体管的频率特性和负载电阻相关，减小负载 电阻可提高频率响应范围，但输出电压响应亦减小。光敏二极 管在半导体光电器件中频率特性最好，普通的响应时间就可达 10 μs。
第9章 光电式传感器 图 9-1 光敏电阻结构原理图
第9章 光电式传感器
2. 光敏电阻的基本特性 1) 伏安特性 伏安特性是指在一定的照度下，光敏电阻两端的电压与电 流的关系。 硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线如图9-2所示。可见， I-U曲线在一定的电压范围内呈直线，说明阻值与电压、电流
第9章 光电式传感器 图 9-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性
第9章 光电式传感器
2) 光谱特性 光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图9-11所示，峰值 处灵敏度最大。可见，硅的峰值波长约为0.9 μm，锗的峰值波 长约为1.5 μm，都在近红外区域。当入射光的波长自峰值波长 处增加或缩短时，硅和锗的相对灵敏度均下降。实际应用时， 可见光或赤热状态物体的探测，一般都用硅管；对红外光的探 测，锗管较适合。相对而言，锗管的暗电流较大，性能较差。
在光的作用下，物体内的电子(光电子)逸出物体表面向外
发射的现象，称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等就属
于这类光电器件。
光束由光子组成，光子是以光速运动的粒子流，具有能量，
每个光子的能量为
E=hυ
(9-1)
式中：h=6.626×10-34J·s，为普朗克常数；υ为光的频率(s-
1)。
第9章 光电式传感器
第9章 光电式传感器
第9章 光电式传感器 《传感器与检测技术(第2版)》课件
•光生伏特效应
在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的 现象。如光电池
（1）光敏电阻
1. 光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 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）急剧减小，电路中电流迅速增大。
最受人们重视的是硅光电池。
具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效 率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。
它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能 电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统 中
硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围， 所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。
光敏晶体管
光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大， 以扩大光的照射面积。
NPN: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
当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极， 基区留下空穴，被正向偏置的发射结发出的自由电子填充，形成光电流Ib
同时空穴使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量发射区的电子流向集电 极，形成输出电流Ic ，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
光
c
e
NPN
b
(a)结构
b
c e
c（N） （P）b e（N）
E
RL
(b)符号
(c)基本电路
Ib
Ic
c
E
be
RL
(d)工作原理示意图
在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的 现象。如光电池
（1）光敏电阻
1. 光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 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）急剧减小，电路中电流迅速增大。
最受人们重视的是硅光电池。
具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效 率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。
它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能 电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统 中
硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围， 所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。
光敏晶体管
光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大， 以扩大光的照射面积。
NPN: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
当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极， 基区留下空穴，被正向偏置的发射结发出的自由电子填充，形成光电流Ib
同时空穴使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量发射区的电子流向集电 极，形成输出电流Ic ，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
光
c
e
NPN
b
(a)结构
b
c e
c（N） （P）b e（N）
E
RL
(b)符号
(c)基本电路
Ib
Ic
c
E
be
RL
(d)工作原理示意图
光电式传感器课件
③ 光照特性：光敏三极管的输出电流Ic与照度Ee之间的关 系可以近似看作是线性关系，当光照足够大时（几千勒克 斯），会出现饱和现象。 光敏三极管即可做线性转换元件，也可做开关元件。 ④ 温度特性 ：表示温度与暗电流及输出电流之间的关系。 温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定； 而暗电流随温度变化很大，所以在应用时应在线路上采取 措施进行温度补偿。
光电测量方法结构简单、非接触、高精度、高分辨率、 高可靠性和响应快等优点。特别是激光光源、光栅、光学 码盘、CCD器件、光纤等的成功应用，使光电传感器在自 动检测中得到广泛应用。 1.1 光源 光源是光电式传感器的一个重要组成部分，正确合理地 选择光源是成功设计光电传感器的前提和保证。光电传感 器中所用光源分为自然光源和人造光源两类。人造光源又 分为热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源和激光光 源。
2、卤钨灯：是一种特殊的白炽灯，灯泡用石英或硬质玻璃制作，能够 耐 3500K 的高温，灯泡内充以卤族元素，通常是碘。卤族元素能够与 沉积在灯泡内壁上的钨发生化学反应，形成卤化钨扩散到钨丝附近， 由于温度高而分解，钨原子重新沉积到钨丝上，这样弥补了灯丝的蒸 发，大大延长了灯泡的寿命，同时也解决了灯泡因钨的沉积而发黑的 问题，光通量在整个寿命期始终能够保持相对稳定。
图1.9 光敏二极管
2．光敏三极管 （1）工作原理：光敏三极管是半导体光生伏特效应的原理 制成的光敏元件，分为PNP型和NPN型两种。 当有光照射光敏三极管时，光子打在PN结附近，使PN结 附近产生光生电子—空穴对，它们在PN结处的内电场作用 下定向运动形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加。 由于光照射发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流， 因此集电极电流是光电流的β倍。光敏三极管比光敏二极管 具有更高的灵敏度。
光电式传感器的工作原理
光电式传感器的工作原理来源：电子资料文库作者：发布时间：2013-5-4 浏览(9113)次光电式传感器的英文解释：photoelectric transducer光电传感器的构成光电传感器由光源、光学通路、光电元件构成。
光电式传感器应用1、光量变化的非电量；2、能转换成光量变化的其他非电量。
光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。
光电式传感器特点非接触、响应快、性能可靠。
图a所示是光电式传感器的工作原理图，位于光敏二极管的对面的是作为光源的发光二极管，在它们之间有一个能断续遮光的转盘。
当转盘上的缺口、缝隙或小孔对准发光二极管时，光线可以通过，光敏二极管即发出信号指示转轴的某一位置或转速。
它输出的信号是方波脉冲，故它能适应数字式控制系统的需要。
这里的发光二极管的发光频率一般在红外线和紫外线范围内，是肉眼看不见的。
图b、c所示为六缸发动机用分电器内的光电式曲轴转角传感器的结构，由发光二极管和光敏二极管组合来计测带缝隙的转盘的旋转位置，安装在分电器内（或凸轮轴前部）。
它决定分组喷射控制及电子点火控制曲轴每转两转的喷油正时和点火正时。
在转盘上每隔60°设置了宽度不同的4种缝隙，利用发光二极管发出的光束，经过安装在分电器轴上转盘的刻度缝隙，照射在光敏二极管上，使波形电路产生电信号、并传给ECU。
光电式曲轴转角传感器的工作原理与结构a）工作原理图b）结构图c）转盘1-输出信号2-光敏二极管3-发光二极管4-电源5-转盘6-转子头盖7-密封盖8-波成形电路9-第一缸120°信号缝隙10-10信号缝隙11-120°信号缝隙光电效应它是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为外光电效应和内光电效应两类。
外光电效应是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。
光子是以量子化“粒子”的形式对可见光波段内电磁波的描述。
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和温度特性。
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
（1）伏安特性
一定光照条件下阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的 关系。
I μA
12 10 8 6 4 2 0 50 120 μlm 100 μlm 80 μlm 60 μlm 40 μlm 20 μlm 100 150 200
I μA
1、光电管及其基本特性 光电管分为真空光电管和充气光电管.充气光电管充填氩或
氖气，光电作用下使气体电离，增大光电流。 充气光电管稳定性较差，温度影响大，容易衰老。一般采 用真空光电管。
随着半导体器件发展，真空光电管逐渐被半导体器件代替。 光电管主要性能: 伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率
检测技术
第9章 光电式传感器
被测物吸收光通量的应用实例
光电式浊度计和含沙量测量 将装有浊水的试管 插入仪器中
检测技术
第9章 光电式传感器
烟雾报警器
无烟雾时，光敏元件 接收到LED发射的恒定红 外光。而在火灾发生时， 烟雾进入检测室，遮挡了 部分红外光，使光敏三极 管的输出信号减弱，经阀 值判断电路后，发出报警 信号。
9.2 光电效应与光电器件
（3）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍 增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子 数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高， 灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极 电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强 光照射，否则将会损坏。
检测技术
第9章 光电式传感器
9.1 概述
检测技术
第9章 光电式传感器
9.1 概述
模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流。
根据被测物对光的吸收程度 或对其谱线的选择来测定被测参 数。如测量液体、气体的透明度、 混浊度,对气体进行成分分析,测 定液体中某种物质的含量等。 根据反射的光通量多少测定 被测物表面状态和性质。例如测 量零件的表面粗糙度、表面缺陷、 表面位移等。
检测技术
第9章 光电式传感器
9.1 概述
9.1.3 光电传感器的特点
光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、 高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响， 本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点 可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、 速度、加速度等 其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力.
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
2、光电倍增管及其基本特性 （1）结构与工作原理 由光阴极，阳极和次阴极（倍增极）组成。 下图是光电倍增管结构示意图。
Φ D1 D3
1
D5 A
K D2 D4 D6
RL IΦ U0
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
（2）主要参数 倍增系数 M：
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为
E hv
h—普朗克常数：h=6.626×10-34 J· S v—光的频率
光电效应方程
1 2 Ek mv h v A0 2
爱因斯坦光 电效应方程
m—电子的质量 v—电子逸出初始速度 A0 —表面逸出功
9.1 概述
9.1.2 光电传感器的基本形式 脉冲光电传感器： 将被测量转换为断续变化的光电流，光电元件的输出仅 有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也 称为光电元件的开关运用状态。 这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线 性要求不高。 主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、计算机的 光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。
集成IC 温度测量
耳温仪
检测技术
第9章 光电式传感器
3、固体图像传感器
结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电 转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二 极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的 MOS金属氧化物半导体图像传感器。
检测技术
第9章 光电式传感器
9.1 概述
报警
烟雾
检测技术
第9章 光电式传感器 储料仓 咖啡罐
光电开关在流水线上的应用
定区域式光电开关 罐装高度检测
落料口
流水线运行方向
遮断式光电开关 （计数）
检测技术
第9章 光电式传感器
光幕应用
长度测量
宽度测量
高度测量
三维尺寸检测
检测技术
第9章 光电式传感器
9.1 概述
2、红外热释电探测器 主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材
U R I 光强
入射光的频谱成分不变时， 产生的光电子与光强成正比
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
1、光电管及其基本特性
主要用于：分光光度计、光电比色计等分析仪器和各种自 动装置。
光电阴极 光窗 光 阳极
光电管的结构示意图
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
其特性曲线如图所示。 曲线1表示氧铯阴极光电管 的光照特性，光电流I与光 通量成线性关系。曲线2为 锑铯阴极的光电管光照特性， 它成非线性关系。光照特性 曲线的斜率（光电流与入射 光光通量之间比）称为光电 管的灵敏度。
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
（3）光谱特性
不同光电阴极材料的光电管， 对同一波长的光有不同的灵敏度； 同一种阴极材料的光电管对于不同 波长的光的灵敏度也不同，这就是 光电管的 光谱特性。
1、光电管及其基本特性
光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、 阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如 果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产 生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电 子流，电流在回路电阻 R上产生正比于电流大小的压降。
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
9.2.2 内光电效应型光电器件 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。这种效应可分为因光照 引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势 的光生伏特效应两种 与外光电效应的区别是：内光电效应不会产生电子 逸出物体现象。
能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电 子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离
材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。
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。
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
4、光纤传感器 它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光， 经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着
光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信
号。
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第9章 光电式传感器
光纤温度报警器
检测技术
第9章 光电式传感器
9.1 概述
9.1.2 光电传感器的基本形式
由光路及电路两大部分组成:光路部分实现被测信号对 光量的控制和调制;电路部分完成从光信号到电信号的转换.
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
可以根据光电效应制成光电器件—光电器件是将光能 转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要
部件。
光电器件工件的物理基础：光电效应。 光电效应分为：外光电效应、内光电效应
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
9.2.1 外光电效应型光电器件 当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
（4）暗电流
无光照情况下，加上电压后，阳极仍有电流存在。
暗电流一般为：10-16—10-10A
暗电流主要由热电子发射引起，随温度增加而增加。
暗电流大小的影响因素：欧姆漏电、残余气体放电。
欧姆漏电：管座漏电、电极间玻璃漏电、灰尘漏电;
残余气体漏电：高速运动的电子会使管中气体电离产 生正 离子和光电子。
按其输出量的性质可分为脉冲式光电传感器和模拟式光 电传感器。 1）由被测量控制光电变换器处于“通”或“断”两种状态， 如光电式转速表、光电继电器、光电计数器、光电开关、目 标探测等。
2）光电变换器输出光电流是输入光通量的函数，如光电位 移计、测振计、照度计、光电探测器等。
检测技术
第9章 光电式传感器
料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器
件。
检测技术
第9章 光电式传感器
热释电传感器在人体检测、报警中的应用
热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用 于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自 动门、自动灯的控制等。
热释电元件外形
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第9章 光电式传感器
红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用
I i M i
n
式中：I—光电阳极的光电流
i—光电阴极发出的初始光电流
δ—倍增电极的电子发射系数 n—光电倍增极数（一般9-11个） 倍增系数一般105—108，与所加电压有关，阴极和阳极间 电压一般1000-2500V之间，两相邻倍增电极的电位差为50100V.
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第9章 光电式传感器
检 测 技 术
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
（1）伏安特性
一定光照条件下阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的 关系。
I μA
12 10 8 6 4 2 0 50 120 μlm 100 μlm 80 μlm 60 μlm 40 μlm 20 μlm 100 150 200
I μA
1、光电管及其基本特性 光电管分为真空光电管和充气光电管.充气光电管充填氩或
氖气，光电作用下使气体电离，增大光电流。 充气光电管稳定性较差，温度影响大，容易衰老。一般采 用真空光电管。
随着半导体器件发展，真空光电管逐渐被半导体器件代替。 光电管主要性能: 伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率
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第9章 光电式传感器
被测物吸收光通量的应用实例
光电式浊度计和含沙量测量 将装有浊水的试管 插入仪器中
检测技术
第9章 光电式传感器
烟雾报警器
无烟雾时，光敏元件 接收到LED发射的恒定红 外光。而在火灾发生时， 烟雾进入检测室，遮挡了 部分红外光，使光敏三极 管的输出信号减弱，经阀 值判断电路后，发出报警 信号。
9.2 光电效应与光电器件
（3）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍 增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子 数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高， 灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极 电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强 光照射，否则将会损坏。
检测技术
第9章 光电式传感器
9.1 概述
检测技术
第9章 光电式传感器
9.1 概述
模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流。
根据被测物对光的吸收程度 或对其谱线的选择来测定被测参 数。如测量液体、气体的透明度、 混浊度,对气体进行成分分析,测 定液体中某种物质的含量等。 根据反射的光通量多少测定 被测物表面状态和性质。例如测 量零件的表面粗糙度、表面缺陷、 表面位移等。
检测技术
第9章 光电式传感器
9.1 概述
9.1.3 光电传感器的特点
光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、 高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响， 本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点 可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、 速度、加速度等 其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力.
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
2、光电倍增管及其基本特性 （1）结构与工作原理 由光阴极，阳极和次阴极（倍增极）组成。 下图是光电倍增管结构示意图。
Φ D1 D3
1
D5 A
K D2 D4 D6
RL IΦ U0
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
（2）主要参数 倍增系数 M：
检测技术
第9章 光电式传感器
9.2 光电效应与光电器件
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为
E hv
h—普朗克常数：h=6.626×10-34 J· S v—光的频率
光电效应方程
1 2 Ek mv h v A0 2
爱因斯坦光 电效应方程
m—电子的质量 v—电子逸出初始速度 A0 —表面逸出功
9.1 概述
9.1.2 光电传感器的基本形式 脉冲光电传感器： 将被测量转换为断续变化的光电流，光电元件的输出仅 有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也 称为光电元件的开关运用状态。 这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线 性要求不高。 主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、计算机的 光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。
集成IC 温度测量
耳温仪
检测技术
第9章 光电式传感器
3、固体图像传感器
结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电 转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二 极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的 MOS金属氧化物半导体图像传感器。
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第9章 光电式传感器
9.1 概述
报警
烟雾
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第9章 光电式传感器 储料仓 咖啡罐
光电开关在流水线上的应用
定区域式光电开关 罐装高度检测
落料口
流水线运行方向
遮断式光电开关 （计数）
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第9章 光电式传感器
光幕应用
长度测量
宽度测量
高度测量
三维尺寸检测
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第9章 光电式传感器
9.1 概述
2、红外热释电探测器 主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材
U R I 光强
入射光的频谱成分不变时， 产生的光电子与光强成正比
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9.2 光电效应与光电器件
1、光电管及其基本特性
主要用于：分光光度计、光电比色计等分析仪器和各种自 动装置。
光电阴极 光窗 光 阳极
光电管的结构示意图
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9.2 光电效应与光电器件
其特性曲线如图所示。 曲线1表示氧铯阴极光电管 的光照特性，光电流I与光 通量成线性关系。曲线2为 锑铯阴极的光电管光照特性， 它成非线性关系。光照特性 曲线的斜率（光电流与入射 光光通量之间比）称为光电 管的灵敏度。
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9.2 光电效应与光电器件
（3）光谱特性
不同光电阴极材料的光电管， 对同一波长的光有不同的灵敏度； 同一种阴极材料的光电管对于不同 波长的光的灵敏度也不同，这就是 光电管的 光谱特性。
1、光电管及其基本特性
光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、 阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如 果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产 生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电 子流，电流在回路电阻 R上产生正比于电流大小的压降。
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9.2 光电效应与光电器件
9.2.2 内光电效应型光电器件 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。这种效应可分为因光照 引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势 的光生伏特效应两种 与外光电效应的区别是：内光电效应不会产生电子 逸出物体现象。
能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电 子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离
材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。
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。
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9.2 光电效应与光电器件
4、光纤传感器 它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光， 经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着
光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信
号。
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光纤温度报警器
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第9章 光电式传感器
9.1 概述
9.1.2 光电传感器的基本形式
由光路及电路两大部分组成:光路部分实现被测信号对 光量的控制和调制;电路部分完成从光信号到电信号的转换.
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9.2 光电效应与光电器件
可以根据光电效应制成光电器件—光电器件是将光能 转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要
部件。
光电器件工件的物理基础：光电效应。 光电效应分为：外光电效应、内光电效应
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9.2 光电效应与光电器件
9.2.1 外光电效应型光电器件 当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的
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9.2 光电效应与光电器件
（4）暗电流
无光照情况下，加上电压后，阳极仍有电流存在。
暗电流一般为：10-16—10-10A
暗电流主要由热电子发射引起，随温度增加而增加。
暗电流大小的影响因素：欧姆漏电、残余气体放电。
欧姆漏电：管座漏电、电极间玻璃漏电、灰尘漏电;
残余气体漏电：高速运动的电子会使管中气体电离产 生正 离子和光电子。
按其输出量的性质可分为脉冲式光电传感器和模拟式光 电传感器。 1）由被测量控制光电变换器处于“通”或“断”两种状态， 如光电式转速表、光电继电器、光电计数器、光电开关、目 标探测等。
2）光电变换器输出光电流是输入光通量的函数，如光电位 移计、测振计、照度计、光电探测器等。
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第9章 光电式传感器
料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器
件。
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热释电传感器在人体检测、报警中的应用
热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用 于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自 动门、自动灯的控制等。
热释电元件外形
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红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用
I i M i
n
式中：I—光电阳极的光电流
i—光电阴极发出的初始光电流
δ—倍增电极的电子发射系数 n—光电倍增极数（一般9-11个） 倍增系数一般105—108，与所加电压有关，阴极和阳极间 电压一般1000-2500V之间，两相邻倍增电极的电位差为50100V.
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检 测 技 术