安全检测与仪表课程光电效应和光电器件

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硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性
（3）光照特性
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硅光敏管的光照特性
（a）硅光敏二极管；（b）硅光敏三极管
光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
（4）温度特性
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其暗电流及光电流与温度的关系
温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。
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（5）频率响应
具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出 的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系
光电传感器
将光信号转换为电信号的一种传感器
光电效应和光电器件
外光电效应: 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如 光电管、光电倍增管
内光电效应: 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光 敏电阻等属于这类光电器件。
阻挡层光电效应(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。如光电池、光敏晶体管等
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（2）光照特性
光敏电阻的光电流与光强之间的关系
硫化镉光敏电阻的光照特性
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。
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（3）光谱特性
光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
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（4）响应时间和频率特性
光电导的弛豫现象（时延特性）：光电流的 变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。 通常用响应时间t表示。
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光电开关外形
遮断式光电开关原理 2020年10月8日9时19分
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Re光ce发ive射r 器
光接收器
Object
被检测物体
遮断式光电开关 由相互分离且相对安 装的光发射器和光接 受器组成。当被检测 物体位于发射器和接 受器之间时，光线被 阻断，接受器接受不 到红外线而产生开关 信号。
2.烟雾报警器外形
（参考南京千里通公司 无线烟雾报警器资料）
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。
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报警 烟雾
反射式烟雾报警器
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在没有烟雾
时，由于红外对
管相互垂直，烟
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1905年德国 物理学家爱因斯坦 用光量子学说解释 了光电发射效应， 并为此而获得1921 年诺贝尔物理学奖。
光电效应和光电器件
1 光电管 2 光电倍增管 3 光敏电阻 4 光敏二极管和光敏晶体管 5 光电池 6 光电式传感器的应用
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1 光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子， 电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在 外电路中便产生了电流。
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光电自动门
自动门光电传感器 放大图
有效检测区域
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光电式带材跑偏
检测控制器原理
1— 被测带材 2—卷取电机 3—卷取辊 4—液压缸 5—活塞 6—滑台 7—光电检测装置 8—光源 9、10—透镜
11-光敏电阻R1 12—遮光罩
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1. 光敏电阻的工作原理及结构
当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加
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光敏电阻的结构
1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响， 因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。
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光敏电阻的频率特性
不同材料的光敏电阻具有不同的响应时 间，所以它们的频率特性也就不尽相同。
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（5）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。
温度系数: R2 R1 100%C 1
(T2 T1)R2
在一定光照下，温度每变化1℃， 光敏电阻阻值的平均变化率 硫化镉光敏电阻的温度特性
硅光电池的温度特性(照度1000lx)
(5)稳定性
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当光电池密封良好、电极引线可靠、应用 合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 影响性能和寿命因素：
光电池的材料及制造工艺 使用环境条件
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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
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标致Shoo
太阳能概念车
Quaranta
.奔驰F0
莲花Eco Elise
Enigma：
沃尔沃
通用Sunraycer
Antro Solo
完全靠太阳能电池的电力行驶的速度记录 88.5km/h Sunswift IVy：新纪录缔造者
太阳能飞机
“太阳神”号
追日者 “太阳驱动”号
太阳神号坠毁
硅光敏晶体管的频率响应
5 光电池
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有光线作用下实质上就是电源，电路中有 了这种器件就不再需要外加电源。
1. 工作原理 2．基本特性
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光电池外形
光敏面
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能提供较大电流的
大面积光电池外形
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1. 工作原理
直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面 积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两 端产生电动势(p区为正，n区为负) 。 用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流 过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电 路断开，就可以测出光生电动势。
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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。
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一、光电开关的结构和分类
光电开关可分为遮断型和反射型 两大类。遮断型光电开关的发射器和 接收器相对安放，轴线严格对准。当 有物体在两者中间通过时，红外光束 被遮断，接收器接收不到红外线而产 生一个负脉冲信号。 遮断型光电开 关的检测距离一般可达十几米，对所 有能遮断光线的物体均可检测。
2． 基本特性
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(1) 光谱特性 (2) 光照特性 (3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性
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（1）光谱特性
光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的
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(2)光照特性
不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。
短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的 光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用
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红外线辐射温度计外形
红外线辐射温度计 用于食品温度测量
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红外线辐射温度计用于人体额温测量
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红外线辐射温度计在
非接触温度测量中的应用
集成IC 温度测量
红2外020年线10月8日辐9时1射9分 温度计在非接触温度测量中7的1 应用（续）
温度 采集系统
利用红色激光瞄准被 测物（电控柜、天花 板内的布线层）
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光电池的短路电流
外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况 下的电流值。
负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽
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(3)频率响应
指输出电流随调制光频率变化的关系
硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换
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(4)温度特性
开路电压和短路电流随温度变化的关系。 关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到 测量精度或控制精度等重要指标
紫外6 管
真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性 充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，其灵敏度 随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
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2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
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触测量中的应用
比色式温度传感器采用比色式 （双波段）测温原理实现对被测目 标的非接触测温，用户不需知道物 质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和 灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响， 能瞄准 ,测量小目标，可不考虑距 离系数，可以不完全被目标充满， 不需调焦就可准确测量。
比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如 :烟 雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。
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梳 状 电 极
半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。 灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。 而且体积小、重量轻、性能稳定
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2． 光敏电阻的主要参数
（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间 测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流， 称为暗电流。
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光敏三极管
与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号 转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
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光敏二极管
将光敏二极管的 PN 结设置在透明 管壳顶部的正下方， 光照射到光敏二极 管的PN结时，电子 -空穴对数量增加， 光电流与照度成正 比。
光敏二极管外形
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光敏二极管阵列
红外发射管
红外接收管
（2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的 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。
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3．光敏电阻的基本特性
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（1）伏安特性
在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系
在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的， 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。
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二、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
光电式浊度计工作原理 2020年10月8日9时19分
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参比通道
1—恒流源 2—半导体激光器 3—半反半透镜 4—反射镜 5—被测水样 6、9—光电池 7、10—电流/电压转换器 8—标准水样
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光电比色高温计
1－物镜；2－平面玻璃；3－光阑；4－光导棒；5－分光镜； 6－滤光片；7－硅光电池；8－滤光片；9－硅光电池； 10－瞄准反射镜；11－圆柱反射镜；12－目镜；13－多夫棱镜 14、15－硅光电池负载电阻；16－可逆电机；17－电子电位差计
比色式温度传感器温度非接 2020年10月Biblioteka Baidu日9时19分
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光敏三极管外形
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2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
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（1）光谱特性
入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。
（2）伏安特性
比色高温计
板材轧制
窑炉测温
焦炉测温
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红外线辐射温度计：
红外辐射温度计既可用于高温测 量，又可用于冰点以下的温度测量， 所以是辐射温度计的发展趋势。市售 的红外辐射温度计的温度范围可以从30℃~3000℃，中间分成若干个不同的 规格，可根据需要选择适合的型号。
红外线辐射温度计外形
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激光仅 用于瞄准
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光电倍增管的结构 与工作原理
光电阴极 光电倍增极
阳极
倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且 电位逐级升高
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二 次电子发射
二次电子发射系数 σ =二次发射电子数／入射电 子数
若倍增极有n，则倍增率为σn。
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3 光敏电阻
1. 光敏电阻的工作原理及结构 2．光敏电阻的主要参数 3．光敏电阻的基本特性
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温度对光谱特性影响
随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此， 采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
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4 光敏二极管和光敏晶体管
工作原理 基本特性
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1． 工作原理
结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在 电路中一般是处于反向工作状态的
光敏二极管
“阳光动力”号
西风号
“阳光动力”2号 抵达重庆和南京
光电池在动力方面的应用（续） 56
太阳能发电
美国加州南部的太阳能热电厂
格尔木200兆瓦光伏电站
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光电池在动力方面的应用（续）
光电池在人造卫星上的应用
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其他光电池及在照度测量中的应用
柔光罩下面为圆形光电池
雾室内又涂有黑
色吸光材料，所
以红外LED发出
的红外光无法到
达红外光敏三极
管。
当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对
红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反
射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有
光电流输出。
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光电式数字转速表（遮断式）
c ZTN 60
2020年10月8日9时19分
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水泵转速测量