第三章 光电传感器
光电式传感器
-20 ºC 3.0 4.0 λ/μm
21
常用光敏电阻旳性能参数
给出常用国产MG型光敏电阻旳性能参数
表2.5（1）
常用旳光敏电阻器型号有密封型旳MG41、MG42、MG43和非密封型旳MG45（售22价便 宜）。它们旳额定功率均在200mW下列。
② 光敏晶体管
广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电 机转速旳检测、光电读出装置等场合。
根据能量守恒定理
h
1 2
m02
A
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。 h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光旳频率（s-1）
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
可见：光电子能否产生，取决于光子旳能量是否不小于该物体旳表面逸出功。
h A
hc A
1.239 A
m
0
即入射光波长不大于波长限
光敏二（三）极管存在一种最佳敏捷度旳峰值波长。当入射光旳波长增长时， 相对敏捷度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光旳 波长缩短时，相对敏捷度也下降，这是因为光子在半导体表面附近就被吸收， 而且在表面激发旳电子空穴对不能到达PN结，因而使相对敏捷度下降。01.239 A Nhomakorabeam
时才干产生外光电效应 6
光电管
光电管是装有光阴极和阳极旳真空玻璃管，其阴极受到合适旳光照后发 射光电子，这些光电子被具有一定电位旳阳极吸引，并在管内形成空间 电子流，称为光电流。 此时若光强增大，轰击阴极旳光子数增多，单位时间内发射旳光电子数 也就增多，光电流变大。 在光电管旳外电路上接合适电阻，电阻上旳电压降将和管内空间电流成 正比，或与照射到光电管阴极上旳光有函数关系，从而实现光电转换。
光电传感器课件
光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二 极管具有更高的灵敏度。其结构如图6-1-12a所示。
当光敏三极管按图6-1-12b所示的电路连接时，它的集电结反向偏 置，发射结正向偏置，无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过 透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的 反向电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数 载流子(电子)将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区 注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正 极相接的集电极，形成集电极电流。这个过程与普通三极管的电流放大 作用相似，它使集电极电流是原始光电流的(l+β )倍。这样集电极电流 将随入射光照度的改变而更加明显地变化。
下一节
一、光电效应与光电器件
光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空光电元
件和半导体光电元件两大类。它们的工作原理都基于不同形式
的光电效应。根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以
光速运动的’粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能
量为
E=h ·υ
(6-1)
式中， υ为光波频率；h为普朗克常数，h＝6.63*10-34 J/Hz
亮电流与暗电流之差称为光电流。
显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电 流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。
光电传感器的工作原理
光电传感器的工作原理光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，广泛应用于工业自动化、机器人技术、安防监控等领域。
它通过感知光的强度、颜色、位置等特征，实现对环境的检测和控制。
下面将详细介绍光电传感器的工作原理。
一、光电传感器的基本构成光电传感器主要由光源、光电元件和信号处理电路组成。
1. 光源：光源是光电传感器中发出光信号的部分，常用的光源有发光二极管（LED）、激光器等。
光源的选择通常根据应用需求来确定，例如需要检测远距离的物体，可以选择激光器作为光源。
2. 光电元件：光电元件是光电传感器中接收光信号并将其转化为电信号的部分。
常见的光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。
光电元件的选择也取决于应用需求，例如需要检测光强度变化的，可以选择光敏电阻。
3. 信号处理电路：信号处理电路是光电传感器中负责接收并处理光电元件输出的电信号的部分。
它可以将电信号转化为数字信号或模拟信号，以便后续的数据处理和控制。
二、光电传感器的工作原理可以分为两种类型：反射式和穿过式。
1. 反射式光电传感器：反射式光电传感器通过光源发出的光信号被目标物体反射后，由光电元件接收。
当目标物体接近或离开光电传感器时，光信号的强度会发生变化，光电元件将这个变化转化为电信号输出给信号处理电路。
根据光信号的强度变化，可以判断目标物体的存在与否、离近程度等信息。
2. 穿过式光电传感器：穿过式光电传感器中，光源和光电元件分别位于传感器的两侧，目标物体需要穿过光源和光电元件之间的空间。
当目标物体遮挡住光源发出的光信号时，光电元件接收到的光信号强度会发生变化，从而输出相应的电信号。
通过检测光信号的变化，可以判断目标物体的存在与否、通过时间等信息。
三、光电传感器的应用光电传感器具有灵敏度高、响应速度快、精度高等优点，被广泛应用于各个领域。
1. 工业自动化：光电传感器常用于工业自动化中，用于检测物体的存在与否、位置、颜色等信息。
例如，在生产线上，光电传感器可以用来检测产品的位置，以便进行后续的加工和包装。
光电传感器工作原理
光电传感器工作原理光电传感器是一种能够将光信号转换为电信号的装置，广泛应用于工业自动化、光电测量、医疗设备、安防监控等领域。
它通过感受光线的强度、频率或波长的变化，将光信号转换为电信号，从而实现光与电的转换。
光电传感器的工作原理主要包括光电效应、光电二极管和光敏电阻。
1. 光电效应：光电效应是指当光照射到金属或半导体材料表面时，会引起电子的发射或能级的变化。
根据光电效应的不同，光电传感器主要分为光电二极管和光敏电阻两种类型。
2. 光电二极管：光电二极管是一种利用光电效应工作的器件，它由一个PN结构组成，当光照射到PN结上时，会产生电流。
光电二极管的工作原理是利用光子的能量将电子从价带激发到导带，产生电流。
3. 光敏电阻：光敏电阻是一种利用光电效应工作的电阻器件，它的电阻值会随着光照强度的变化而改变。
光敏电阻的工作原理是光照射到光敏电阻上时，光子的能量会激发电子，使其从价带跃迁到导带，导致电阻值的变化。
光电传感器的工作过程如下：1. 光源发射光线：光电传感器中通常会有一个光源，如LED或激光二极管，用于发射光线。
2. 光线照射物体：光线从光源发出后，会照射到待测物体表面。
3. 光线被反射、散射或吸收：光线照射到物体表面后，会发生反射、散射或被吸收的现象。
根据不同的应用需求，光电传感器可以通过测量光线的强度、频率或波长的变化来判断物体的性质或状态。
4. 光电传感器接收光信号：光电传感器中的光电二极管或光敏电阻会接收到反射、散射或吸收的光信号，并将其转换为电信号。
5. 信号处理和输出：光电传感器会对接收到的电信号进行放大、滤波和处理，然后将处理后的信号输出给控制系统或显示设备。
光电传感器的应用范围十分广泛。
在工业自动化中，光电传感器可以用于物体检测、位置检测、计数和测量等方面。
例如，通过安装在生产线上的光电传感器，可以实现对物体的自动检测和分拣。
在光电测量领域，光电传感器可以用于测量光强、光功率、光谱分析等。
光电传感器的工作原理
光电传感器的工作原理
光电传感器利用光电效应的原理来检测光的存在或强度变化。
其工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 光电效应：光线照射到光电传感器上的光电极上时，光子能量会激发光电极表面的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
2. 电荷分离：光电极材料的选择使得电子能够在光电极内自由传导，而空穴则往空穴集区移动，这样就形成了电荷分离。
3. 电流产生：由于电子和空穴的运动，光电极上就会形成一个电流。
这个电流的大小与光照强度成正比。
4. 信号放大与处理：由于光电极产生的电流很微弱，为了能够检测和处理这个信号，需要经过放大和处理电路的作用。
5. 输出信号：在经过放大和处理之后，光电传感器会产生一个输出信号，可以是电压信号或者数字信号，用来表示光的存在或强度变化。
总的来说，光电传感器的工作原理是通过光电效应将光的能量转化为电子，然后利用电子的运动产生电流，再经过放大和处理得到输出信号，实现对光的检测和测量。
光电传感器-PPT
⑴槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（<µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。
光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。 发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。
接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
第3章 安全检测常用传感器
第三章安全检测常用传感器1. 传感器的分类温度传感器物理量传感器压力传感器按输入量（被测对象）分类化学量传感器位移传感器生物量传感器从传感器的转换原理来说：结构型、物性型按转换元件的能量转换方式：有源型（能量转换型）和无源型（能量控制型或参数型）按输出信号的形式传感器可分为：开关式、模拟式和数字式按输入、输出特性传感器可分为：线性和非线性2. 结构型传感器：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器2.1电阻应变式传感器：利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，从而实现电测非电量的传感器（原理基于电阻应变效应）2.1.1 电阻应变效应：电阻材料的电阻值随机械变化的物理现象2.1.2 压阻效应：电阻材料受到载荷作用产生应力时、其电阻率发生变化的物理现象2.1.3 金属材料的电阻率相对变化正比于体积的相对变化2.1.4 金属材料的应变电阻效应：金属材料的电阻相对变化与其线应变ε成正比2.1.5 应变灵敏度系数：K s=(1+2μ)+πE2.1.6 应变片测量应变的基本原理：外力作用而引起的轴向应变，将导致电阻丝的电阻成比例地变化，通过转换电路可将这种电阻变化转换为电信号输出2.1.7 电阻应变计：把应变丝制成栅状的应变敏感元件2.1.8 电阻应变片(简称应变片）由敏感栅、基底、覆盖层、引线和粘合剂构成2.1.9按加工方法,可以将应变片分为以下四种：丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片、薄膜应变片按敏感栅的材料,可将应变计分为金属应变计和半导体应变计两大类2.1.10电阻应变片静态特性：灵敏度系数、机械滞后、蠕变、应变极限2.1.10.1横向效应：将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，其灵敏系数降低了的现象2.1.10.2应变计的零漂：粘贴在试件上的应变计，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性2.1.10.3应变计的蠕变：如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，应变计电阻值随时间而变化的特性2.1.10.4应变极限：在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值2.1.11应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。
第3章 光电传感器
光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收 了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强 了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又 复合，阻值恢复。 uA 导带 E g E I
h
Rg
价带
要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足
h Eg
hc 或 Eg
刚好产生内光电效应的临界波长为 1293 0 (nm) Eg
第 3章
光电式传感器
光电式传感器的工作原理是：首先把被测 量的变化转换成光学量的变化，再通过光 电元件把光学量的变化转换成电信号。
基本原理是物质的光电效应
光电传感器属于无损伤、非接触测量器件，具有体积小、重量轻、 响应快 、灵敏度高、功率低、便于集成、可靠性高、适于批量生产等优点。
3.1 光电效应
路处理后便可正确地测出加速度值。
光纤加速度传感器结构简图
由于光纤长度的变化，引起光束光程差的变化 2n1L
相位变化为 2n1L
2n1 L L
2n1 L 4n1 Lm d2 ma a (S ) 2 2SE 4 E d
两束光经干涉仪产生相干条纹，相干条纹移过的 数目与相位差成正比。一般用光电探测器计下干 涉条纹移过的数目，经处理电路可算出相位差， 即而算出加速度。
的作用下, 最后建立一个与光照强度有关的电动势。
光电池工作原理图
uA
输出电流
mV
输出电压
光电池的基本特性
（１）光照特性
反映短路电流、开路电压与光照度的关系。
短路电流在很大范围内与光照强度成线性关 系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。 开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度 的关系是非线性的, 并且当照度在2000 lx时就趋 于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开
光电式传感器3最新课件
能为(1／2)mυ2 根据能量守恒定律有
1mv2 hf -A 7-2 2
式中，m为电子质量；
v为电子逸出的初速度。
光电式传感器(3)最新课件
由式7-2可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是 hf>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材 料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频 率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称 为“红限”。
光电式传感器(3)最新课件
由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管性能较差。因此在探测可见 光或赤热物体时，多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗管较为 合适。
2)伏安特性
光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就象普通三极管在不同基极电 流下的输出特性一样，如图7-1-13所示。在这里改变光照就相当于改变一 般三极管的基极电流，从而得到这样一簇曲线。
光电式传感器(3)最新课件
我们知道，PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N 区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中 的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照PN结 时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生 光生电子—空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它 们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向 上渡越PN结，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生 电子—空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随 之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。
光电式传感器(3)最新课件
(三)光敏晶体管
光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是 基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上， PN结参与了光电转换过程。
光电传感器的工作原理
光电传感器的工作原理光电传感器是一种能够将光信号转换为电信号的装置，广泛应用于工业自动化、机器人技术、光电测量等领域。
它通过感受光的变化来实现对目标物体的检测和测量。
本文将详细介绍光电传感器的工作原理及其组成部份。
一、光电传感器的组成部份光电传感器主要由光源、光敏元件和信号处理电路组成。
1. 光源：光源是光电传感器的发射器，通常采用发光二极管（LED）作为光源。
LED具有高亮度、长寿命、低功耗等优点。
光源的选择要根据具体的应用需求来确定。
2. 光敏元件：光敏元件是光电传感器的接收器，用于接收光源发出的光信号并将其转换为电信号。
常见的光敏元件包括光电二极管（Photodiode）、光敏三极管（Phototransistor）等。
光敏元件的选择要考虑到光敏度、响应速度、线性度等因素。
3. 信号处理电路：信号处理电路用于对光敏元件接收到的电信号进行放大、滤波、判别等处理，以得到准确的检测结果。
信号处理电路通常由放大器、滤波器、比较器等组成。
二、光电传感器的工作原理基于光的吸收和反射特性。
当光线照射到被测物体上时，根据物体的颜色、形状、透明度等特性，光的吸收和反射程度不同，从而产生不同的光信号。
光电传感器通过光源发出的光线照射到目标物体上，光敏元件接收到被测物体反射的光信号，并将其转换为电信号。
信号处理电路对接收到的电信号进行处理和判别，以实现对目标物体的检测和测量。
具体来说，光电传感器可以根据光的反射特性分为两种工作模式：透射型和反射型。
1. 透射型光电传感器：透射型光电传感器由光源和光敏元件分别安装在被测物体的两侧。
光源发出的光线经过被测物体后，被光敏元件接收。
当被测物体存在时，光线被遮挡，光敏元件接收到的光信号减弱或者消失；当被测物体不存在时，光线不被遮挡，光敏元件接收到的光信号强度较大。
根据光敏元件接收到的光信号强度的变化，可以判断目标物体的有无。
2. 反射型光电传感器：反射型光电传感器由光源和光敏元件安装在同一侧，光线通过光源发出后，被测物体反射部份光线到达光敏元件。
第3章光电式传感器-2019
光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速
c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长
λ和频率ν的关系为
νλ=3×1010cm / s
ν的单位为Hz，λ的单位为cm。
第3章 光电式传感器
二、光源（发光器件） 1、钨丝白炽灯
用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽 灯的辐射光谱是连续的 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光 敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对 接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。
第3章 光电式传感器
若在热释电体两端的电极上接入电阻R,则R两端所产 生的交流信号电压ΔU为
U S R( dPS ) S R g( dT )
dt
dt
式中,S为电极面积,dPS/dt为自发极化矢量对时间的相对 变化,g=dPS/dT为热释电系数,dT/dt为温度对时间的变化率。 由此看出,输出信号ΔU与温度变化速度成正比,而温度的变化
为了使产生的束缚电荷不被中和掉,就必须使晶体处于 冷热交变工作状态,这样才能使晶体两端所产生的束缚电荷 表现出来。为此,热释电传感器需要用光调制器调制入射光。 调制频率f必须大于1/τ,才能使热释电体产生的电荷来不及 被外来自由电荷所中和,在晶体极轴两端产生交变电压.
调制辐射
R U
图3.5 热释电效应示意图
当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成 正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的 电子数也就越多。
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光 电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有 光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压， 而且截止电压与入射光的频率成正比。
光电传感器的工作原理
光电传感器的工作原理
光电传感器是一种能将光信号转化为电信号的设备，其工作原理主要基于光电效应和半导体材料的特性。
光电效应是指当光束照射到金属或半导体表面时，光子激发了表面的电子，使其能量增大并逃离金属或半导体表面。
这种现象是由光子的能量与光电子的束缚能之间的差异所决定的。
光电传感器通常基于半导体材料制成。
半导体材料的特性是，在光照下，它的电阻和导电性会发生变化。
根据这个特性，光电传感器可以通过测量半导体材料中的电阻或电流变化来检测光照强度或光源的存在。
具体来说，光电传感器通常由一个光敏元件（例如光敏二极管或光敏电阻器）和一个信号处理电路组成。
光敏元件会将光照转化为电信号，并将其传递给信号处理电路。
信号处理电路会对电信号进行放大、滤波和解码等操作，以得到需要的输出信号。
在实际应用中，光电传感器可以用于测量光照强度、检测物体的存在与否、测量物体的位置和运动等。
根据不同的工作原理和结构设计，光电传感器可以具有不同的特性和应用范围。
例如，光电二极管具有快速响应和高灵敏度等特点，适用于高速测量和光通信等领域；而光电电阻器具有广泛的光控范围和简单的结构，适用于照明自动控制和环境监测等应用。
总之，光电传感器通过光电效应和半导体材料的特性将光信号
转化为电信号，并通过信号处理电路对其进行处理和解码，从而实现对光照强度和光源的检测与测量。
光电传感器原理
光电传感器原理光电传感器是一种能够将光能转化为电能的设备，广泛应用于光电检测、自动化控制和信息处理等领域。
本文将介绍光电传感器的工作原理和应用。
一、光电传感器的工作原理光电传感器的工作原理基于光电效应和光电二极管的特性。
光电效应指的是当光线照射到物质表面时，光子能量可被电子吸收，并使其获得足够的能量跃迁到导带中。
光电传感器中常用的光电二极管，其双极性导体材料会产生光电效应，从而产生电流。
光电传感器通常由光源、光接收单元和信号处理电路组成。
光源发出光线，光线经过目标物体后反射或被吸收。
光接收单元将光线转换为电流信号，并经过信号处理电路进行放大和滤波，最终转换为数字电信号输出。
二、光电传感器的应用1. 光电检测光电传感器在工业自动化领域中广泛应用于物体检测和位置测量。
通过测量光线是否被物体遮挡，可以实现对物体的检测和计数。
光电传感器还可用于测量物体的位置，如在流水线上检测产品的位置，实现准确的定位。
2. 反射式光电传感器反射式光电传感器通过光源和接收单元位于同一侧，利用被测物体对光线的反射来判断物体的存在。
这种传感器常用于自动门、流水线等场合，用于检测物体是否通过或停留。
3. 透射式光电传感器透射式光电传感器由光源和接收单元分别位于物体的两侧，通过测量光线是否被物体遮挡来判断物体的存在。
透射式光电传感器可以应用在包装、印刷和纺织等行业，用于检测物体的位置、长度或厚度等参数。
4. 光电开关光电开关是一种能够将光信号转换为电信号，用于控制电路的开关装置。
光电开关常用于自动门、照明系统和安防设备中，通过物体对光线的遮挡或接触来触发电路，实现自动控制。
三、光电传感器的发展趋势随着科技的不断进步，光电传感器在性能和应用方面也不断完善。
目前，一些新型的光电传感器已经采用了微纳技术和光纤传输技术，使其在体积、灵敏度和稳定性方面有了较大的提升。
同时，光电传感器正在与其他技术相结合，如无线通信技术和人工智能等。
这将使光电传感器在智能家居、智能制造和自动驾驶等领域有更广泛的应用。
3.5--光电传感器解析
•
光电池的基本特性包括光照特性、频
率响应、光谱特性和温度特性等。常用的硅
光电池的 光谱范围为 0.45～1.1μm，在800
左右有一个峰值；而硒光电池的光谱范围为
0.34～0.57μm，比硅光电池的范围窄得多，
它在500 左右有一个峰值。此外，硅光电
池的灵敏度为6～8nAmm-21x-1，响应时间为
• 3.5.1 光电测量原理
• 光电传感器的工作基础是光电效应。每个光 子具有的能量为hν（ν为光的频率， h=6.62620×10-34J.s为普朗克常数）。用光 照射某一物体，即为光子与物体的能量交换 过程，这一过程中产生的电效应称为光电效 应。光电效应按其作用原理又分为外光电效 应、内光电效应和光生伏打效应。
• 2.光电倍增管
• 光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干 个“倍增极”，或叫“次阴极”。倍增极上 涂有在电子轰击下能反射更多电子的材料， 倍增极的形状和位置设计成正好使前一级倍 增极反射的电子继续轰击后一级倍增极。在 每个倍增极间依次增大加速电压，如图3-47a 所示。设每极的倍增率为δ（一个电子能轰击 产生出δ个次级电子），若有n次阴极，则总 的光电流倍增系数M=（Cδ）n（C为各次阴极 电子收集率），即光电倍增管阳极电流I与阴 极电流I0之间满足关系I=I0M= I0（Cδ）n，倍 增系数与所加电压有关。
不同的灵敏度。表征光电阴极材料特性
的主要参数是它的频谱灵敏度、红限和 逸出功。如银氧铯（Ag-Cs2O）阴极在
整个可见光区域均有一定的灵敏度，其
频谱灵敏度曲线在近紫外光区 （4.5×103 ）和近红外光区 （7.5×103～8×103 ）分别有两个峰
值。因此常用来作为红外光传感器。它 的红限约为7×103 ，逸出功为0.74eV， 是所有光电阴极材料中最低的。
光电传感器详细ppt课件
1. 结构和工作原理
➢ 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 是光电倍增管做光电转换元 件。 ➢ 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，发出二次电子， 将光电流在管内进行放大。
效应和光生伏特效应两类。 （1） 光电导效应
在光线作用，电子吸收 光子能量从键合状态过 渡到自由状态，而引起 材料电导率的变化，这 种现象被称为光电导效 应。基于这种效应的光 电器件有光敏电阻。
hhc1.24Eg
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
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（2） 光电管的光照特性
通常指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为光电管的光照特
性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电
1、外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外 发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光 电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍 增管等。
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：
E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）
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ν的单位为Hz，λ的单位为cm。
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第三节 光电传感器
• （4）遮挡式。光源发出一定的光通量，射到光敏器件上， 光路途中遇到了被测对象遮挡了一部分光，由此改变了光 敏器件的光通量。
P 0
A
• （5）开关式。光源与光敏元件间的光路上有物体时，光 路被遮断，没有物体时光路畅通。其用途形式有三种：开 关、计数、编码。
• b、光伏效应。物体受光照射产生一定方向电动势的现象 称为光伏效应。基于光伏效应的光电元件有光电池、光敏 晶体管等（半导体光电器件）
V
IΦ
+ μ A
-
E
光 敏 晶 体 管
结构示意图和图形符号
基本电路
一、主要光电元件
新型的硅光电池 是在P型衬底上制 造一薄层N型层作 为光照敏感面，效 率更高。N型区每吸 收一个光子就产生 一对光生电子-空穴 对。空穴通过漂移 运动被拉到P型区， 带正电；电子留在 N区，带负电。
PIN光电二极管
PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻 率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作 频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压） 高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的 光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作 各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接 收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关、中波频带 到1000MHZ之间电流控制、可变 衰减器、各种通信设备收发天线的 高频功率开关切换和RF领域的高 速开关等。特殊结构的PIN二极 管还可用于测量紫外线或射线等。
2、光敏晶体管
光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它 们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差 别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光 电转换过程。 光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的 PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可 以集中照射在PN结上，光敏二极管在电路中
说课-光电传感器
3.2 常用光电元器件
3.2.2 光敏电阻
采用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件， 其电阻值随光照而变化。
一、 光敏电阻的结构及工作原理
外形图
原理图
电路符号
3.2 常用光电元器件
光照越强，阻值越小，电流越大
3.2 常用光电元器件
二、 光敏电阻的主要特性参数
1．暗电阻、亮电阻和光电流 ● 暗电阻：光敏电阻在室条件下，无光照时具有的 电阻值，称为暗电阻（>1MΩ ）。此时流过的电流称为 暗电流。 ● 亮电阻：光敏电阻在一定光照下所具有的电阻称 其为在该光照下的亮电阻（<1kΩ ）。此时流过的电流 称为亮电流。 ● 光电流=亮电流暗电流。
被测量
光信号
电信号
的变化
的变化
光电传感器的工作原理
的变化
光电传感器的理论基础：光电效应 光电传感器的构成：光电元件、光源、光学通路。
3.1 光电效应
光电传感器的理论基础是光电效应。即物 体吸收光子能量后产生的电效应。通常把光线 照射到物体后产生的光电效应分为三大类，即 外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。
3.3 光电传感器的应用
遮光式 光源 被测物 光电元件
x
恒光源发射的光到达光电元件的路径上，受到被测物 的遮蔽，因此照射到光电元件上的光通量发生了变化， 根据被测对象阻挡光通量的多少来测量被测对象的几何 尺寸（如长度、厚度等）或运动状态（如线位移、角位 移）。
3.3 光电传感器的应用
辐射式 被测物（光源） 光电元件
3.2 常用光电元器件
3. 光敏二极管的反向偏置接法
3.2 常用光电元器件
三、 光敏三极管
光敏三极管有两个P-N 结。光敏三极管的基极和 集电极之间的P-N结相当于 光敏二极管的P-N结，受到 光照所产生的光电流作为 基极电流，因此光敏三极 管没有基极，往往只装两 根引出线。
光电传感器PPT
05 光电传感器的未来展望
拓展光电传感器的应用领域
医疗领域
光电传感器在医疗领域的应用将 进一步拓展，如用于监测生命体 征、诊断疾病的光电传感器。
环保领域
随着环保意识的提高，光电传感 器在环境监测、污染治理等方面 的应用将得到加强。
智能家居领域
光电传感器在智能家居领域的应 用将更加广泛，如智能照明、智 能安防等。
详细描述
目前，科研人员正致力于研究新型光电传感器材料，如石墨烯、过渡金属硫化物等，这些材料具有优异的光电性 能和化学稳定性，有望在光电传感器领域发挥重要作用。
实现光电传感器的智能化和网络化
总结词
随着物联网和人工智能技术的快速发展，实现光电传感器的智能化和网络化已成为必然 趋势。
详细描述
通过集成微处理器、通信模块和人工智能算法，光电传感器可以实现自适应调整、远程 控制和实时数据分析等功能，从而更好地适应复杂多变的应用环境。同时，通过将光电 传感器接入物联网，可以实现大规模的远程监控和数据共享，为工业自动化、智慧城市
激光雷达
利用光电传感器中的激光雷达技术， 可以测量物体的距离和速度，广泛应 用于自动驾驶和机器人领域。
光电传感器在环保领域的应用
水质监测
光电传感器可以检测水中的溶解氧、浊度、 PH值等参数，对水质进行实时监测。
紫外线检测
光电传感器中的紫外线传感器能够检测紫 外线的强度，常用于防晒霜效果评估和环
境监测等领域。
提高光电传感器的可靠性和稳定性
材料改进
通过改进光电传感器的材料，提高其耐久性和稳定性， 降低故障率。
工艺优化
优化光电传感器的制造工艺，提高其生产效率和产品 质量。
可靠性测试
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3.6.3
光电传感器的应用
图示为光电式数字转速表工作原理图。图(a)表示转轴上涂黑 (3) 光电转速传感器 白两种颜色的工作方式。当电机转动时，反光与不反光交替 出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉冲。经放 大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机的转速。 图(b)为电机轴上固装一齿数为z的调制盘〔相当图(a)电机轴 上黑白相间的涂色〕的工作方式。其工作原理与图(a)相同。 若频率计的计数频率为f，由下式： n=60f/z 即可测得转轴转速n(r/min)。
光电器件 (4) 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。
特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、 可靠性高; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、 自动报警、自动计数等领域和装置。
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3.6.2 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管
①光敏二极管
光敏二极管结构与一般二 极管相似，它们都有一个P－ N结，并且都是单向导电的非 线性元件。为了提高转换效 率大面积受光，PN结面积比 一般二极管大。
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硅光敏二极管结构
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3.6.2 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管
①光敏二极管 工作原理： 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， 反向电流很小； 有光照时，PN结处产生光生 电子空穴对； 在电场作用下形成光电流， 光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致。
光 电 池 符 号
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3.6.2 光电器件 (5) 光电池（有源器件）
太 阳 电能 警供 示
LED
太阳能手机充电器 2017/5/28
太 阳 能 电 池
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3.6.2 光电器件 (5) 光电池（有源器件）
结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅 状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射PN结的一个面时，电子——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。一般可产生0.2V～0.6V电压50mA电流。
传感与检测技术
主讲：自动化学院检测教研室
刘红丽
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3.6 光电式传感器
主要内容：
3.6.1光电效应 3.6.2 光电器件 光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、 光电池、其他光电器件、电荷耦合器 3.6.3 光电式传感器的应用
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3.6.2
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3.63
光电传感器的应用
(4) 光电池 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏 二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全 相同。由于光电池工作时不需要外加电压，光电转 换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等， 它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、 激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的 熄火保护装置等。
光敏二极管基本电路
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3.6.2 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管
②光敏三极管
与普通晶体管不同的是， 光敏晶体管是将基极—集电极 结作为光敏二极管，集电结做 受光结，另外发射极的尺寸做 的很大，以扩大光照面积。 大多数光敏晶体管的基极 无引线，集电结加反偏。玻璃 封装上有个小孔，让光照射到 基区。
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3.6.3 光电传感器的应用 （1）测量物体
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3.6.4 光电器件 (3) 光电器件的测量方法
反射式 透射式
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3.6.3
光电传感器的应用
(2) 烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了 消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此 必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟 道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的 变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出 的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器 的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映 烟道浊度的变化。
硅、硒光电池的频率特性
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3.6.2
(5)
光电器件
光电池（有源器件）
④温度特性
指开路电压和短路电流 随温度变化的关系。
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3.6.3
光电传感器的应用
• 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等 优点,传感器的结构简单,形式灵活多样,体积 小。近年来,随着光电技术的发展,光电传感器 已成为系列产品,其品种及产量日益增加,在各 种轻工自动机上获得广泛的应用。
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3.6.2
(5)
光电器件
光电池（有源器件）
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。
光电池光照特性
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光电池光照与负载的关系
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3.6.2
(5)
光电器件
光电池（有源器件）
②光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度 不同。 硅光电池的光谱响应峰值在 0.8μm附近，波长范围0.4～ 1.2μm。硅光电池可在很宽的 波长范围内应用。 硒光电池光谱响应峰值在 0.5μm附近, 波长范围0.38～ 0.75μm。
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3.6 光电式传感器
本章要点：
•光电效应； •光电器件； •光电器件应用。
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光电池工作原理图
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光电池结构
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光电器件
光电池（有源器件）
①光照特性 • 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开 路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线 性关系，在照度2000lx下趋于饱和。 • 短路电流，短路电流与照度之间关系称短路 电流曲线曲线，短路电流是指外接负载RL相对 内阻很小时的光电流。
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硅光敏二极管光谱响应
传感与检测技术
光敏晶极管光谱响应
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3.6.2 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管
伏安特性 光敏二极管：当反向偏 压较低时，光电流随电 压变化比较敏感，随反 向偏压的加大，光生电 流趋于饱和，这时光生 电流与所加偏压几乎无 关，只取决于光照强度。
光敏二极管伏—安特性
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3.6.2
(5)
光电器件
光电池（有源器件）
③频率特性 频率特性指光电池相对输 出电流与光的调制频率之间 关系。 硅、硒光电池的频率特性不 同，硅光电池频率响应较好 硒光电池较差。 所以高速计数器的转换一般 采用硅光电池作为传感器元 件。
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光敏二极管暗电流与温度关系
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3.6.2 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管
频率响应: 光敏管的频率响应是指光敏 管输出的光电流随频率的变 化关系。光敏管的频响与本 身的物理结构、工作状态、 负载以及入射光波长等因素 有关。图光敏二极管频率响 应曲线说明调制频率高于 1000Hz时，硅光敏晶体管灵 敏度急剧下降。
V0 i p RL
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ห้องสมุดไป่ตู้
传感与检测技术
——晶体管电流放大系数
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3.6.2 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管
特性：光敏晶体管的光谱特性 • 硅材料的光敏管峰值波长在0.9μm附近（可见光） 灵敏度最大； • 可见光或探测赤热状 物体时一般都用硅管 • 锗管的峰值波长约为 1.5μm（红外光） • 对红外进行探测时用 锗管较适宜。
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3.6.2 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管
②光敏三极管
硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN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，形成三极管输出电流，使晶 体管具有电流增益。在负载电阻RL上的输出电压为：
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3.6.2 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管
光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线 如图所示
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光敏晶体管等效电路
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光敏晶体管伏安特性
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3.6.2 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管
温度特性 由于反向饱和电流与温 度密切有关，因此光敏 二极管的暗电流对温度 变化很敏感。
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光敏晶体管光谱特性
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3.6.2 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管
光谱特性 硅光敏二极管：当入射波长＞900nm时，响应下降， 因波长长， 光子能量小于禁带宽度，不产生电子— —空穴对； 当入射波长＜900nm时，响应也逐渐下 降，波长短 的光穿透深度小，使光电流减小。
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光敏二极管频率响应曲线
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3.6.2 光电器件 (5) 光电池（有源器件）
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、砷化镓、氧化铜等等。