第4章 光电式传感器-PPT精选文档

第4章 光电式传感器
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

光电效应 光电器件 红外线传感器 色彩传感器 CZG－GD－500系列紫外火焰传感器 光纤传感器 光传感器应用实例 实训
4.1 光电效应
光电效应 光电元件的理论基础是光电效应。 光可以认为是由一定能量的粒子（光子） 所形成，每个光子具有的能量hγ正比于光的 频率γ（h为普朗克常数）。 用光照射某一物体，可以看做物体受到一 连串能量为hγ的光子所轰击。 物体材料吸收光子能量而发生相应电效应 的物理现象称为光电效应。

C
+ N P N
C Ic=β Icbo Jc
Je Icbo e b) e c) C
e
a)
图4 – 6 光敏三极管
a) 结构 b) 等效电路 c）图形符号
Ic
+UCC
（3 ~20）V
+UCC
Ic RL
U0 =UC C －Ic R L
C
RL
U0 =I C R L
e d) e)
图4 – 6 光敏三极管
4.2.3
光照φ U0
– RL μ A
+
Iφ E
P
N
a)
b)
图4 -5 光敏二极管 a)结构示意图及图形符号 b）基本应用电路
2.光敏三极管 光敏三极管有两个PN结，从而可以获得电流增 益。 它的结构、等效电路、图形符号及应用电路分 别如图4-6（a）、（b）、（c）、（d）所示。 光敏三极管与一只普通三极管制作在同一个管 壳内，连接成复合管，如图4-6（e）所示，称为达 林顿型光敏三极管。它的灵敏度更大（β=β1β2）。 但是达林顿光敏三极管的漏电（暗电流）较大， 频响较差，温漂也较大。


4.1.3 光生伏打效应 在光线作用下，物体产生一定方向电动 势的现象称为光生伏打效应。 具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、 硫化镉、砷化镓等。 例如，当一定波长的光照射PN结时，就 产生电子-空穴对，在PN结内电场的作用下， 空穴移向P区，电子移向N区，于是P区和N 区之间产生电压，即光生电动势。 利用该效应可制成各类光电池。
4.2 光电器件
光电器件 4.2.1 光电管和光电倍增管 光电管和光电倍增管同属于用外光电效应 制成的光电转换器件。 1.光电管 光电管的外形如图4-1所示。金属阳极A 和阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照射 在阴极时，光子的能量传递给阴极表面的电 子，当电子获得的能量足够大时，逸出金属 表面形成电子发射，这种电子称为光电子。
4.2.5
光电池的开路电压V与照度E是对数关系， 在2000lx的照度下趋于饱和。 在负载电阻远小于光电池内阻时，光电池 的电流称为短路电流Isc，与照度呈线性关系。 如图4-8（b）直线所示。 光敏二极管的光照特性为线性，适于作检 测元件，其特性如图4-8（c）所示。
d) 应用电路 e)光敏达林顿管
光电池 光电池的工作原理是基于光生伏打效应。 当光照射在光电池上时，可以直接输出电动 势及光电流。 图4-7所示是光电池结构与图形符号。 光池等。 应用最广的是硅光电池，优点：性能稳定、 光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能 耐高温辐射、价格便宜等。
4.2
2 1
3
4 5 6
图4 -1 一种常见的光电管外形
1-阳极A 2-阴极K 3-玻璃外壳 4-管座 5-电极引脚 6-定位销
光电管的图形符号及测量电路如图4-2所示。
（+50 ~ +70）V
Iφ
E RO UL
图4 -2 光电管符号及测量电路
2.光电倍增管 光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常高， 信噪比大，线性好，多用于微光测量。 如图４-3是光电倍增管结构示意图。
φ D1 D3 A
K
D2
D4
RL
U0
图4 -3 光电倍增管结构及工作原理



4.2.2 光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。 光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物、碲 化物等半导体材料。 在半导体光敏材料两端装上电极引线， 将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了光 敏电阻，如图4-4（a）所示。 为了增加灵敏度，两电极常做成梳状， 如图4-4（b）所示， 图形符号如图4-4（c）所示。
4.2.4
金属镀层电极 光
+
焊 点
P型硅 PN结 N型硅
–
a)
b)
图4-7 硅光电池
a) 结构示意图 b) 图形符号
光电元件的特性 1.光照特性 当光电元件上加上一定电压时，光电流I 与光电元件上光照度E之间的对应关系，称为 光照特性。一般可表示为 ： I = f（E） 对于光敏电阻器，因其灵敏度高而光照特 性呈非线性，一般用于自动控制中作开关元 件。其光照特性见图4-8（a）。
1 m v2 2




4.1.2 内光电效应 光照射于某一物体上，使其导电能力发 生变化，这种现象称为内光电效应，也称光 电导效应。 硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅等在 受到光照时均会出现电阻下降的现象。 电路中反偏的PN结在受到光照时也会在 该PN结附近产生光生载流子（电子-空穴 对）。 利用上述现象可制成光敏电阻，光敏二 极管，光敏三极管，光敏晶闸管等光电转换 器件。
φ
Iφ
mA a)
图4-4 光敏电阻机构示意图及图形符号
a）原理图
b)
图4-4 光敏电阻机构示意图及图形符号
b）外形图
c)
图4-4 光敏电阻机构示意图及图形符号 c）图形符号
光敏二极管和光敏三极管 1.光敏二极管 光敏二极管是一种利用PN结单向导电性 的结型光电器件，与一般半导体二极管不同 之处在于其PN结装在透明管壳的顶部，以便 接受光照，如图4-5（a）所示。 它在电路中处于反向偏置状态，如图4-5 （b）所示。 光电流与光照度成正比。 还有一种雪崩式光敏二极管（APD）。
4.1




4.1.1 外光电效应 光照射于某一物体上，使电子从这些物 体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光 电发射。逸出来的电子称为光电子。 外光电效应可由爱因斯坦光电方程来描 述： 1
2
mv h A
2
一个光子的能量只能给物体中的一个自由电子， 使自由电子能量增加hγ，这些能量一部分用于克服 逸出功A，另一部分作为光电子逸出时的初动能：