传感器原理

§3.7 光电传感器-光电效应
河南工业大学机电学院
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：受光照物体电导率发生变化或产生光电 动势的效应。分为光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应：在光线作用下 能使物体电阻率改变的现象， 如光敏电阻。 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。
§3.7 光电传感器
光电式传感器 主要内容：
河南工业大学机电学院
本章学习光电效应、光电元件的结构、工作 原理、特性以及光电传感器的各种应用。
§3.7 光电传感器-光电效应
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。
河南工业大学机电学院
§3.7 光电传感器-光敏电阻
河南工业大学机电学院
光敏电阻的主要参数
(a) 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。 (b) 亮电阻和亮电流
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。 (c) 光电流
机械工程测试技术
河南工业大学机电学院
第三章 常用传感器工作原理 与测量电路
机械工程测试技术
第三章 常用传感器工作原理 与测量电路
本章内容：
河南工业大学机电学院
○ 传感器概述
○ 应变式电阻传感器 ○ 电容式传感器 ○ 电感式传感器 ○ 压电式传感器
○ 磁电式传感器
○ 光电式传感器 ○ 其它常用传感器 ○ 传感器的选用
§3.7 光电传感器-光敏电阻
河南工业大学机电学院
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
当光敏电阻受到光 照时，光生电子— 空穴对增加，阻值 减小，电流增大。
暗电流（越小越好）
§3.7 光电传感器-光敏电阻
光敏电阻的工作原理及结构
电极 半导体
玻璃极板
河南工业大学机电学院
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
硅光敏三极管
光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
§3.7 光电传感器-光敏二和三极管
伏安特性
硅光敏二极管
硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性
河南工业大学机电学院
硅光敏三极管
光敏二极管输出电流比同样照度下光敏三极管输 出的光电流要小。
§3.7 光电传感器-光敏二和三极管
河南工业大学机电学院
光谱特性 入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
包含1024个InGaAs元件的 线性光电二极管阵列，可用于 分光镜。
§3.7 光电传感器-光敏二极管
工作原理
河南工业大学机电学院
无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状 态，只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡 层形成微小的反向电流，即暗电流。
受光照时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而 产生电子－空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓 度大大增加。因此在外加反向电压和内电场的作用下 ，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数 载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN的反向电 流大大增加，即光电流。
§3.7 光电传感器-光敏二极管
工作原理
光敏二极管
河南工业大学机电学院
结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中， 电路中一般是处于反向工作状态
§3.7 光电传感器-光敏三极管
工作原理 光敏三极管
河南工业大学机电学院
光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似， 有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三 极管的基极没有引出线，只有正负(c、e)两个引脚 ，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区 别。
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。
硅和锗光敏二极(晶体)管的光谱特性
§3.7 光电传感器-光电池
河南工业大学机电学院
基于光生伏特效应的光电元件
——光电池
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。
亮电流与暗电流之差，称为光电流。光敏电阻 的暗电阻越大，而亮电阻越小，则性能越好。
§3.7 光电传感器-光敏电阻
河南工业大学机电学院
光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系
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。
§3.7 光电传感器-光敏电阻
§3.7 光电传感器-光电器件
河南工业大学机电学院
1 、光敏电阻 2 、光敏二极管和光敏三极管 3 、光电池
§3.7 光电传感器-光敏电阻
河南工业大学机电学院
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
§3.7 光电传感器-光敏电阻
河南工业大学机电学院
当光敏电阻受到光照时，阻值减小
§3.7 光电传感器-光敏三极管
工作原理 光敏三极管
河南工业大学机电学院
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。
§3.7 光电传感器-光敏三极管
河南工业大学机电学院
光敏三极管外形
§3.7 光电传感器-光敏二和三极管
光照特性
硅光敏二极管
河南工业大学机电学院
河南工业大学机电学院
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
T2 T1 R2
100 %C1
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
§3.7 光电传感器-光敏电阻
河南工业大学机电学院
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
§3.7 光电传感器-光敏电阻
照相机自动测光 光控灯 工业控制
河南工业大学机电学院
§3.7 光电传感器-光敏二极管
光敏二极管外形
河南工业大学机电学院
光敏二极管阵列
河南工业大学机电学院
光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的。
§3.7 光电传感器-光敏电阻
河南工业大学机电学院
响应时间和频率特性
光敏电阻的光电流不能立即随着光照量的改变而
立即改变。
即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这个惰
性通常称为时间常数，用 来表示。
§3.7 光电传感器-光敏电阻