第十章 光电传感器
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,它广泛应用于各种领域,如工业自动化、光电测量、机器人技术等。
了解光电传感器的工作原理对于正确选择和使用光电传感器至关重要。
一、光电传感器的基本组成光电传感器通常由光源、光敏元件和信号处理电路组成。
1. 光源:光源是产生光信号的部件,常见的光源有发光二极管(LED)和激光二极管。
光源的选择应根据具体应用场景和需求来确定。
2. 光敏元件:光敏元件是光电传感器的核心部件,它能够将光信号转换为电信号。
常见的光敏元件有光电二极管(Photodiode)、光敏电阻(Photoresistor)和光电管(Phototube)等。
不同的光敏元件具有不同的工作原理和特性。
3. 信号处理电路:信号处理电路用于放大、滤波和处理光敏元件输出的电信号,以便得到可用的信号输出。
二、光电传感器的工作原理光电传感器的工作原理基于光敏元件对光信号的敏感性。
1. 光电二极管(Photodiode)工作原理:光电二极管是一种具有半导体特性的光敏元件。
当光照射到光电二极管上时,光子的能量被转移到电子上,从而产生电流。
光电二极管的工作原理可以分为两种模式:正向偏置模式和反向偏置模式。
- 正向偏置模式:在正向偏置模式下,光电二极管的P区被正电压偏置,N区被接地。
当光照射到光电二极管上时,光子的能量被转移到电子上,使得P区的载流子浓度增加,从而导致电流增大。
通过测量电流的变化,可以获得光信号的强度信息。
- 反向偏置模式:在反向偏置模式下,光电二极管的P区被负电压偏置,N区被接地。
当光照射到光电二极管上时,光子的能量被转移到电子上,使得P区的载流子浓度减少,从而导致电流减小。
通过测量电流的变化,可以获得光信号的强度信息。
2. 光敏电阻(Photoresistor)工作原理:光敏电阻是一种光敏元件,它的电阻值随光照强度的变化而变化。
光敏电阻的工作原理基于光敏材料的光电效应。
当光照射到光敏电阻上时,光子的能量被转移到光敏材料上,使得光敏材料的电阻值发生变化。
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是一种能够将光信号转化为电信号的器件,它在现代科技中起着重要的作用。
光电传感器的工作原理是基于光电效应和电子器件原理的。
光电效应是指当光照射到物质表面时,光子能量被物质吸收后,电子从物质的价带跃迁到导带,形成电流的现象。
而光电传感器的关键部件就是光敏元件,它能够将光信号转化为电信号。
光电传感器通常由光敏元件、信号处理电路和输出电路组成。
光敏元件是光电传感器的核心部件,常见的光敏元件有光电二极管、光敏电阻、光电管等。
这些光敏元件在光照射下会产生电流或者电阻的变化,从而实现光信号的转换。
信号处理电路负责对光敏元件输出的电信号进行放大、滤波和处理。
它能够将微弱的光信号转化为可靠的电信号,以便后续的分析和控制。
输出电路将经过信号处理的电信号转化为可用的输出信号。
根据不同的应用需求,输出电路可以是开关型、摹拟型或者数字型。
开关型输出电路通常用于检测物体的存在与否,摹拟型输出电路用于测量光强或者光功率,而数字型输出电路则可以输出数字信号,方便与其他设备进行通信。
光电传感器的工作原理可以通过以下实例进行说明。
假设我们需要设计一个光电传感器用于检测物体的存在与否。
我们可以选择一款光电二极管作为光敏元件,并将其连接到一个信号处理电路和一个开关型输出电路。
当物体挨近光电传感器时,光电二极管会受到物体反射的光照射,产生电流。
这个电流经过信号处理电路放大后,会使得开关型输出电路闭合,输出一个逻辑高电平。
而当物体离开光电传感器时,光电二极管再也不受到光照射,电流减小,开关型输出电路断开,输出一个逻辑低电平。
通过这种方式,我们可以利用光电传感器来检测物体的存在与否。
这种工作原理的光电传感器在工业自动化、机器人技术、安防监控等领域得到了广泛的应用。
总结起来,光电传感器的工作原理是基于光电效应和电子器件原理的。
光敏元件将光信号转化为电信号,信号处理电路对电信号进行处理,输出电路将处理后的信号转化为可用的输出信号。
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。
第十章光电传感器河南理工大学
c
N P N b
e
V0 i g RL
—晶体管电流放大系数
37
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。
38
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
在光线作用下,电子逸出物体表面向外发射称外 光电效应。
爱因斯坦光电效应方程(能量守恒定律)
1 2 E h mv0 A 2
h-----普朗克常数; γ---入射光频率;
14
A — 电子的逸出功;
1 2 mv0 2
--- 电子逸出的动能(能量);
光照射物体时,物体中电子吸收入射光子的能量E , 当物体吸入的能量超出逸出功A时电子就会逸出物体表 面,产生光电子发射。超出的能量变成电子的动能。 能否产生光电效应,取决于光子的能量是否大于物 体表面的电子逸出功。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管
N G KU d
G一般在105数量级。
式中: K —— 常数 N —— 倍增极数
UOUT D3 R3 A D4 R4 RL
K D D 1 2
R1
R2
R5
IA
22
入 射 光
第 一 倍 增 极
第 三 倍 增 极
阳极A
阴极K
第 二 倍 增 极
第 四 倍 增 极
23
3 光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于光电导效应 结构:在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导 体物质,两端金属电极,然后在半导体上覆盖一层 漆膜。
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、光电测量、光学通信、无线电通信等领域。
它通过感知光信号的强度、频率、波长等特征,将其转化为电信号,从而实现对光信号的检测和测量。
一、光电传感器的基本原理光电传感器的基本原理是利用光电效应,即光照射到光敏元件上时,会产生电信号。
光电传感器通常由光源、光敏元件和信号处理电路组成。
1. 光源:光源是光电传感器中的发光元件,常用的光源有激光二极管、发光二极管、红外线二极管等。
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中的接收元件,它能够将光信号转化为电信号。
常用的光敏元件有光电二极管、光敏电阻、光电二极管阵列等。
光敏元件的选择要考虑到光源的波长、光强度等因素。
3. 信号处理电路:信号处理电路用于放大、滤波和解调光敏元件输出的电信号,以便进行后续的信号处理和分析。
信号处理电路的设计要根据具体的应用需求来确定。
二、光电传感器的工作原理可以分为直接检测和间接检测两种方式。
1. 直接检测:直接检测是指光电传感器直接接收被测物体反射或者透过的光信号。
当被测物体反射或者透过的光信号照射到光敏元件上时,光敏元件产生电信号,经过信号处理电路的放大和滤波,最终输出检测结果。
2. 间接检测:间接检测是指光电传感器通过测量光信号与被测物体之间的相互作用来检测被测物体的某些特性。
常见的间接检测方式有光散射、光吸收、光透射等。
三、光电传感器的应用光电传感器在工业自动化中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域:1. 物体检测:光电传感器可以用于检测物体的存在、位置和形状等信息。
例如,在生产线上,光电传感器可以用来检测产品的到位、缺陷等。
2. 计数和测量:光电传感器可以用于对物体进行计数和测量。
例如,在包装行业中,光电传感器可以用来计数产品数量,确保包装的准确性。
3. 位置和速度测量:光电传感器可以用于测量物体的位置和速度。
自动检测技术及应用第十章下
第十章光电传感器(下)第四节 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。
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。
反射型光电开关的发射器和接收器单侧安装, 当有物体在光电开关面前通过时,红外光束被反射 回来,接收器接收到红外线,而产生一个正脉冲信 号。
反射型光电开关的检测距离一般不超过1m,对 暗色物体无法检测。
光电开关外形2015/12/6 Sunday3某系列光电开关型号说明2015/12/6 Sunday4遮断型光电开关示意图遮断报警2015/12/6 Sunday 5遮断式光电开关原理Receiver 光发射器光接收器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。
62015/12/6 Sunday遮断型光电开关用于人体保护2015/12/6 Sunday7光电开关在 流水线上的应用定区域式光电开关 罐装高度检测送料器 储料仓 咖啡罐 落料口流水线运行方向 遮断式光电开关 (计数)2015/12/6 Sunday8光电开关在产品检验中的应用遮断型光电开关用于产品质量控制2015/12/6 Sunday9光幕两个柱 形结构相对 而立,每隔 数十毫米安 装一对发光 二极管和光 敏接收管, 形成光幕, 当有物体遮 挡住光线 时,传感器 发出报警信 号。
接收器光幕应用当有物 体遮挡住光 线时,传感 器发出报警 信号,起保 护、预警等 作用。
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。
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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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
光电式传感器的原理与应用课件PPT
➢ (3) 光生伏特效应:在光线作用下,物体产生一定方向 电动势的现象。基于光生伏特效应原理的器件属于半 导体光电元件,有光电池等。
➢ (4) 热释电现象:热电材料受红外光等照射时,若其 表面温度上升或下降,则该表面产生电荷的现象。
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5
10.1 光电效应及光电器件
➢10.1.1 光电管 ➢10.1.2 光电倍增管 ➢10.1.3 光敏电阻 ➢10.1.4 光敏二极管 ➢10.1.5 光敏晶体管 ➢10.1.6 光电池 ➢10.1.7 光电传感器的应用
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6
10.1.1 光电管
(a)反射式光电阴极光电管 (b)透射式光电阴极光电管
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硫化铅的光谱温度特性
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17
10.1.4光敏二极管
光敏二极管的工作原理也是基于内光电效 应,与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。
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(a)结构示意图和图形符号 (b)基本电路
光敏二极管
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18
10.1.5光敏晶体管
光敏晶体管通常指 光敏三极管,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。
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15
(5) 频率特性
当光敏电阻受到脉冲光照时,光电流要经过一段 时间才能达到稳态值,光照突然消失时,光电流 也不立刻为零,这说明光敏电阻有时延特性。由 于不同材料的光敏电阻时延特性不同,所以它们 的频率特性也不相同。
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化为电信号的装置,它可以通过感知光线的强弱、颜色、频率等参数来实现对环境的监测和控制。
光电传感器广泛应用于工业自动化、电子设备、通信技术、医疗器械等领域,具有高精度、快速响应、低功耗等优点。
光电传感器的工作原理主要基于光电效应和光电二极管的特性。
光电效应是指当光线照射到物质表面时,光子的能量被物质吸收后,会释放出电子,从而产生电流。
光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的半导体器件,其内部结构包括P型半导体和N型半导体,通过光照射到PN结上,可以产生电子-空穴对,从而形成电流。
光电传感器的工作过程可以分为光电转换和信号处理两个阶段。
在光电转换阶段,光线首先照射到光电二极管上,光电二极管会将光信号转化为电信号。
当光线照射到光电二极管上时,光电二极管内部的PN结会产生电子-空穴对,形成电流。
光电二极管的导通电流与光照强度成正比,当光照强度增大时,导通电流也会增大。
在信号处理阶段,光电传感器会对从光电二极管中获取的电信号进行放大、滤波和处理等操作,以便进一步分析和判断光线的参数。
通常,光电传感器会使用放大器来放大光电二极管产生的微弱电流信号,以提高传感器的灵敏度和信噪比。
滤波器则用于去除电信号中的噪声和干扰,以确保传感器的准确性和稳定性。
处理电路则负责对电信号进行数字化处理和分析,以提取有用的信息,并根据预设的阈值或算法进行判断和控制。
光电传感器的工作原理还可以根据不同的应用需求来进行优化和改进。
例如,在光电二极管的设计中,可以采用不同的材料和结构,以实现对不同波长光线的敏感度。
同时,光电传感器还可以通过加入滤光片、反射镜等光学元件,来实现对特定波长光线的选择性感知。
此外,还可以通过调整光电二极管的工作电压和电流,来改变光电二极管的灵敏度和响应速度。
总结起来,光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置,其工作原理基于光电效应和光电二极管的特性。
通过光电转换和信号处理两个阶段,光电传感器可以实现对光线的监测和控制。
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器件。
它广泛应用于工业自动化、光电测量、光学通信等领域。
光电传感器的工作原理主要涉及光电效应、光电二极管和光电三极管。
光电效应是光电传感器工作的基础。
根据爱因斯坦的光电效应理论,光照射到物质表面时,光子能量可以激发物质中的电子,使其从价带跃迁到导带中,形成电子-空穴对。
这种光电效应的产生与光的频率、光的强度和物质的性质有关。
光电二极管是一种常见的光电传感器。
它基于半导体材料的光电效应工作。
光电二极管的结构类似于普通二极管,但其P-N结区域更大,表面覆盖了光敏材料。
当光照射到光电二极管的光敏材料上时,光子能量激发光敏材料中的电子,使其从价带跃迁到导带中,产生电流。
光电二极管的输出电流与光照强度成正比。
光电三极管是一种更为灵敏的光电传感器。
它由光电二极管和普通三极管组成。
光电三极管的光敏材料位于基极和发射极之间,当光照射到光敏材料上时,产生的电流通过基极控制普通三极管的工作状态,从而改变输出电流。
光电三极管的灵敏度比光电二极管更高,适用于对光信号要求较高的应用场景。
光电传感器的工作原理还包括光电效应的反向过程,即光电效应的逆过程。
当外加电压作用于光电二极管或光电三极管时,光电效应的逆过程会发生。
此时,电子从导带跃迁回价带,发出光子。
这种现象被称为光致发光。
光致发光可以应用于光电传感器的发光装置,用于检测和测量光信号。
除了光电二极管和光电三极管,光电传感器还有其他类型,如光电开关、光电编码器等。
它们基于不同的工作原理,用于不同的应用场景。
光电开关通过光电效应实现物体的检测和测距;光电编码器通过光致发光和光电效应实现位置和速度的测量。
总之,光电传感器是一种将光信号转换为电信号的器件,其工作原理涉及光电效应、光电二极管和光电三极管。
光电传感器的工作原理可以应用于各种工业自动化、光电测量和光学通信等领域,为现代科技的发展提供了重要的支持。
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,广泛应用于光电测量、自动控制、光通信等领域。
它通过感受光的特性来实现对环境的检测和测量,从而实现自动化控制和监测。
光电传感器的工作原理主要包括光电效应、光电二极管和光电三极管。
1. 光电效应:光电效应是光电传感器工作的基础。
根据爱因斯坦的光电效应理论,当光照射到金属表面时,光子的能量可以激发金属中的自由电子,使其跃迁到导带中,形成电流。
这种现象被称为外光电效应。
内光电效应是指当光照射到半导体材料中时,光子的能量可以激发价带中的电子跃迁到导带中,形成电流。
2. 光电二极管:光电二极管是一种基于外光电效应工作的光电传感器。
它由一个P型半导体和一个N型半导体组成,中间有一个PN结。
当光照射到PN结上时,光子的能量可以激发PN结中的载流子,使其在电场的作用下产生电流。
光电二极管具有快速响应、高灵敏度和宽波长响应范围等特点,广泛应用于光电测量和光通信领域。
3. 光电三极管:光电三极管是一种基于内光电效应工作的光电传感器。
它由一个N型半导体和两个P型半导体组成,中间有两个PN结。
当光照射到光电三极管的基区时,光子的能量可以激发基区中的载流子,使其在电场的作用下产生电流。
光电三极管具有高增益、低噪声和高速度等特点,适用于光电测量、光通信和光电控制等领域。
除了以上两种光电传感器,还有其他类型的光电传感器,如光电二极管阵列、光电开关、光电编码器等。
它们的工作原理基本类似,都是通过光电效应将光信号转换为电信号,实现对光的检测和测量。
光电传感器的应用非常广泛。
在工业生产中,光电传感器可以用于检测物体的位置、颜色和形状,实现自动化生产和装配。
在安防领域,光电传感器可以用于监测入侵和火灾,提高安全性。
在医疗设备中,光电传感器可以用于血糖检测和心率监测,提供准确的医疗数据。
在交通领域,光电传感器可以用于交通信号灯和车辆检测,提高交通效率和安全性。
总结起来,光电传感器是一种将光信号转换为电信号的装置,利用光电效应实现对光的检测和测量。
光电式传感器原理课件25页
第10章光电式传感器 101 光电式传感器的工作原理及基本组成 102 光电式传感器中的敏感元件 103 光电式传感器的类型及设计 104 光电式传感器的应用光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置光电式传感器工作时先将被测量转换为光量的变化然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化从而实现非电量的测量其核心敏感元件是光电器件基础是光电效应光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其它被测量然后输出电信号测量光学量<a name=baidusnap0></a>时光</B>电器件是作为敏感元件使用而测量其它物理量时它作为变换元件使用光电式传感器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常用的光电转换元件有真空光电管充气光电管光电倍增管光敏电阻光电池光电二极管及光敏三极管等它们的作用是检测照射其上的光通量选用何种形式的光电转换元件取决于被测参数所需的灵敏度响应的速度光源的特性及测量环境和条件等 102光电式传感器中的敏感元件当光照射在某些物体上时光</B>能量作用于实测物而释放出电子这种现象称为光电效应所放出的电子叫光电子光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类根据这些效应可以做出相应的光电转换元件简称光电元件或光敏器件光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时光</B>子的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金属表面而进入外界空间这种现象称为外光电效应爱因斯坦的光子假设光子是具有能量的粒子每一光子的能量一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收无需积累能量的时间利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件一般都是真空的或充气的光电器件如光电管和光电倍增管 1光电管及其基本特性 1 结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类两者结构相似如图所示它们由一个阴极和一个阳极构成并且密封在一只真空玻璃管内阴极装在玻璃管内壁上其上涂有光电发射材料阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央当光照在阴极上时中央阳极可收集从阴极上逸出的电子在外电场作用下形成电流I 2 主要性能 1 光电管的伏安特性在一定的光照射下对光电器件的阳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它是应用光电传感器参数的主要依据 2 光电管的光照特性当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时光</B>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下图所示 3 光电管的光谱特性由于光阴极对光谱有选择性因此光电管对光谱也有选择性保持光通量和阴极电压不变阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管它们有不同的红限频率n0因此它们可用于不同的光谱范围除此之外即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率n0并且强度相同随着入射光频率的不同阴极发射的光电子的数量也会不同即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同这就是光电管的光谱特性所以对各种不同波长区域的光应选用不同材料的光电阴极 2光电倍增管及其基本特性 1结构与工作原理当入射光很微弱时普通光电管产生的光电流很小只有零点几个微安很不容易探测这时常用光电倍增管对电流进行放大下图是光电倍增管的外形和工作原理图光电倍增管由光阴极倍增电极以及阳极三部分组成光阴极是由半导体光电材料锑铯做成次阴极是在镍或钢-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的阳极是最后用来收集电子的如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极设这时第一倍增极有δ个二次电子发出这δ个电子又轰击第二倍增极而其产生的二次电子又增加δ倍经过n个倍增极后原先一个电子将变为δn个电子这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流i则i iΦδn 式中 n为二次发射极数δ为二次电子发射系数故输出电压Usc iR iΦδn R光电倍增管的优点是放大倍数很高可达106 线性好频率特性好缺点是体积大需数百伏至1 kV的直流电压供电光电倍增管一般用于微弱光输入要求反映速度很快的场合 2主要参数 1倍增系数M 倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数δi 的乘积如果n个倍增电极的δi都一样则阳极电流I为3暗电流一般在使用光电倍增管时必须把管放在暗室里避光使用使其只对入射光起作用但是由于环境温度热辐射和其它因素的影响即使没有光信号输入加上电压后阳极仍有电流这种电流称为暗电流暗电流主要是热电子发射引起它随温度增加而增加不过暗电流通常可以用补偿电路加以消除 4光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性很相似内光电效应是指某些半导体材料在入射光能量的激发下产生电子-空穴对致使材料电性能改变的现象这种效应可分为因光照引起半导体电阻值变化的光导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种基于光导效应的光电器件有光敏电阻基于光生伏特效应的光电器件有光电池光敏二极管光敏三极管光电位置敏感器件PSD 1光敏电阻1结构和原理光敏电阻又称光导管是利用光电导效应制成的由于光的照射使半导体的电阻变化所以称为光敏电阻如果把光敏电阻连接到外电路中在外加电压的作用下用光照射就能改变电路中电流的大小并非一切纯半导体都能显示出光电特性对于不具备这一特性的物质可以加入杂质使之产生光电效应用来产生这种效应的物质由金属的硫化物硒化物碲化物等组成 2 光敏电阻的特性 1 暗电阻亮电阻与光电流光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻此时流过的电流称为暗电流在受到光照时的电阻称为亮电阻此时的电流称为亮电流亮电流与暗电流之差称为光电流一般暗电阻越大亮电阻越小光敏电阻的灵敏度越高光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级亮电阻在几千欧以下暗电阻与亮电阻之比一般在102~106之间 2 光敏电阻的伏安特性在一定照度下流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系①一定光照R一定I正比于U 所加的电压越高光电流越大而且没有饱和现象②一定电压I随着光照E增强而增大 3 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性用于描述光电流I和光照强度之间的关系绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的光敏电阻一般用作开关式的光电转换器而不宜用作线性测量元件 4 光敏电阻的光谱特性对于不同波长的光不同的光敏电阻的灵敏度是不同的从图中可以看出硫化镉的峰值在可见光区域而硫化铅的峰值在红外区域在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑才能获得满意的结果 5 光敏电阻的响应时间和频率特性光敏电阻的光电流不能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用时间常数t来描述时间常数为光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间因此时间常数越小响应越迅速 6 光敏电阻的温度特性随着温度不断升高光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降同时温度变化也影响它的光谱特性曲线下图示出了硫化铅的光敏温度特性曲线从图中可以看出它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动因此有时为了提高元件的灵敏度或为了能够接受较长波段的红外辐射应采取一些致冷措施 2.光敏二极管和光敏三极管 1结构和原理光敏二极管是一种PN结型半导体元件其结构和基本使用电路如图所示光敏二极管在没有光照射时反向电阻很大光电二极管处于载止状态反向电流很小反向电流也叫暗电流受光照射时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即使P型中的电子数增多也使N型中的空穴增多即产生了新的自由载流子在外加反向偏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结的反向电流大为增加这就形成了光电流如果入射光的照度变动则电子和空穴的浓度也跟着相应地变动因此通过外电路的电流也随之变化这样就把光信号变成了电信号光敏三极管有PNP型和NPN型两种由于后者性能较优因此实用较多光敏三极管的外型结构与光敏二极管相似通常也只引出两个电极无基极引线内部结构与普通三极管很相似只是它的发射极一边做得很大以扩大光的照射面积光线由窗口对着集电极的PN结采用N型单晶和硼扩散工艺的光敏二极管称为Pn结构采用P型单晶和磷扩散工艺的称为 nP结构按国内半导体器件命名规定硅Pn结构为2CU型nP结构为2DU型硅nPn结构为3DU型光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件它在把光信号变为电信号的同时又将信号电流放大下图给出了它的结构和基本使用电路光敏三极管的电路连接也与普通三极管相同基极开路集电结反偏发射结正偏 2光敏三极管的特性1光谱特性光敏三极管的光谱特性是光电流随入射光的波长而变化的关系光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长当入射光的波长增加时相对灵敏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的波长缩短时相对灵敏度也下降这是由于光子在半导体表面附近就被吸收并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结因而使相对灵敏度下降 5光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性是光电流与光强变化频率的关系光敏二极管的频率特性是很好的其响应时间可以达到10-7~10-8s因此它适用于测量快速变化的光信号光敏三极管由于存在发射结电容和基区渡越时间发射极的载流子通过基区所需要的时间所以光敏三极管的频率响应比光敏二极管差而且和光敏二极管一样负载电阻越大高频响应越差综上所述可以把光敏二极管和三极管的主要差别归纳为①光电流光敏二极管一般只有几个到几百微安而光敏三极管一般都在几毫安以上至少也有几百微安两者相差十倍至百倍光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大一般都不超过l微安②响应时间光敏二极管的响应时间在100ns以下而光敏三极管为5~10μs因此当工作频率较高时应选用光敏二极管只有在工作频率较低时才选用光敏三极管③输出特性光敏二极管有很好的线性特性而光敏三极管的线性较差硒光电池是在铝片上涂硒再用溅射的工艺在硒层上形成一层半透明的氧化镉在正反两面喷上低融合金作为电极如图所示在光线照射下镉材料带负电硒材料上带正电形成光电流或电动势 4光电位置敏感器件PSD 半导体位置探测器Position Sensitive Detector简称为PSD它能连续准确地给出入射光点在光敏面上的位置 PSD分为一维PSD和二维PSD分别可确定光点的一维位置坐标和二维位置坐标 1PSD 的工作原理如图所示其PN结是由重掺杂的P 型半导体和轻掺杂的N型半导体构成和一般的PN结一样由于载流子扩散在结区建立一个与结面垂直的由N指向P的自建内电场但由于P 为重掺杂载流子密度大故电导率比N区高因此当入射光照射A点时光</B>生载流电子和空穴集中在A点附近的结区在自建场作用下空穴进入P区由于电导率高而很快扩散到整个P 区成为P 近位等电区位而在A点附近N区的电子由于其电导率低而不易扩散仍集中在A点附近具有高的负电位因此形成一个平行于结面的横向电场常称为横向光电效应实用的PSD不是简单的PN结而是做成PIN 结构具有般PIN光电二极管类似的优点即由于I区较厚而具有更高的光电转换效率更高的灵敏度和响应速度其工作原理仍是基于横向光电效应如图所示表面P层为感光面两边各有一信号输出电极中间为I 层底层的公共电极是用来加反偏电压的当入射光照射到光敏面上某点由于存在平行于结面的横向电场作用使光生载流子形成向两端电极流动的电流I1和I2它们之和等于总电流I0如果PSD面电阻是均匀的且其阻值R1和R2远大于负载电阻RL则R1和R2的值仅取决于光电的位置即若将两个信号电极的输出电流检出后作如下处理即2PSD的结构与特性 1一维 PSD的结构一维PSD的结构及等效电路如图所示其中VDj为理想的二极管Cj为结电容Rsh为并联电阻Rp为感光层P层的等效电阻一维PSD的输出与入射光点位置之间的关系如图所示其中X1X2分别表示信号电极的输出信号光电流 2二维 PSD的结构二维PSD用于测定入射光点的二维坐标即在一方形结构PSD上有两对互相垂直的输出电极由于电极的引出方法不同二维 PSD可分为由同一面引出两对电极的表面分流型二维PSD和由上下两面分别引出一对电极的两面分流型二维 PSD它们的结构及等效电路如图所示 XlX2YlY2分别为各电极的输出信号光电流xy为入射光点的位置坐标表面分流型PSD暗电流小但位置输出非线性误差大两面分流型PSD线性好但暗电流大且由于无法引出公共电极而较难加上反偏电压对于表面分流型和两面分流型PSD其输出与入射光点位置的关系如图所示其关系式为 3PSD的特性 PSD与CCD都可以作为光点位置的探测但PSD有自身的特点在许多情况下更适合于作专用的位置探测器其突出的特点有①入射光强度和光斑大小对位置探测影响小 PSD的位置输出只与入射光点的重心位置有关而与光点尺寸大小无关这一显著优点给使用带来很大的方便但应注意当光点接近光敏面边缘时部分落在光敏面外就会产生误差光点越靠近边缘误差就越大为了减小边缘效应应尽量将光斑缩小且最好使用敏感面中央部分 3PSD的特性②反偏压对PSD的影响反偏压有利于提高感光灵敏度和动态响应但会使暗电流有所增加③背景光强影响背景光强度变化会影响位置输出误差消除背景光影响的方法有两种即光学法和电学法④环境温度的影响使用环境温度上升时暗电流将增大实验表明温度上升1℃暗电流增大115倍这除采用温度补偿方法外还可采用光源调制锁相放大解调的方式滤去暗电流的影响 5 光电耦合器光电耦合器简称光耦它的发光和接收元件都封装在一个外壳内一般有金属封装和塑料封装两种发光元件为发光二极管受光元件为光敏三极管或光敏可控硅它以光为媒介实现输入电信号耦合到输出端光电耦合器的主要用途是提供电气隔离和信号隔离可以用在一系列隔离应用场合中从供电和电机控制电路到数据通信和数字逻辑接口电路等等103 光电式传感器的类型及设计自学透射式下图所示为透射式光电传感器用于检测工件孔径或狭缝宽度的原理图此法适用于检测小直径通孔从光源1发出的光透过被测工件2的孔后由光电元件3接收被测孔径尺寸变化时照到光电元件上的光通量随之变化转换成的光电流大小由被测孔径大小决定此方法也可用于外径的检测应用无触点式路灯控制电路在白天电路中的光敏电阻Rp因受光照而呈现小电阻从而使BG饱和导通可控硅SCR截止双向可控硅TRIAC也截止使路灯熄灭天黑以后Rp的阻值变大从而使BG截止可控硅SCR被触发导通进而使双向可控硅TRIAC也导通路灯被点亮二光生伏特效应器件的应用 1光电晶体管的应用1光电控制电路三PSD的应用 PSD可用于检测入射光点的位置因此能用来测量距离位移角度等参数图中b为两透镜中心距离本章重点 1.掌握各种光电效应定义 2.掌握光电传感器光电管光电倍增管光敏电阻光电池光敏二极管和光敏三极管等的工作原理特点3.熟悉光电式传感器的应用思考题与习题 1 试说明爱因斯坦光电效应方程的含义 2 试比较光敏电阻光电池光电二极管和光敏三极管的性能差异给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述 3 试分别使用光敏电阻光电池光电二极管和光敏三极管设计一种适合TTL电平输出的光电开关电路并叙述其工作原理1 光电耦合器的结构和特点绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂采用金属外壳和玻璃绝缘的结构在其中部对接采用环焊以保证发光二极管和光敏三极管对准以此来提高灵敏度 a 金属密封型 b 塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的结构管心先装于管脚上中间再用透明树脂固定具有集光作用故此种结构灵敏度较高光电耦合的主要特点如下●输入和输出端之间绝缘其绝缘电阻一般都大于1010Ω耐压一般可超过1kV有的甚至可以达到10kV以上●由于光传输的单向性所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象其输出信号也不会影响输入端●由于发光器件砷化镓红外二极管是阻抗电流驱动性器件而噪音是一种高内阻微电流电压信号因此光电耦合器件的共模抑制比很大所以光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音●容易和逻辑电路配合●响应速度快光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极●无触点寿命长体积小耐冲击2 光电耦合器的组合形式光电耦合器的组合形式有多种如图所示 a b c d 光电耦合器的组合形式该形式结构简单成本低通常用于50kHz以下工作频率的装置内该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器适用于较高频率的装置中该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器适用于直接驱动和较低频率的装置中该形式采用功能器件构成的高速高传输效率的光电耦合器应用于自动控制电路中的强弱电隔离 3光电耦合器的技术参数光电耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF正向电流IF电流传输比CTR输入级与输出级之间的绝缘电阻集电极-发射极反向击穿电压VCEO集电极-发射极饱和压降VCE此外在传输数字信号时还需考虑上升时间下降时间延迟时间和存储时间等参数最重要的参数是电流放大系数传输比CTRCurremt-Trrasfer Ratio通常用直流电流传输比来表示当输出电压保持恒定时它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比通常用百分数来表示有公式 CTR IC IF×100 反射法测量原理反射式应用光路图示为反射式模拟光电传感器用于检测工件表面粗糙度或表面缺陷的原理图从光源1发出的光经过被测工件3的表面反射由光电元件5接收当被测工件表面有缺陷或粗糙度精度较低时反射到光电元件上的光通量变小转换成的光电流就小检测时被测工件在工作台上可左右前后移动透射法测量原理一光敏电阻的应用光敏电阻是一种无结元器件因此工作时无极性选用光敏电阻器时应首先确定应用电路中所需光敏电阻器的光谱特性类型若是用于各种光电自动控制系统电子照相机和光报警器等电子产品则应选取用可见光光敏电阻器若是用于红外信号检测及天文军事等领域的有关自动控制系统则应选用红外光光敏电阻器若是用于紫外线探测等仪器中则应选用紫外光光敏电阻器选好光敏电阻器的光谱特性类型后还应看所选光敏电阻的主要参数包括亮电阻暗电阻最高工作电压光电流暗电流额定功率灵敏度等是否符合应用电路的要求 104 光电式传感器的应用下图示出了用光敏电阻构成的简单光控开关电路图1所示的光控电路为光亮时继电器吸合控制图1图2当光线暗至一定程度时VT1的基极电压上升至使VT1VT2导通继电器J吸合R1用于动作灵敏度调节无光照高阻值 1 截止 VT1 释放有光照低阻值 0 导通吸合继电器J吸合其触点可用来控制其它电路图2则示出了光暗控制的光控电路电阻R1R2及光敏电阻R3构成分压电路图1和图2所示的电路的光触发电平受电源电压及环境温度的影响较大精密光控电路如图3图4所示其工作不受电源电压及环境温度的影响图3为光亮控制电阻R1R2R6及光敏电阻R5共同构成惠斯顿电桥的两个桥臂运放IC1用做高灵敏电压比较器常态时调节R6使R5R6的节点电压V1略低于R1R2的节点电压V2IC1则输出高电平VT1截止J释放此后若光亮稍有增加甚至人眼都感觉不到则V1 V2IC1翻转输出低电平VT1导通J吸合图3图4为光暗控制电路由于通过R5引入了少量正反馈因而在光线变化时电路动作就会稍稍滞后以避免光线亮度处于临界状态时继电器频繁抖动图4在无光照时光</B>敏二极管截止电阻R1上的压降很小则晶体管T1截止T2截止继电器J不动作路灯保持亮有光照时光</B>敏二极管。
101第十章光电传感器
暗电流(越小越好)
6
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。
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光敏二极管外形
光敏二极管阵列
包含1024个InGaAs元件 的线性光电二极管阵列,可用 于分光镜。
用光照射某一物体,可以看作物体 受到一连串能量为hf 的光子的轰击,组 成这物体的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。
外光电效应:在光线的作 用下能使电子逸出物体表面的 现象称为外光电效应,基于外 光电效应的光电元件有紫外光 电管、光电倍增管、光电摄像 管等。
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第十章 光电传感器
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,掌握光电开关 及光电断续器的使用方法。
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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。
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2
第一节 光电效应及光电元件
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8
红外发射、接收对管外形 红外发射管
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红外接收管
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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。
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光敏晶闸管外形
光敏面
2013-12-25
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基于光生伏特效应的光电元件 ——光电池
在N型衬底上制造一薄层P型层作为光 照敏感面,就构成最简单的光电池。当入射 光子的能量足够大时,P型区每吸收一个光 子就产生一对光生电子—空穴对, 光生 电 子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运 动被拉到N型区,空穴留在P区,所以N区带 负电,P区带正电。如果光照是连续的,经 短暂的时间,PN结两侧就有一个稳定的光生 电动势输出。
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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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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
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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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参数 光敏面直径 单位 mm GD3250-A GD3250-B 0.2 0.5 GD3250-C 0.8
工作电压
暗电流 响应度 上升时间
V
nA V/w ns
100~150
≤15 60 ≤1 ≤1 -20~+40
TO型 光纤型
100~150
≤25 60 ≤3 0.07 ≤1.5 -20~+40
150~250
暗电流(越小越好)
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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。
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光敏二极管外形
光敏二极管阵列
包含1024个InGaAs元件 的线性光电二极管阵列,可用 于分光镜。
≤35 60 ≤4 0.09 ≤2 -20~+40
噪声等效功率 Pw/Hz1/2 0.05 结电容 pF 使用温度范围 ℃
封装形式
TO型
TO型
光敏二极管的反向偏置接法
在没有光照时,由 于二极管反向偏置,所 以反向电流很小,这时 的电流称为暗电流,相 当于普通二极管的反向 饱和漏电流。当光照射 在二极管的PN结(又称 耗尽层)上时,在PN结 附近产生的电子-空穴 对数量也随之增加,光 电流也相应增大,光电 流与照度成正比。
第十章
光电传感器
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,掌握光电开关 及光电断续器的使用方法。
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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。
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第一节
光电效应及光电元件
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APD光敏二极管(雪崩光敏二极管)
硅雪崩光电二极管是采用n+p-πp+型结构的可见 光和近红外探测器,它具有高响应度,高信噪比, 高响应速度等特点,可广泛应用于微光信号检测、 长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息 传输和光电对抗系统。
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GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数
紫外管外形
当入射紫外 线照射在紫外管 阴极板上时,电 子克服金属表面 对它的束缚而逸 出金属表面,形 成电子发射。紫 外管多用于紫外 线测量、火焰监 测等。
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紫外线
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光敏电阻
当光敏电阻受到 光照时, 阻值减小。
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光敏电阻演示
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。
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光敏二极管的反向偏置接 线(参考上页图)及光电特性 演示
在没有光照时,由于二 极管反向偏置,反向电流 (暗电流)很小。
光照
—
UO
+
光敏二 极管的 反向偏 置接法
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当光照增加 时,光电流IΦ 与光照度成正 比关系。 14
光敏三极管
光敏三极管有两个PN结。与普通
用光照射某一物体,可以看作物体 受到一连串能量为hf 的光子的轰击,组 成这物体的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。 外光电效应:在光线的作 用下能使电子逸出物体表面的 现象称为外光电效应,基于外 光电效应的光电元件有紫外光 电管、光电倍增管、光电摄像 管等。
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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。
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光敏三极管外形
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光敏三极管内部结构
b)管芯结构 c)结构简化图 1—集电极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜 5—发射极引脚 6—N+ 衬底 7—N型集电区 8—SiO2保护圈 9—集电结 10—P型基区 11—N型发射区 12—发射结
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红外发射、接收对管外形
红外发射管
红外接收管
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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。
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a) 内部组成
硅光敏晶体管的光谱特性
电磁波频谱
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光电特性
IΦ
请判断灵敏度的高低
光敏 三极管
4mA
光 电 流
光敏 二极管
0.3mA
光照 3000lx
E
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0
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请计算当E=100lx时,光敏二极管的光电流IΦ
光敏晶闸管
光敏晶闸管有三个引出电极,即阳极a、阴极 k和门极g 。它的顶部有一个玻璃透镜,光敏晶闸 管的阳极与负载串联后接电源正极,阴极接电源 负极,门极可悬空。当有一定照度的光信号通过 玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时,将产生门 极电流,从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通 状态。导通后,即使光照消失,光敏晶闸管仍维 持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管,必须 使阳极与阴极的电压反向,或使负载电流小于其 维持电流。光敏晶闸管的特点是:导通电流比光 敏三极管大得多,工作电压有的可达数百伏,因 此输出功率大,可用于工业自动检测控制。
光电池在动力方面的应用(续)
太阳能发电
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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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光电池的光电特性
开路电压为 对数特性
短路电流为 线性特性
一个典型的硅光电池的光电特性 1—开路电压曲线 2—短路电流曲线
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休 息 一 下