光电式传感器

机械工程测试技术
第五章 信号的 获取与调理
5.3.3 光电式传感器
主要内容： 1 光电效应 2 光电器件 3 光电式传感器的应用
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5.3.3 概述
光电式传感器
光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化
转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料， 做成的器件称光敏器件。 光敏器件种类很多，如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。
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(4) 光电转速传感器 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 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)。
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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。
光敏二极管基本电路
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光电池工作原理图
光电池结构
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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（勒克斯 ）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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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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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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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。
光敏电阻要求：暗电阻要大（暗电流要小），亮电 阻要小，光电流要大。
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光敏电阻——基本特性
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。 给定偏压 光照越大光电流越大； 给定光照度 电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和，但 受最大功耗限制。
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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。
光敏二极管暗电流与温度关系
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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。右图中光敏二极管频 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。
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(2)
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，集电结反偏。玻璃封 装上有个小孔，让光照射到基 区。
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(5) 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 电 池 符 号
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太 阳 电能 警供 示
太阳能手机充电器
LED
太 阳 能 电 池
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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。
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光谱特性 • 光敏电阻灵敏度与入射波长有关; • 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关。
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温度特性 温度变化影响光敏 电阻的灵敏度、暗电 流和光谱响应。
硫化铅光敏电阻温度特性
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（1）测量物体
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ห้องสมุดไป่ตู้
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(2) 光电器件的测量方法 反射式 透射式
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(3) 烟尘浊度监测仪
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防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业
光敏晶极管结构
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(2)
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。 光敏晶体管光谱特性
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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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其优点是灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、 重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载 能力强和寿命长等。不足之处是需要外部电源， 有电流时会发热。 光敏电阻主要参数: • 暗电阻——无光照时的电阻； • 暗电流——无光照时的电流； • 亮电阻、亮电流——受光照时的阻值、电流； • 光电流——亮电流与暗电流之差称光电流 。
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2、光电器件
（1）光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，某些 半导体材料的电阻随着光照强度的增大而减小。 其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体 物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖 一层漆膜。
光敏电阻结构及符号
光敏二极管频率响应曲线
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(3)
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。
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。
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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。
硅、硒光电池的频率特性
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(2) 光敏二极管和光敏三极 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。