第7章 传感器技术-光电效应及传感器

光源
被测非电量 位移、转速、 振动等
光学通路
光量
光电传感元件
△U 或△I
测量/显示
光电传感器的分类 按传感器输出量的性质， 按传感器输出量的性质，可以分为模拟式 开关式（脉冲式）二大类。 和开关式（脉冲式）二大类。
模拟式光电传感器
该类传感器基于光电元件的光电特性， 该类传感器基于光电元件的光电特性，其 基于光电元件的光电特性 光通量是随被测量而变， 光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 传感器输出量为连续变化的光电流， 传感器输出量为连续变化的光电流，器件 的光照特性呈单值线性， 的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持 均匀稳定。 反射式、 均匀稳定。它的形式有吸收式、反射式、遮光 式和辐射式。
5、时差测距。典型应用如光电测距仪， 时差测距。典型应用如光电测距仪， 是将恒定光源发出的光投射到目的物， 是将恒定光源发出的光投射到目的物，并用 光电元件接收反射光， 光电元件接收反射光，通过对光信号在光源 与目的物之间往返时间的测量， 与目的物之间往返时间的测量，从而计算出 光源与目的物间的距离。 光源与目的物间的距离。
发光二极管阵列（SSPA） 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件（CCD）
这两类光电器件实际上是集成化、 这两类光电器件实际上是集成化、 模块化的光电元件组合， 模块化的光电元件组合，他们的工作原 理类似，根据需要， 理类似，根据需要，可以做成线阵或面 阵的形式。 阵的形式。目前在图象采集与处理技术 电荷耦合器件CCD CCD已经得到了大量 中 ， 电荷耦合器件 CCD 已经得到了大量 的应用。 的应用。
内光电效应－ 内光电效应－
光照射在半导体材料上，材料中处于 光照射在半导体材料上， 价带的电子吸收能量， 价带的电子吸收能量，通过禁带跃入导 带，使导带内电子浓度和价带内空穴增 即激发出光生电子－空穴对， 多，即激发出光生电子－空穴对，从而 使半导体材料产生电效应。 使半导体材料产生电效应。
内光电效应
I0 光源
I1
光电元件
工件
I0 光源
I1 光电元件
工件
3、在恒定光源与光电元件之间设置被测物， 在恒定光源与光电元件之间设置被测物， 通过测定被测物对光的吸收程度以及对光谱线的 选择性来测量被测参量。这种测量方式在气体、 选择性来测量被测参量。这种测量方式在气体、 液体成分分析，或透明度、 液体成分分析，或透明度、混浊度测量及测定某 种物质的含量等场合常被采用。 种物质的含量等场合常被采用。 4、利用恒定光源发出的光投射到被测物体 并用光电元件测量反射光的光通量， 上，并用光电元件测量反射光的光通量，进而测 定被测物表面特征或状态等。 定被测物表面特征或状态等。如机械参量测试中 的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移、表面白度、 的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移、表面白度、 露点、湿度等，都可以采用此方式。 露点、湿度等，都可以采用此方式。
光电效应及器件 光电效应 所谓光电效应， 所谓光电效应，是指物体吸收了光能后转 换为该物体中某些电子的能量， 换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电 效应。 效应。 内光电效应 外光电效应
•
外光电效应－ 外光电效应－
在光的照射下， 在光的照射下 ， 使电子逸出物体表 面而产生的光电子发射现象。 面而产生的光电子发射现象。
在半导体材料与技术发展起来后， 在半导体材料与技术发展起来后 ， 就出 现了大量的以半导体为材料的基于内光电效 应的器件， 即光敏电阻、 光敏二极管、 应的器件 ， 即光敏电阻 、 光敏二极管 、 光电 池等。 池等。
光敏二极管 光敏二极管的结构与一般二极管相似， 光敏二极管的结构与一般二极管相似， 它安装在透明的玻璃外壳中， 它安装在透明的玻璃外壳中，其P-N结装在 结装在 管顶，可以直接受到光照射。 管顶，可以直接受到光照射。其结构简化图 以及基本线路如图所示。 以及基本线路如图所示。
光电元件的特性 也即光谱响应特性， 1 、 光谱特性 。 也即光谱响应特性 ， 光电 器件在不同波长的光照射下， 器件在不同波长的光照射下，会有不同的灵敏 所以各种光电器件有相应的工作波长， 度，所以各种光电器件有相应的工作波长，即 一定材料的器件总是对应着一定的波长范围的 入射光才会响应。通常用波长λ 入射光才会响应。通常用波长λ－相对灵敏度 来表征这一特性的。 来表征这一特性的。 在不同的光的强度照射下， 2、光照特性。在不同的光的强度照射下， 光电器件有不同的光电效应的外在表现， 光电器件有不同的光电效应的外在表现，如光 电池在不同光的照度下有不同的光生电动势和 短路光电流； 短路光电流；光敏二极管或三极管在不同光的 照度下有不同的光电流。 照度下有不同的光电流。
反射式光电传感器工作示意图
光源 光电元件 △L 光电元件阵 物镜 透镜 遮光板
光源
透镜
工件
工件
△h
(a)
(b)
图中（ 图中（a）为利用反射法检测工件表面 粗糙度和表面裂纹、 粗糙度和表面裂纹、凹坑等疵病的传感器 工作示意图； 工作示意图； （b）为利用反射法测量工件表面位置 和尺寸的示意图。 和尺寸的示意图。加入遮光板的目的是为 了在光电元件阵列上形成像（光斑）， ），当 了在光电元件阵列上形成像（光斑），当 工件尺寸不同时， 工件尺寸不同时，则遮光板在光电元件阵 列上的成像的位置会发生移动， 列上的成像的位置会发生移动，光电元件 阵列输出信号的变化量与测量工件上表面 位置变化量相关。 位置变化量相关。
光电式传感器
光电式传感器的工作原理如图所示。 光电式传感器的工作原理如图所示。首 先把被测量的变化转换成光信号的变化， 先把被测量的变化转换成光信号的变化，然 后通过光电传感元件变换成电信号。 后通过光电传感元件变换成电信号。 这种传感器具有结构简单、隔离性能好、 这种传感器具有结构简单、隔离性能好、 可靠性高、体积小、重量轻、价廉、 可靠性高、体积小、重量轻、价廉、灵敏度 高和反应快等优点。在自动化、 高和反应快等优点。在自动化、检测技术领 域应用非常广泛。 域应用非常广泛。
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提示——
在智能测试系统及计算机控制系统中， 在智能测试系统及计算机控制系统中， 光电耦合器常用来组成开关电路， 光电耦合器常用来组成开关电路，并代替继 电器的控制电路，以固态继电器（SSR） 电器的控制电路，以固态继电器（SSR）的形 式广泛应用，具有无机械触点、噪音低、 式广泛应用，具有无机械触点、噪音低、执 行动作快、体积小、寿命长等显著的优点。 行动作快、体积小、寿命长等显著的优点。
光敏三极管 光敏三极管的结构同一般的三极管很相 但它的基极－集电极结面积较大， 似 ， 但它的基极 － 集电极结面积较大 ， 以便 增大接收光照面积，而且基极往往是不接引 增大接收光照面积 ，而且 基极往往是不接引 出线的（光注入） 出线的（ 光注入 ） ，这是和一般三极管在线 路连接上最明显的不同。 路连接上最明显的不同。 光敏三极管也有二个P-N结，在将光信 光敏三极管也有二个 结 号转变为电信号的同时， 号转变为电信号的同时，也将信号电流加以 放大。与一般三极管一样， 放大。与一般三极管一样，光敏三极管有 PNP和NPN型两种。如图所示。 型两种。 和 型两种 如图所示。
光电耦合器采用的密封管壳， 光电耦合器采用的密封管壳，不受外界 光的干扰。同时， 光的干扰。同时，由于器件利用光作为信号 传输介质，抗电磁干扰能力很强， 传输介质，抗电磁干扰能力很强，在测试技 术、计算机控制技术等领域作为优良的电气 耦合与隔离元件而被大量使用。 耦合与隔离元件而被大量使用。 下图为光电耦合器的几种基本组合。 下图为光电耦合器的几种基本组合
Hale Waihona Puke 1 、 光电元件探测被测量物发出的光辐 属被动式测量方式， 射，属被动式测量方式，被测量物本身是光 辐射源。光照度计、光电高温计、 辐射源。光照度计、光电高温计、火警报警 红外探测与遥感等都属这一类。 器、红外探测与遥感等都属这一类。 2、在光电元件和恒定光源之间设置被 测物，根据被测物对光的遮挡程度，通过光 测物，根据被测物对光的遮挡程度， 通量的大小来测定被测参数。 通量的大小来测定被测参数。在几何量的测 量中常用此方式。 量中常用此方式。如图所示为透射式光电传 感器工作方式示意图，常用于测量孔径、 感器工作方式示意图，常用于测量孔径、缝 直径等。此时被测物起到光闸的作用。 宽、直径等。此时被测物起到光闸的作用。
Ic C +
N
P
b
N
-e b
c e
Ic c C -
P
N
b
P
+e
b e
光集电极C 光集电极C加上相对于发射极为正的电 NPN型），不接基极 则基极－ 不接基极， 压（NPN型），不接基极，则基极－集电极 结上就是反向偏压。 结上就是反向偏压。 光照射到基极－集电极结上时，就会在 光照射到基极－集电极结上时， 结的附近产生电子－空穴对， 结的附近产生电子－空穴对，从而形成光电 即光电三极管的集电极电流。 流，即光电三极管的集电极电流。
光电耦合器 光电耦合器（ 光电隔离器） 光电耦合器 （ 光电隔离器 ） 是利用发光 元件与光敏元件封装为一体而构成电－ 元件与光敏元件封装为一体而构成电 － 光 － 电转换的器件。 电转换的器件。 如发光二极管－光敏电阻、 如发光二极管－光敏电阻、发光二极管 光敏三极管、发光二极管－ －光敏三极管、发光二极管－光敏可控硅等 形式。 形式。 其中以发光二极管－ 其中以发光二极管－光敏三极管为基本 形式的器件应用最为广泛。 形式的器件应用最为广泛。可以构成发光二 极管与复合三极管、达林顿管、 极管与复合三极管、达林顿管、集成电路等 组合，应用前途非常广大。 组合，应用前途非常广大。
3 、 伏安特性 。 光电晶体管与一般晶体 管在不同的基极电流下的输出特性相似， 管在不同的基极电流下的输出特性相似，在 不同的光照度下所产生的光电流（ 不同的光照度下所产生的光电流（入射光在 发射极e 与基极b 之间的P 发射极 e 与基极 b 之间的 P-N 结附近所产生的 光电流）可以看作基极电流， 光电流）可以看作基极电流，这一特性和一 般晶体管类似。 般晶体管类似。 4 、 频率特性 。 反映了交变光照下器件 的输出特性。 的输出特性。一般采用硅材料的器件具有较 高的频率响应。 高的频率响应。
电机光电元件发光二极管数字频率计放大a在电机转轴上涂黑白两种颜色调制盘电机光电元件放大数字频率计发光二极管调制盘b在固定电机转轴上固定调制盘图中a所示是将电机转轴转动时黑白两色交替出现使得反光与不反光交替出现光电元件接收到间断的反射光信号并输出脉冲
光电传感器技术——光电元件 光电元件 光电传感器技术
由于集电极电流为光电流的β倍（三极 管放大倍数），所以光敏三极管比光敏二极 管具有更高的灵敏度。
Ic 2500Lx
光敏三极管伏安特性
2000Lx 1500Lx 1000Lx
0 外加电压
光电池
光电池是一种有源光电元件。 光电池是一种有源光电元件。其工作原理 是基于光生伏特效应的， 是基于光生伏特效应的 ， 即元件受到光照射 产生一定方向的电动势。 时 ， 产生一定方向的电动势 。 用可见光作为 光源的光电池是最常见的光电元件。 光源的光电池是最常见的光电元件 。 锗 、 硅 、 硒是光电池最常用的材料， 硒是光电池最常用的材料 ， 其中又以硅光电 池应用最广，也称为硅太阳能电池。 池应用最广，也称为硅太阳能电池。 下图是典型的硅光电池符号。 下图是典型的硅光电池符号。
光照
P
N
P
N
光敏二极管在电路中一般处于反向工作 状态。 状态。 当没有光照时，其反向电阻很大， 当没有光照时，其反向电阻很大，流过 P-N结的反向电流很小。 结的反向电流很小。 结的反向电流很小 当有光照射导P-N结上时，就会在其上 结上时， 当有光照射导 结上时 及其附近形成电子－空穴对，它们在P-N结 及其附近形成电子－空穴对，它们在 结 处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。 处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。 如果光照射强度发生变化，则光生电子－ 如果光照射强度发生变化，则光生电子－空 穴对的浓度就会发生变化， 穴对的浓度就会发生变化，光电流也随之变 动，可见光敏二极管可以将光信号转变为电 信号的输出。 信号的输出。
1、光电导效应（光敏电阻、光电二极管、 光电导效应（光敏电阻、光电二极管、 光电三极管） 光电三极管） 光生伏特效应（光电池） 2、光生伏特效应（光电池）
外光电效应
（光电管、光电倍增管） 光电管、光电倍增管）
光电阴极
阳极
光电倍增管
第一倍增极 入射光
第三倍增极
光电管和光电倍增管与无线电技术中电 子管的情况相似。 子管的情况相似。