光电式传感器(1)(7)幻灯片PPT

9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 2．光电池
主要特性
①光谱特性
②光照特性
9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 2．光电池
主要特性
③温度特性
④频率特性
9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 3．光敏晶体管
由于半导体材料对光的敏感性，使得PN结受到光照时，将 产生电流增大的现象。因此，常规晶体管都用金属罐或其他壳体 密封，以防光照。而光敏晶体管则必须使PN结能受到最大的光 照射。
9.3光电式传感器的常用型号
9.3.5光电耦合器
光电耦合器输入输出电路完全实现电的隔离，对于信号的 传输，甚至在高压电路中，都可以有良好的电流传输率。
9.3光电式传感器的常用型号
9.3.6常规检测 光电传感器
光电式传感器 在实际工作中不仅常 常用于我们熟知的常 规检测，在长距离检 测、色标检测、定区 域检测中也很常见。
③光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。 • 光敏电阻的特性
①伏安特性 ②光照特性 ③光谱特性 ④频率特性 ⑤温度特性
9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 2．光电池
光电池是一种在 光线照射下，基于光生 伏特效应能直接产生电 动势，即直接将光能转 换为电能的光电器件。 光电池在有光线作用下 实质就是电源，电路中 有了它可不需外加电源。
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9.1光电效应
9.1.1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
光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等统称为光敏晶体 管。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，暗 电流也较大。而光敏晶闸管的导通电流比光敏三极管大得多，工 作电压有的可达数百伏，输出功率也较大。
9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 3．光敏晶体管
1）光敏二极管的结构及工作原理 光敏二极管在光耦合隔离器、光学数据传输装置和测试技
9.2光电式传感器器件
9.2.1基于外光电效应的光电器件
❖ 2．光电倍增管
光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行 放大。所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表 面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的 电子叫做二次电子。光电倍增管的光电转换过程为：当入射光的光子 打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又打在电位较高 的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极产生的二次 电子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极同样也会 产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增极产生 的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在回路中形成比较大的
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
象称为外光电效应。向外发射的电子则称为光电子。基于外光电效
应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，
物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物
体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。
因为光的波长越短，即频率越高，其光子的能量越大；反之，光的
极管有放大作用。
9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 3．光敏晶体管
3）光敏晶体管的基本特性 ①光谱特性
9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 3．光敏晶体管
3）光敏晶体管的基本特性 ②伏安特性
9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 3．光敏晶体管
9.3光电式传感器的常用型号
9.3.3光敏电阻
使用光敏电阻应该注意遵照使用条件与环境条件，特别是要 控制入射的辐射通量以限制光电流，以避免烧坏器件。
9.3光电式传感器的常用型号
9.3.4光电晶体管
光电晶体管的工作条件不能超过规定的最大极限参数，使用中要 控制光照，使通过光电晶体管的光电流不超过最大限额。由于光电晶体 管的灵敏度与入射光方向有关，使用时应尽量保持光源与光敏管的位置 不变。
9.1光电效应
9.1.2内光电效应
❖ 2． 光生伏特效应
在光线的作用下物体产生一定方向的电动势的现象，称为 光生伏特效应。根据其产生电势的机理可分为，侧向光生伏特效 应和PN结光生伏特效应，其中PN结光生伏特效应应用较广。当 光照射到PN结上时，如果光子的能量大于半导体材料的禁带宽 度，电子就能够从价带激发到导带成为自由电子，价带成为自由
❖ 1．光电耦合器
一般光电 耦合器的发光和 接收元件都封装 在一个外壳内， 有金属封装和塑 料封装两种。 耦 合器常见的组合 形式如图9-23所 示。
9.2光电式传感器器件
9.2.3光电耦合器件
❖ 2．光电开关
光电开关利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进 行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终 的控制输出“开”、“关”信号。光电开关广泛应用于工业控 制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在 自控系统中应用于物体检测，产品计数，料位检测，尺寸控制， 安全报警及计算机输入接口等方面。
光电管组成的回路中形成光电流I，并 在负载电阻RL上产生输出电压Uo。在
入射光的频谱成分和光电管电压不变
的条件下，输出电压Uo与入射光通量 Φ成正比 。
9.2光电式传感器器件
9.2.1基于外光电效应的光电器件
❖ 2．光电倍增管
光电倍增管由光阴极、次阴极（倍增电极）以及阳极三部分组 成，如图9-4所示。光阴极是由半导体光电材料锑化铯做成，次阴极 是在镍或铜－铍的衬底上涂上锑化铯材料而形成，次阴极多的可达 30 级，通常为12 级～14 级。最后阳极用来收集电子，输出电压脉 冲。一般收集的阳极电子流比阴极发射的电子流大105～108倍。
光敏三极管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电 压而不接基极时，集电结就是反向偏压， 当光照射在集电结时，就 会在结附近产生电子-空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空 穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集
电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏三
空 PN穴结。的从内而部在电PhN场v结作12内用m产下02生，v电电A子子0 -移空向穴N对区。，这空些穴电移子向-空P区穴，对电在子
在N 区积累，空穴在P区积累，从而使PN 结两端形成电位差， PN 结两端便产生了光生电动势。基于该效应的光电器件有光电 池、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。
光电流I。 光电倍增管的倍增系数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 M =δin
设光电倍增管的电流放大倍数为β，则 Ii in
9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 1．光敏电阻
光敏电阻又称为光导管，由半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单， 如图9-5所示，在玻璃底板上均匀涂上薄层半导体物质，半导体的两端装 有金属电极，使金属电极与半导体层可靠电接触，然后将其压入塑料封装 体内，为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜 成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内投射率最大。光敏电阻 没有极性，纯粹是一个电阻元件，使用时既可加直流电压，也可以加交流 电压。
9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 1．光敏电阻
• 光敏电阻的基本参数 ①暗电阻 置于室温、全暗条件下测得稳定电阻值称为暗电阻，
通常大于1MΩ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减 小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。
②亮电阻 光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时的 电流称为亮电流。
波长越长，其光子的能量也就越小。根据能量守恒定理有
h v12m02vA0
（9-1）
式（9-1）为爱因斯坦光电效应方程式，由此可知，光子能量
必须超过逸出功A0 ，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产
生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能，
因此对于外光电效应元件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流
术中应用广泛。光敏二极管结构的如图9-16所示，它的PN结设 置在玻璃透镜的正下方，可以直接受到光的照射。光敏二极管在 电路中处于反向偏置状态，其等效工作电路如图9-17所示。
9.2光电式传感器器件
9.2.2基于内光电效应的光电器件
❖ 3．光敏晶体管
2）光敏三极管结构及工作原理 NPN型光敏三极管的基本电路如图9-18（b）所示，大多数
3）光敏晶体管的基本特性 ③温度特性
9.2光电式传感器器件
9.2.3光电耦合器件
光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管 （LED），光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或 光敏晶闸管等。光电耦合器件根据其结构和用途不同，又可分为用 于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。
9.3光电式传感器的常用型号
9.3.7其他类型光电传感器
9.4光电式传感器的应用
❖ 1．火焰探测报警器
图 9-26 是 采 用 以 硫化铅光敏电阻为探测 元件的火焰探测器电路 图。硫化铅光敏电阻的 暗电阻为1 MΩ, 亮电 阻为0.2 MΩ（在光强 度0.01 W/m下测试）， 峰值响应波长为 2化.2铅μ光m敏，电硫阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6 V，电流 约为6μA。V1管集电极电阻两端并联68μF的电容，可以抑制100Hz以上 的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互 补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。 采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，元件阻值的变 化不至于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定的工作。
9.3光电式传感器的常用型号
9.3.1光电管
光电阴极材料不同的光电管，有不同红限，因此可用于 不同的光谱范围。光电管主要用于UV监测、激光测试、光谱 学等。
9.3光电式传感器的常用型号
9.3.2光电倍增管
光电倍增管由于电子的内倍增作用，与外增益器件相比，具 有噪声低，响应快等特点，这对探测微弱的快速脉冲信号比较有 利。
硅光电池（太阳能电池）是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入 一些P型杂质形成PN结，其原理结构如图9-11所示，当入射光照射在 PN结上时，若光子能量hν大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在PN结内 产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型 区，使P型区带正电，N型区带负电，因而形成光生电动势。
9.4光电式传感器的应用
❖ 2．光电式纬线探测器
光电式纬线探测器是应用于喷气织机上，判断纬线是否断线 的一种探测器。图9-27为光电式纬线探测器原理电路图，当纬线在 喷气作用下前进时，红外发光管VD发出的红外光，经纬线反射，由 光电池接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断。因此利 用光电池的输出信号，通过后续电路放大、脉冲整形等，控制机器正 常运转或者关机报警。但是，由于纬线线径很细，又是摆动着前进， 形成光的漫反射，削弱了反射光的强度，而且还伴有背景杂散光，因 此要求探纬器具有高的灵敏度和分辨率。为此，红外发光管VD采用 占空比很小的强电流脉冲供电，这样既能保证发光管使用寿命，又能 在瞬间有强光射出，以提高检测灵敏度。
9.2光电式传感器器件
9.2.1基于外光电效应的光电器件
❖ 1．光电管
光电管由一个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在 一只真空的或充气的玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂 敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻 璃管的中央。
当光电管的阴极受到适当波长 的光线照射时，便有电子逸出，这些 电子被具有正电位的阳极所吸引，在 光电管内形成空间电子流。如果在外 电路中串入一适当阻值的电阻，则在
产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。
9.1光电效应
9.1.2内光电效应
受光照物体电阻率发生改变，或产生光生电动势的效应称 为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：
❖ 1．光电导效应
在光线作用下，半导体材料吸收了入射光子能量，若光子 能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，如图9-1所示，就激发 出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻 值减低，这就是光电导效应。