第2章 光电式传感器

3.温度特性
温度特性主要 描述开路电压 与短路电流随 温度变化的情 况。如图所示. 把光电池作为 测量器件应用 时, 应保证温 度恒定或采取 温度补偿措施。
三.光电池的应用
1.自动干手器
2A ～ 12V J1 M 470uf 51K 39K J
L
手放入干手器时， 手遮住灯泡发出的 光，光电池不受光 照，晶体管基极正 偏而导通，继电器 吸合。风机和电热 丝通电，热风吹出 烘手。手干抽出后， 灯泡发出光直接照 射到光电池上，产 生光生电动势，使 三极管基射极反偏 而截止，继电器释 放，从而切断风机 和电热丝的电源。
此传感器专门用来检测人 体辐射的红外线能量。市 场上常见有国产的SD02、 PH5324，日本的SCA02-1， 美国的P2288等。 SD02由敏感单元、场效应 管、高阻抗变换管、滤光 窗等组成，并在氦气环境 下封装而成。
二. 光电倍增管
1.结构与 原理 由于真空 光电管的 灵敏度较 低，因此 人们便研 制了光电 倍增管， 其工作原 理如图。
2.主要参数
1）倍增系数 M
M
电流放大倍数
n i
I in i
M与所加电压有关，一般在105－108之间。一般阳极 和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增电 极的电压差为50V－100V。
2.光敏二极管的基本特性
1）光谱特性 在入射度一定时， 输出的光电流 （或相对灵敏度） 随光波波长的变 化而变化。一种 光敏二极管只对 一定波长的入射 光敏感，这就是 它的光谱特性。 如图所示。
2）伏安特性
3）光照特性
4）温度特性
温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响 却十分显著.
dT dt
U S R 式中 : S - 电极面积
- 热释电系数 -8 C cm - 2 K -1 ) (10
T - 温度（K）
由于dT/dt与红外线强度的变化成正比，结合上式， 可得出输出电压正比与红外线强度的变化。
2.单元件热释电传感器的结构和等效电路
3. 双元件（双元型）红外传感器
要外加电源。
一.结构与工作原理
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。 它实质上 是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面, 例如p型面 时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么p型区每吸 收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向 内迅速扩散, 在结电场的作用下, 最后建立一个与光照强度有 关的电动势。
用途。
1.光电开关结构
透射式和反射式的光电开关。
利用输出电平的状态判断有无被测物。
2. 基本电路（透射式）
如图（a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。 (b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。
2.7 色敏光电传感器
1.结构与基本原理
色敏光电传感器相 当于两支结构不同 的光电二极管的组 合，故又称光电双 结二极管
A
RC
V0 9013
RG
N H 24 ( h) 720
2.环境照度监视器
3.带材跑偏检测仪
2.5 光敏二极管与三极管
一. 光敏二极管
1.工作原理与结构 光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PN结，两 根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不 同之处在于光敏二极管的PN结状在管壳的顶部，可直接受 到光的照射，其结构和电路如图所示。
2.2 光电管
一. 普通光电管
在一个真空泡内装有两个电 极：光电阴极和光电阳极。 光电阴极通常是用逸出功小 的光敏材料徐敷在玻璃泡内 壁上做成，其感光面对准光 的照射孔。当光线照射到光 敏材料上，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，在外电路就产 生电流。
3． 光敏电阻的主要参数
１） 暗电阻 光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流 称为暗电流。 ２） 亮电阻
光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电 流称为亮电流。
３） 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。
4． 光敏电阻的基本特性
1） 伏安特性：在一定照度下,
2.基本特性
1）光谱特性
2）短路电流比－波长特性
短路电流比－波 长特性是表征半 导体色敏器件对 波长的识别能力， 是赖以确定被测 波长的基本特性。
3.色敏光电传感器的应用
色彩信号处理电路
2.8 红外光传感器
一. 红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可 见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大 致在0.76-1000μm,红外线在电磁波谱中的位臵如下图。
特性。 亦称为光谱响应。
Kr %
I0 I 0 max
100%
①不同材料，其峰值波长不同。 ②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同， 响应电流不同。 应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电 元件得到较高得相对灵敏度。
4） 温度特性
温度变化影响光敏电阻的
光谱响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温 度特性曲线, 它的峰值随 着温度上升向波长短的方 向移动。因此, 硫化铅光
2.路灯控制器
2.4 光敏电阻
1.光敏电阻的结构 它是涂于玻璃底板上的一 薄层半导体物质, 半导体 的两端装有金属电极, 金 属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端 接入电路。 为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了 一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长
范围内透射率最大。
二. 光电池的基本特性
1.光谱特性 硒光电池和硅光电池 的光谱特性如左图 不同的光电池，光 谱峰值的位臵不同。 例如，硅光电池在 8000A附近，硒光电 池在5400A附近。
2. 光照特性
光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒 克斯。Lx (W/m2) 反映短路电流、开路电压与光照度的关系。 短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于 短路电流状态，可做检测元件。 开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性 的, 并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。光电池工作1）光电路灯控制电路
2）光强测量电路
二. 光敏三级管
光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电 流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。 1.工作原理与结构
基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电 结上时, 在结附近产生电子-空穴对, 电子在结电场的作用 下，由P区向N区运动，形成基极电流，放大β倍形成集电极 电流（光电流）, 所以光电三极管有放大作用。
敏电阻要在低温、恒温的
条件下使用。 对于可见 光的光敏电阻, 其温度影 响要小一些。
5.光敏电阻的应用
1.光照度计 农作物日照时数测定。 输出接单片机的I/O口， 每2分钟对此口查询1次， 为高电平，计数一次， 为低电平，不计数。1天 查询720次。 无光照V0=VL 。有光照 V0=VH。
Rw
第2章
光电式传感器
将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光 电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把 被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过 光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工 作基础是光电效应。
2.1
光电效应概述
光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。 一. 外光电效应 在光线作用下，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。 基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的 能力由下式确定。
二.红外光传感器的工作原理与结构
红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电 型两大类。 光量子型可直接把红外光转换成电能。如，红外 光敏电阻和红外PN结型光生伏特器件，用于遥感 成像方面。 热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升 高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成 了测量光辐射的器件。如红外热释电传感器。
2.光敏三极管的基本特性
1）光谱特性与伏安特性 光谱特性与二极管相同， 伏安特性如图。
2）温度特性与光照特性
温度特性与光敏二极管 相同，光照特性如图
3.光敏三极管的应用
1.脉冲编码器
2.转速传感器
2.6光电耦合器件
一． 光电耦合器
光电耦合器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。 特点：①强弱电隔离。 输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达2000V以上。 能避免输出端对输入端地线等的干扰。
没有光照射时，处于反向偏臵的光敏二极管，工作于截止状态, 这时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。这时反向电阻很大。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, PN结附近产生 光生电子和光生空穴对。从而使P区和N区的少数载流子浓度大 大增加，因此在反向外加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结的反向电流大为增加，形成光电流。这时 二极管处于导通状态。光的照度越大, 光电流越大。
1 2 h mu 0 A0 2 式 中 ：m - 电 子 质 量 u0 -电子逸出速度。
二.内光电效应
受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电 动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分 为以下两大类。 1）光电导效应。在光线作用下，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 电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于 这种效应的器件有光敏电阻等。 2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产 生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基 于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。