第六章 光敏传感器
光敏传感器的原理及应用
光敏传感器的原理及应用概述光敏传感器是一种能够感知、测量光线强度的设备，通过光敏元件将光信号转化为电信号，从而实现对光的检测和测量。
本文将介绍光敏传感器的原理、分类以及其在不同领域的应用。
光敏传感器的原理光敏传感器的原理是基于光敏效应，即某些材料在受到光照射时会产生电信号。
以下是常见的光敏传感器原理：1.光电效应：基于光子将电子从固体材料中解离出来的现象。
光电效应包括外光电效应和内光电效应两种形式，分别应用于光电导、光电二极管等光敏传感器中。
2.光致电导效应：当光照射到某些半导体材料中时，会产生电导率变化。
此原理常应用于光致电导传感器中。
3.光敏材料的电阻变化：某些光敏材料在受到光照射时，其电阻值会发生变化。
基于该原理的光敏传感器常被用于光敏电阻或光敏电阻器件。
4.光伏效应：某些半导体材料在光照射下会产生电压或电流变化。
光伏效应广泛应用于太阳能电池等光伏元件。
光敏传感器的分类根据不同的原理和应用，光敏传感器可以分为以下几类：1.光敏电阻（Photoresistor）：光照射导致电阻值变化，常用于光控开关、光敏灯等设备。
2.光敏二极管（Photodiode）：光照射产生电流，用于光通信、遥控等应用。
3.光敏三极管（Phototransistor）：光照射产生电流放大效应，常用于光电传感器、光电开关等设备。
4.光敏电容（Photo Capacitor）：光照射改变电容值，常用于光敏触摸屏、光敏开关等。
5.光敏电阻器（Photoconductive Cell）：光照射降低电阻值，常用于曝光控制、自动调光等应用。
6.光敏四极管（Photo Quad）：光照射引发正向信号，常用于光电传感器、图像捕捉等。
光敏传感器的应用领域光敏传感器广泛应用于以下领域：自动化控制•工业自动化：用于光电开关、光电传感器等设备，实现对物体的检测、计数、位置判断等。
•家居自动化：用于照明控制、智能窗帘、安防系统等，实现对环境的感知和控制。
光敏传感器
光电传感与测试技术包装112 郭剑 31106140421.概述电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化，早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚集射向接收器，接收器出电缆将这套装置接受到一个真空管放大器上，在金属圆管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今天光电传感器的雏形。
发光二极管最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。
LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。
由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。
因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。
不像白炽灯那样，LED抗震动冲击，并且没有灯丝。
另外，LED所发出的光只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。
（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。
经过调制的LED 传感器能够以非常快的速度开关，开关速度可以达到KHz。
将接收器的放大器调制到发射器的调制频率，那么它就只能对以此频率振动的光信号进行发大。
它忽略了周围的光，只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。
调制LED改进了光电传感器的设计，增大了检测距离，扩大了光束角度，并且具有相当快的响应速度。
光电传感器由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。
它把光型号转换成为电信号，直接检测来自物体的辐射信息，也可以转换其它物理量成为光信号。
其主要的原理是光电效应。
当光照射到物质上的时候，物质上的电效应发生改变，这里的电效应宝库奥电子发射、电导率和电位电流等。
然后通过类似光敏电阻这样的器件把光能转化成为电能，然后通过放大和去噪声处理就得到了所需要的输出信号。
光敏传感器ppt
分别连接到开发板
测光亮
打开串口检测亮度数据
怎样使用光线传感器控制LED灯？
首先设置光敏传感器最大、最小值
声光控开关
声光控开关是由声音量和光照度来控制的墙壁开关，当环境的亮度 达到某个启。
照相机
光敏传感器三根引脚的连线：
S：Ao V:3.3V G:接地（GND）
本节课所需教具
把杜邦线连接到光敏传感器上面
S:AO V:3.3V G:接地
两边分别插入杜邦线
光敏传感器模块
---------检测外界光照变化 将光信号转化为电信号
发光强度的单位是坎德拉（cd/㎡）
光敏传感器 是指能感受 光亮度并转 换成可用输 出信号的传 感器。
工作原理
上面有个光敏电阻，光敏电阻的阻值会随光照强度变化而变化。 光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组 成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量 转换为光信号的变化即可。
功能特点：
1、可根据外界环境光线的明暗，对照明设备进行控 制，并且配合光电隔离输入控制模块，实现对场景 （全开、全关等）、灯光、窗帘、空调等的控制； 2、同时设定延时功能，防止光线瞬间变化的干扰。
太阳能草坪灯
太阳能草坪灯是一种绿色能源灯具，具 有安全、节能、环保、安装方便等特点。 太阳能草坪灯主要由光源、控制器、蓄 电池、太阳能电池组件及灯体等部件组 成。其在有光照射下，通过太阳能电池 将电能存储于蓄电池，在无光情况下， 通过控制器将蓄电池电能送入负载 LED 中。适用于住宅社区绿草地美化照明点 缀、公园草坪美化点缀
光敏传感器的工作原理
光敏传感器的工作原理光敏传感器是一种能够将光信号转化为电信号的传感器。
它广泛应用于照明、安防、医疗、工业自动化等领域。
本文将详细介绍光敏传感器的工作原理。
一、光敏传感器的分类根据其原理和结构，光敏传感器可以分为以下几类：1. 光电导型：利用半导体材料的光电效应，将光信号转化为电信号。
2. 光阻型：利用半导体材料的电阻随光强度变化而变化，将光信号转化为电信号。
3. 光电二极管型：利用二极管结构，在有光照射时产生电流，将光信号转化为电信号。
4. 光敏三极管型：利用三极管结构，在有光照射时产生放大后的电流，将光信号转化为电信号。
5. 光敏场效应管型：利用场效应管结构，在有光照射时改变通道中的载流子浓度，从而改变结阈值电压，将光信号转化为电信号。
6. 其他类型：如CCD（Charge-Coupled Device）等。
二、光电导型光敏传感器的工作原理光电导型光敏传感器是应用最广泛的一种。
其主要原理是利用半导体材料在光照射下发生的光电效应，产生载流子（电子和空穴），从而使材料的电阻发生变化，进而产生电信号。
具体来说，当有光照射到半导体材料上时，能量将被吸收，并激发出一些价带中的电子跃迁到导带中，形成自由电子和空穴。
同时，有些自由电子和空穴会被捕获到晶格缺陷中，形成复合态。
这些复合态会释放出能量，并在晶格中留下一个正孔和一个负离子。
在这个过程中，如果半导体材料是p型半导体，则正孔浓度比自由电子浓度高；如果是n型半导体，则自由电子浓度比正孔浓度高。
因此，在有光照射时，p-n结两侧的载流子浓度会发生变化，从而改变了整个器件的阻值。
当光源移开时，载流子再次复合并消失。
因此，在没有光照射时，器件的阻值会恢复到初始状态。
三、光电导型光敏传感器的特点1. 灵敏度高：由于光电导型光敏传感器是利用光电效应产生载流子的，因此其灵敏度很高。
2. 响应速度快：由于载流子在半导体中移动速度很快，因此该类型传感器的响应速度也很快。
3. 稳定性好：由于该类型传感器不受温度和湿度等环境因素影响，因此具有较好的稳定性。
-光敏传感器PPT(共12张)
内光电效应(ɡuānɡ diàn xiào yìng)
• 光照射在半导体材料上，材料中处于价带 的电子吸收光子能量，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。光子能量必须大于材料的 禁带宽度ΔEg才能产生内光电效应。
• 内光电效应按其工作原理可分为两种：光 电导效应和光生伏特效应。。
第6页，共12页。
光电管
• 它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管，结构如图1 所 示。图2 阳极通过RL与电源连接在管内形成(xíngchéng)电 场。光电管的阴极受到光照射后便发射光电子，这些光 电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电 管内形成(xíngchéng)空间电子流。电阻RL上产生的电压降 正比于空间电流。
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光电效应：光照射在物体上可以看成(kàn chénɡ)是一连串的具有 一定能量的光子轰击这些物体的表面；光子与物体之间的联接 体是电子。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体 中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应可分成外光电效
应和内光电效应两类。
外光电效应：在光的照射下，使电子逸出物体表面而产 生光电子发射的现象称为外光电效应
高电平，继电器K得电吸合，其常开触点K1闭合(bìhé)，路灯EL通电发光。
R2与C3组成干扰脉冲吸收电路，可防止因短暂光线（如雷电闪光、 车辆灯光等）干扰电路的正常工作。由于时基集成电路组成的施密特触 发器具有V,D/3的回差电压，从而可避免继电器在光控临界点处的频繁 跳动而造成路灯EL的闪亮。本电路除可用于白炽灯自动控制外，也可
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光控照明灯应用(yìngyòng)传感器
第6章光敏传感器
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷 磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有
差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决 定发光颜色之外，峰的宽度（用Δ描述）决定 光的色彩纯度，Δ越小，其光色越纯。
9
相 1.0 对 0.8 灵 0.6 敏 0.4 度
0.2
0
GaP λp=565nm
GaAsP
λp=670nm GaAs λp=950nm
6
原理：
P
Uφ N
+ - - - - ++++_ - - - - ++++
+ - - - - ++++_
- - - - ++++
iD
U
R
U
当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到
P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入
到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对
的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。
36
（2）光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。
0.25 光 电 0.20 流
0.15
图10-9 光敏电阻的光 0.10
/mA
照特性
0.05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 光通量/lm
多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般
用做开关式的光电转换器。
37
（3）光谱特性
相 100
27
UOUT
K
A
RL
D1 D2 D3 D4
IA
R1
R2
R3
R4
R5
28
第
光敏传感器的工作原理
光敏传感器的工作原理光敏传感器（光电传感器）是一种将光信号转换成电信号的装置，是一种技术，用来检测和测量环境光照度的传感器，它使用光能量刺激物质发生物理变化，从而改变其物理参数，最终转化为电信号。
本文介绍光敏传感器的工作原理。
光敏传感器的基本原理是光子激发出的电子会被特定的物质吸收，释放成电子，引起电荷的变化，从而改变物质的电导率。
当环境光照度发生变化时，物质的电导率也会随之发生变化，从而产生一个有用的输出信号。
常用的光敏传感器有硅基和有机材料光敏传感器，两者的原理不同。
硅基光敏传感器是利用照射光照射形成电子活动，并通过电学元件进行信号的转换，它可以检测幅值范围较宽的信号；而有机材料光敏传感器是利用有机材料受照射后在电子轨道上发生变化，生成调制电流，而有机材料光敏传感器检测的信号幅值范围较窄。
接入电路组成光敏传感器，电路由光敏元件、放大电路、滤波电路、输出电路、校正电路、外部电源等组成。
在接入电路中，光敏元件是传感器的核心部分，由它来检测环境光照度的变化，而放大电路则用于放大光敏元件接收到的电信号，使其可以较为清晰地输出。
滤波电路在放大电路之后，用于滤除杂散信号，使输出信号更加干净。
输出电路是光敏传感器的输出，它能将放大后的电信号转换成电子设备所需的电流或电压输出，并能有效保护光敏元件免受外界物理环境的污染。
校正电路是用于矫正输出信号的电路，当光敏元件收到外来环境干扰光信号时，它可以及时发现，将其矫正，保证供给的信号更加准确可靠，使光敏传感器的数据读数准确。
外部电源是为光敏传感器提供电源，使其能够不间断地工作。
以上就是光敏传感器的工作原理，它是一种将光信号转换成电信号的装置，通过特定的物质接收环境光照，并通过接入电路实现电信号的转换和输出，可以有效地测量环境光照度。
光敏传感器
光敏传感器摘要：光敏传感器能对光信号的变化作出迅速反应，并将光信号转变为电信号；光信号具有粒子性，由光子(hγ)组成，具有一定的能量，光敏传感器就是将光能变换为相应电能的装置，又称光电式传感器。
关键词：传感器、外光电效应、光敏电阻器、应用1、传感器的介绍将实际中的力、声、光、温度、湿度等非电量转化为电量的媒介，也可以这么说传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到得信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需要形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、储存、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测课自动控制的首要环节。
外光电效应:在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射现象，也称光电发射效应。
爱因斯坦假设：一个电子只能吸收一个光子的能量，一部分用以克服物质对电子的束缚（即表面逸出功F），一部分转化为电子的能量，且此过程必须满足能量守恒定律。
若电子得到的能量全部变为电子的动能，则光电子的最大动能为；F为金属逸出功，g0为产生光电发射的极限频率，g为入射光的频率，m为电子的质量，光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关。
给发射材料上放置一个电子接收板连成一个光电发射检测装置，如图所示，测定逸出电子随光的强度、频率的变化情况。
若入射光的频率一定或频谱成分不变时，饱和光电流I的大小与光强成正比。
(光强大,光子数多)若入射光子的能量hg小于hg0即l>l0时，光电流都为零。
由此说明光的波长必须小于l0才能产生光电子，极限频率g0。
VRL检流计测光电流I光电发射检测装置0.020.040.060.080.10 1234光强/L mI/uA光电流随光强的变化曲线hγ2、光电发射二极管的原理将检测装置中发射电子的极板称为阴极，吸收电子的极板称为阳极，且将两者封于同一壳内，连上电极，就成为光电二极管。
按光电发射二极管的原理可以分为真空光电二极管和充气光电二极管两类。
光敏传感器
光敏传感器第[1],[2],[3],[4]页>>更多内容摘自《传感器工作原理及应用实例》作者：黄继昌，徐巧鱼，张海贵，郭继忠，傅润何光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。
光敏传感器的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。
第一节光电管图1和图2分别是光电管的结构示意图和电路图。
光电管主要有以下几点特性：(1).光电管的光谱特性光电管的光谱特性是指光电管在工作电压不便的条件下，入射光的波长与其绝对灵敏度（即量子效率）的关系。
光电管的光谱特性主要取决于阴极材料，常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴极等，前两种阴极使用比较广泛，图3和图4分别给出了它们的光谱特性曲线。
由光电管的光谱特性曲线可以看出，不同阴极材料制成的光电管有着不同的灵敏度较高的区域，应用时应根据所测光谱的波长选用相应的光电管。
例如被测光的成分是红光，选用银氧铯阴极光电管就可以得到较高的灵敏度。
(2).光电管的伏安特性光电管的伏安特性是指在一定光通量照射下，光电管阳极与阴极之间的电压U A与光电流IΦ之间的关系。
光电管在一定光通量照射下，光电管阴极在单位时间内发射一定量的光电子，这些光电子分散在阳极与阴极之间的空间，若在光电管阳极上施加电压U A，则光电子被阳极吸引收集，形成回路中的光电流IΦ。
当阳极电压升高，阳极发射的光电子指引一部分被阳极收集，其余部分仍返回阴极。
第6章光敏传感器及工程应用
二极管、晶体管）的光谱特性曲线如图6-13所示。
第6章 光敏传感器及工程应用
100 Kr(％) 80 60 40 20 0 0.5 1.0 1.5 2.0 锗 硅
从图中可以看出，硅管峰值 波长在 0.9 μm 左右，锗管峰值 波长在 1.5 μm 左右。故在探测 可见光时，用硅材料的光敏管
μm) λ(
合于检测比较微弱的光照。
6.2.3 光敏电阻
1. 光敏电阻的结构及工作原理 光敏电阻又称作光导管，是用半导体材料制成的光电器件，
其结构外形和电路符号如图6-4所示。就是在绝缘材料上均匀
地涂上薄薄的一层半导体材料。
第6章 光敏传感器及工程应用
为了提高灵敏度，半导体材料的两端装有梳状的金属电 极，金属电极与引线连接；为了防止受潮，外加一个保护壳。 光敏电阻的工作原理 是基于半导体材料的光电
，这样会使发射极发射更多的电子流向集电极，形成较大
的输出电流。
第6章 光敏传感器及工程应用
图6-11 光敏晶体管
由于发射结的作用，在同样的光照下，流过光敏三极 管的电流要比流过光敏二极管的电流大得多，这就是光敏
三极管的放大作用。
第6章 光敏传感器及工程应用
当某些场合需要更大的电流输出时， 可采用达林顿光敏管，其结构和符号如
导效应。即当无光照射时，
光敏电阻的电阻值很大； 当受到一定波长范围的光 照射时，它的电阻值急剧 下降。并且光照越强，它 的电阻值就越小。光照停 止，电阻值又恢复到原值。
图6-4 光敏电阻外形和电路符号
第6章 光敏传感器及工程应用
光敏电阻无极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加 直流电，也可加交流电。
上。另一个是阳极，通常是装 在光电阴极前面的一根金属丝
校园网-光敏传感器
1.传感器1.1 传感器的起源人体为从外界获取信息，必须借助于感觉器官，但是单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况，就需要传感器。
因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。
真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。
五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。
在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。
与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、光敏传感器和力敏传感器[1]。
1.2 传感器的定义与功能传感器是一种物理装置，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
我们常常将传感器的功能与人的五大器官相比拟。
如相当于人眼（视觉）的光敏传感器（如光敏元件、图像传感器和光敏二极管等）；相当于人皮肤（触觉）的振动传感器、温度传感器和压力传感器；相当于人鼻子（嗅觉）的气敏传感器；相当于人耳（听觉）音响传感器（如传声器、压电元件等）；相当于人舌头（味觉）的味觉传感器（如氧化物、离子传感器等）。
1.3 传感器的用途与发展当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
高二物理人教版选修3-2第六章 1 传感器及其工作原理
三、热敏电阻和金属热电阻 1.热敏电阻 热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化明显,温度升 高电阻减小,如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性 曲线。
2.金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的电阻也可以制作 温度传感器,称为热电阻,如图乙所示为某金属导线电阻的温度特 性曲线。
探究一
探究二
探究三
探究四
典例剖析
【例题1】 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是 确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一,为模仿汽车油表原理, 某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图乙所
示,其中电源电压保持不变,R是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆
的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过
3.霍尔电压:UH=kIdB 。 (1)其中d为薄片的厚度,k为霍尔系数,其大小与薄片的材料有关。 (2)一个霍尔元件的d、k为定值,再保持电流I恒定,则UH的变化就 与磁感应强度B成正比。 4.作用:把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
搜索“玉兔探月机器人”,了解我国“玉兔”探月机器人 拥有哪些传感器,以后的探月机器人的发展方向等。
B.θ'<θ C.θ'>θ
D.不能确定
解析:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部
分光线,阻值变大,指针自左向右偏转角度变小,故B正确。
答案:B
探究一
探究二
探究三
探究四
热敏电阻和金属热电阻
问题探究
如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支
表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连, 这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精,表针将 如何偏转?若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转?
光敏传感器的工作原理
光敏传感器的工作原理1. 引言光敏传感器是一种能够感知光线并将其转化为电信号的器件。
它在许多领域中广泛应用，例如光学测量、光通信、图像处理等。
本文将详细介绍光敏传感器的工作原理。
2. 光敏传感器的分类根据原理和应用，光敏传感器可分为以下几种类型：2.1 光电二极管光电二极管是一种基本的光敏传感器。
它由一个PN结构组成，当光线照射到PN结上时，产生的光生载流子会导致电流的变化。
光电二极管具有快速响应时间和较高的灵敏度，广泛应用于光通信和光电测量等领域。
2.2 光敏电阻光敏电阻是一种光敏材料与电阻元件相结合的器件。
光敏电阻的电阻值随着光照强度的变化而变化。
它通常用于光控开关、光探测等领域。
2.3 光敏电容光敏电容是一种利用光敏材料引起电容值变化的传感器。
当光照强度改变时，光敏电容的电容值也会相应变化。
光敏电容广泛应用于光学测量、图像处理等领域。
2.4 光敏晶体管光敏晶体管是一种结合了光电二极管和晶体管的器件。
它利用光生载流子的效应控制晶体管的导通和截止，实现光信号的放大和处理。
光敏晶体管在光电检测和光通信中发挥着重要作用。
3. 光敏传感器的工作原理光敏传感器的工作原理可以概括为以下几个步骤：3.1 光能吸收光敏传感器的工作首先需要光能的吸收。
光线照射到光敏传感器的敏感元件上，光能被吸收并激发物质内的电荷载流子。
3.2 电荷生成和分离光能的吸收导致光生电荷的生成和分离。
在光敏传感器的敏感元件中，光敏材料中的电子被激发成为自由电子，并且空穴也被激发出来。
这些电子和空穴的产生和分离是光敏传感器工作的基础。
3.3 电流输出生成和分离的电荷载流子会导致光敏传感器输出电流的变化。
不同类型的光敏传感器在电流输出方面有不同的特点。
光电二极管在电流输出时，光生电荷会直接在PN结上产生空间电荷区，从而改变PN结的电容和电流。
光敏电阻的电阻值随着光照强度的变化而变化，因此电流输出也会相应变化。
光敏电容的电容值随着光照强度的变化而变化，这会影响到输出电流的大小。
光敏传感器
光敏传感器的原理及应用领域在传感器中，我们通常最常见的是光敏传感器，光敏传感器的的种类比较繁多。
主要用红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。
光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
光敏传感器采用防静电袋封装。
在使用的过程中应该避免在潮湿的环境中使用，还应该注意表面的损伤和污染程度，应该它们均会影响光电流。
光敏传感器主要应用于太阳能草坪灯、光控小夜灯、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音乐蜡烛、音乐杯、人体感应灯、人体感应开关等电子产品光自动控制领域。
光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
光电传感器然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫光电传感器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，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（＜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。
第六章 光敏传感器
双结型色彩传感器
2
电极3
3
图33 色敏光电传感器和等效电路
图 6-51双结型色敏光电传感器和等效电路 图 6-52双结型色彩传感器光谱特性
6.6.1
双结型色彩传感器
图 6-53短路电流比与波长特性
6.6.2
非晶态集成色彩传感器
图 6-54非晶态集成色彩传感器
图 6-55相对灵敏度与波长特性
6.6.2
6.10.3
光纤温度传感器
光纤传感器
图 6-86 半导体光吸收型光纤温度传感器 （a）装置简图；（b）探头
6.10.3
光纤传感器
光纤旋涡流量传感器
图 6-87 半导体的光透过率特性
图 6-88 光纤旋涡流量传感器
6.10.3
光纤气体传感器
差动吸收法光纤远距离测量系统
光纤传感器
图 6-65热释电传感器内部接线图
图 6-66 红外滤光片透射曲线
6.9.6
热释电红外传感器的应用
人体探测／防盗报警器
菲涅尔透镜(FRESNEL LENS)
图 6-67菲涅尔透镜外形
图 6-68菲涅尔透镜的外形和视场图
6.9.6
热释电红外传感器的应用
图 6-69传感器的安装
6.9.6
热释电红外传感器的应用
P1 P2 P3 P1 P2 P3
CCD基本原理
Ф Ф1 t=t1 Ф2 Ф3 t=t2 0 t0 t1 t2 t3
t=t0 P1 P2 P3 P1 P2 P3
P1 P2
P3
P1 P2 P3
P1
P2
P3
P1 P2 P3 t=t3 (b )
(a )
图59 电荷转移过程
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做光电子。光子是具有能量的粒子，每个光子的能 量为
E = hv
（6-4）
式中，h为普朗克常数，即6.626×10-34J·s；v为光的 频率（Hz）。
根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光
子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必
须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部
分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定
图6-25 亮光报警电路 图6-25所示为亮光报警电路，当有光照射光敏 电阻CdS时其阻值减小，VTl的基极电位高于发射板
，则VT1导通，VT2和VT3也导通，蜂鸣器B呜叫。
③ 标识灯
图6-26所示是标识灯电路。在白天，光照射在 光敏电阻CdS上其阻值变低，VT2的基极电位下降 ，为此，VT2截止，VT3和VT4都截止，灯H不亮。 在夜晚，CdS无光照射，其电阻值非常高，相当于 开路，VT1和VT2构成的多谐振荡器工作，标识灯H 交替亮灭。
nm的电磁波称为红外线，如图6-1所示。
光谱分布如图6-2所示。
图6-2 光谱分布图
6.1.2 光学传感器的相关计量单位
辐射度学：测量纯粹的、原始的能量流，与波长无 关。单位W（瓦特）。
光度学：测量人眼可视的波长范围内的能量流。单 位lm（流明）。
光强：单位面积上的辐射度。单位W/m2。 发光强度：1坎德拉（cd）是指，在给定方向上， 相应于人眼系统敏感最高峰的光的强度，而且在此 方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。
② 光谱特性
光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系 称为光谱特性，也称为光谱响应。图6-19所示为几 种不同材料光敏电阻的光谱特性。
图6-19 光敏电阻的光谱特性
③ 温度特性
温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时， 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响 应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。
② 亮电阻：光敏电阻在受光照射时的阻值。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。
（3）光敏电阻的基本特性
① 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称为光敏电阻的伏安特性。图 6-18所示为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。
图6-18 硫化镉光敏电阻的伏安特性
（3）光电倍增管的性能参数
① 灵敏度：光电倍增管将光辐射转换成电信号能力的 一个重要参数。阳极灵敏度SA是指在一定工作电压 下阳极输出电流与照射到阴极面上光通量的比值。阴 极灵敏度SK是指光电阴极本身的积分灵敏度。
② 放大倍数（电流增益G）：在一定工作电压下，光
电倍增管的阳极电流和阴极电流的比值称为该管的放
（1）真空光电二极管
将一个阳极和一个阴极同装于一个真空玻璃内，引 出两个电极就构成一个真空光电二极管。图6-5是两 个典型的真空光电二极管结构示意图。
图6-5 真空光电二极管结构示意图
将真空光电二极管按照图6-6所示的测量电路连 接，测得其I-V特性曲线如图6-7所示。由图可以看出 ，同一光强下Ia-Va曲线中，在0～20 V范围内，阳极 电压增大，光电子达到阳极的数目也增大，阳极电 流急剧增大；当阳极电压大于20 V后，几乎全部发
④ 光电特性：图6-15所示为光电倍增管的光电特性 ，可以看出阳极电流随光通量而增加，而且在很宽 范围内是线性的，所以适合测量辐射光通量较大的 场合。
图6-14 光电倍增管阳极灵敏度 和放 大倍数随工作电压变化曲线
图6-15 光电倍增管的 光电特性
（4）光电倍增管的应用领域
光电倍增管的应用领域非常广泛，主要分为以 下十几种。
大倍数或电流增益，即 G iA SA iK SK
（6-6）
式中，iA是阳极电流；iK是阴极电流。
图6-14所示为一个典型的光电倍增管阳极灵敏 度和放大倍数随工作电压变化的关系曲线。
③ 暗电流：当光电倍增管在全暗条件下时，阳极上 也会收集到一定的电流，其输出电流的直流成分称 为该管的暗电流。
实用光电发射材料应该具备三个条件：① 光吸 收系数大；② 光电子在体内传输到体外的过程中能 量损失小，使逸出深度大；③ 电子亲和势较低，
使表面的逸出概率提高。 一般金属材
料只适于做紫外 灵敏的光电器件。 半导体材料对可 见光、红外光都 很敏感，所以半 导体被广泛用做 光电阴极。表6-1 是一些材料光电 阴的主要性能。
① 光谱学 ② 质量光谱学与固体表面分析
③ 环境监测 ④ 生物技术
⑤ 医疗ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用 ⑥ 射线测定
⑦ 资源调查 ⑧ 工业计测
⑨ 摄影印刷 ⑩ 高能物理——加速器实验
中微子、正电子衰变实验，宇宙线检测
激光
等离子体
6.2.2 内光电效应（光电导）及器件 1．光电导效应
光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电 子-空穴对，使导电性能加强，电导率增加，这种 现象被称为光电导效应（内光电效应）。
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第6章 光敏传感器
本章课程安排
6.1 概 述 6.2 光电效应传感器 6.3 光生伏特效应器件 6.4 光敏二极管 6.5 光敏晶体管 6.6 色敏光电传感器 6.7 光电耦合器件 6.8 红外热释电光敏器件 6.9 固态图像传感器 6.10 光纤传感器 小 结
图6-8 充气光电二极管 伏安特性曲线
表6-1 材料光电阴极的主要性能
3．光电倍增管 （1）光电倍增管原理
图6-9 光电倍增管的结构
当具有足够动能的电子轰击倍增极时，该倍增极 表面将有电子发射出来，这种现象称为二次电子发射 。光电倍增管的原理如图6-9所示。
（2）光电倍增管的结构分类 ① 直线瓦片式倍增系统（聚焦型）
图6-26 标识灯电路
6.3 光生伏特效应器件
6.3.1 光生伏特效应 光生伏特效应包括势垒效应（结光电效应）和
侧向光电效应。 1．势垒效应（结光电效应）
接触半导体和PN结中，当光线照射其接触区域 时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 2．侧向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓 度梯度将会产生侧向光电效应。
6.1
概述
光敏传感器就是将光能转换为相应电能的装置， 又称为光电式传感器。从目的上讲，它是探测光信号 的器件，也可以称为光电探测器。
6.1.1 光谱
按通常定义，光指的是频率为1011 Hz（远红外 线）～1017 Hz（远紫外线）范围内的电磁波谱，单 个光子的能量E可由式（6-1）求出（h是普朗克常数 ， 是光的频率）
图6-21 CdS光敏电阻的光照特性
⑤ 频率特性
当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过 一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电 流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由 于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的 频率特性也不同，如图6-22所示。
⑥ 稳定性
图6-23中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏 电阻的稳定性。
PN结光电检测电路如图6-24所示，其电流-电 压特性曲线如图6-25所示。
图6-27 PN结光电检测电路 图6-28 PN结光电检测电路电 流-电压特性曲线
从图6-27和图6-28可知，有光照时反向电流增 加且增加量是光电流。这样就可以在PN结两端并联 一个电压表，测量光照时PN结两端形成的电势差。 这样就验证了光生伏特效应。
图6-6 测量电路
图6-7 I-V特性曲线
射电子都已到达阳极，电压再增大，电流几乎不变， 曲线平坦，此部分称为饱和区，一般工作电压选择在 饱和区但要尽可能小一些。而随着光强的增加，产生 的光电子数就增多，所以光电流与光强成正比。
（2）充气光电二极管 充气光电二极管结构与真空管相似，只是管壳内
充有低压惰性气体（氩气和氖气）。充入惰性气体 可以起到电子倍增效应，使到达阳极的电子数目比 真空二极管所产生的电子数目大得多，相当于具有 一定的放大倍数，可达10倍左右。图6-8是充气光电 二极管的伏安特性曲线。
6.3.2 光电池 1．原理与结构
图6-29 硅光电池示意图 光电池的工作原理基于光生伏特效应。当光照 射在光电池上时可以直接输出电动势及光电流。 图6-29所示是硅光电池结构示意图。
6.2 光电效应传感器
6.2.1 外光电效应及器件
1．外光电效应
光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效
应分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效 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，从而产生的电效应。
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
当光照射到半导体材料上时，价带中的电子 受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使 其由价带越过禁带跃入导带，如图6-16所示，使 材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加， 从而使电导率变大。
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大
图6-16 光电导效应示意
于光电导材料的禁带宽度Eg，即
h
hc
1.24
≥
Eg
（6-7）
式中，、分别为入射光的频率和波长。
2．内光电效应（光电导）器件——光敏电阻 （1）光敏电阻的结构与工作原理
图6-17 光敏电阻的原理结构 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料 制成的光电器件。图6-17所示为光敏电阻的原理结 构。
（2）光敏电阻的主要参数
① 暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值。此时 流过的电流称为暗电流。
理有
h
1 2
mv02
A0
（6-5）
式中，m为电子质量；v0为电子逸出速度。该方
程称为爱因斯坦光电效应方程。
图6-3所示为测定逸出电子随光的强度和光频率变化 的实验，图6-4是光电流随光强变化的曲线。
图6-3 光电发射检测装置