传感器与检测技术_第4章4.1 光电效应和光电器件
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第四章 光电式传感器的原 理及应用
4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电
光电式传感器
工作原理：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。
1
2
辐射源
光学通路
I
光电元件
x1
x2
光电式传感器方框图
光电效应 ？
波
物理学中认为光是由分离的能团——光子组成 粒子
能量： E hf
4.1.1 外光电效应（光电发射型）
在光线作用下使电子逸出物体表面的现象。 如光电管、光电倍增管
光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子， 电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电 子流，在外电路中便产生了电流。
真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
光电倍增管的结构 与工作原理
光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电 位逐级升高
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二 次电子发射
二次电子发射系数 σ = 二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
c ZTN 60
End the 4.1
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
1． 工作原理 2． 基本特性
1． 工作原理
结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的
光敏二极管
光敏晶体管
与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信 号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
（2）光照特性
光敏电阻的光电流与光强之间的关系
由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
（3）光谱特性
光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
（4）响应时间
光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在 时间上有一个滞后。
通常用响应时间t表示。
阻挡层光电效应（光生伏特效应）
在光线作用下能使物体产生一定方向的电动 势的现象。如光电池、光敏晶体管等
光电池
有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件 就不再需要外加电源。 1. 工作原理 2．基本特性
1. 工作原理
直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面 积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两 端产生电动势(p区为正，n区为负) 。
4.1.6 光电式传感器的应用
模拟式传感器 脉冲式传感器
1. 模拟式光电传感器
基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通 量的函数 。 对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一 个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化， 这样光电流就成为被测非电量的函数。
光电比色高温计
1－物镜；2－平面玻璃；3－光阑；4－光导棒；5－分光镜； 6－滤光片；7－硅光电池；8－滤光片；9－硅光电池； 10－瞄准反射镜；11－圆柱反射镜；12－目镜；13－多夫棱镜 14、15－硅光电池负载电阻；16－可逆电机；17－电子电位差计
光敏电阻的频率特性
不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它 们的频率特性也就不尽相同。
（5）温度特性
光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它 的暗电阻和灵敏度都下降。
温度系数:
R2 R1 100 %C 1
(T2 T1 )R2
在一定光照下，温度每变化1℃， 光敏电阻阻值的平均变化率
测量精度或控制精度等重要指标
硅光电池的温度特性(照度1000lx)
(5)稳定性
当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光 电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定
影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流 过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电 路断开，就可以测出光生电动势。
2． 基本特性
(1) 光谱特性 (2) 光照特性 (3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性
（1）光谱特性
光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的
(2)光照特性
不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。
（1）光谱特性
入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。
（2）伏安特性
硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性
（3）光照特性
硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
Baidu Nhomakorabea
（4）温度特性
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.1.2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
硫化镉光敏电阻的温度特性
温度对光谱特性影响
随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此， 采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
2. 脉冲式光电传感器
光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通” 与“断”的开关状态。
光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受 光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电 器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、 线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等 等。
光电式数字转速表
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装 在带有玻璃的壳体中。
2．光敏电阻的基本特性
（1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性 （4）响应时间和频率特性 （5）温度特性
（1）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
在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的， 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。
短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的 光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用
负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽
(3)频率响应
指输出电流随调制光频率变化的关系
硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换
(4)温度特性
开路电压和短路电流随温度变化的关系。 关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到
内光电效应（光电导型）
在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等
1. 光敏电阻的工作原理及结构
当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加
光敏电阻的结构
1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线 半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。
其暗电流及光电流与温度的关系
温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。
（5）频率响应
具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的 光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系
硅光敏晶体管的频率响应
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
所谓光电效应是物体吸收能量为E的光后所产生电效应
根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子， 因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必 须大于该物质表面的逸出功A0，即
Ek
1 2
mv02
hf
A0
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电
光电式传感器
工作原理：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。
1
2
辐射源
光学通路
I
光电元件
x1
x2
光电式传感器方框图
光电效应 ？
波
物理学中认为光是由分离的能团——光子组成 粒子
能量： E hf
4.1.1 外光电效应（光电发射型）
在光线作用下使电子逸出物体表面的现象。 如光电管、光电倍增管
光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子， 电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电 子流，在外电路中便产生了电流。
真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
光电倍增管的结构 与工作原理
光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电 位逐级升高
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二 次电子发射
二次电子发射系数 σ = 二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
c ZTN 60
End the 4.1
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
1． 工作原理 2． 基本特性
1． 工作原理
结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的
光敏二极管
光敏晶体管
与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信 号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
（2）光照特性
光敏电阻的光电流与光强之间的关系
由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
（3）光谱特性
光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
（4）响应时间
光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在 时间上有一个滞后。
通常用响应时间t表示。
阻挡层光电效应（光生伏特效应）
在光线作用下能使物体产生一定方向的电动 势的现象。如光电池、光敏晶体管等
光电池
有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件 就不再需要外加电源。 1. 工作原理 2．基本特性
1. 工作原理
直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面 积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两 端产生电动势(p区为正，n区为负) 。
4.1.6 光电式传感器的应用
模拟式传感器 脉冲式传感器
1. 模拟式光电传感器
基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通 量的函数 。 对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一 个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化， 这样光电流就成为被测非电量的函数。
光电比色高温计
1－物镜；2－平面玻璃；3－光阑；4－光导棒；5－分光镜； 6－滤光片；7－硅光电池；8－滤光片；9－硅光电池； 10－瞄准反射镜；11－圆柱反射镜；12－目镜；13－多夫棱镜 14、15－硅光电池负载电阻；16－可逆电机；17－电子电位差计
光敏电阻的频率特性
不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它 们的频率特性也就不尽相同。
（5）温度特性
光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它 的暗电阻和灵敏度都下降。
温度系数:
R2 R1 100 %C 1
(T2 T1 )R2
在一定光照下，温度每变化1℃， 光敏电阻阻值的平均变化率
测量精度或控制精度等重要指标
硅光电池的温度特性(照度1000lx)
(5)稳定性
当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光 电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定
影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流 过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电 路断开，就可以测出光生电动势。
2． 基本特性
(1) 光谱特性 (2) 光照特性 (3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性
（1）光谱特性
光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的
(2)光照特性
不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。
（1）光谱特性
入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。
（2）伏安特性
硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性
（3）光照特性
硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
Baidu Nhomakorabea
（4）温度特性
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.1.2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
硫化镉光敏电阻的温度特性
温度对光谱特性影响
随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此， 采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
2. 脉冲式光电传感器
光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通” 与“断”的开关状态。
光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受 光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电 器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、 线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等 等。
光电式数字转速表
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装 在带有玻璃的壳体中。
2．光敏电阻的基本特性
（1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性 （4）响应时间和频率特性 （5）温度特性
（1）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
在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的， 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。
短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的 光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用
负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽
(3)频率响应
指输出电流随调制光频率变化的关系
硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换
(4)温度特性
开路电压和短路电流随温度变化的关系。 关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到
内光电效应（光电导型）
在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等
1. 光敏电阻的工作原理及结构
当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加
光敏电阻的结构
1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线 半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。
其暗电流及光电流与温度的关系
温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。
（5）频率响应
具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的 光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系
硅光敏晶体管的频率响应
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
所谓光电效应是物体吸收能量为E的光后所产生电效应
根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子， 因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必 须大于该物质表面的逸出功A0，即
Ek
1 2
mv02
hf
A0
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用