第8章光电式传感器2优秀课件
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第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
概述
光电式传感器是将光通量转换 为电量的一种传感器，光电式传感器的 基础是光电转换元件的光电效应。 由于光电测量方法灵活多样，可测 参数众多，具有非接触、高精度、高可 靠性和反应快等特点，使得光电传感器 在检测和控制领域获得了广泛的应用。
原理：
光源
光学通路 被测量
光电器件
输出
图8-9 NPN型光敏三极管结构简图和基本电路
◆ 图为NPN型光敏三极管的结构简图和基本电路。大多
数光敏晶体管的基极无引出线，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；当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子 -空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电 流。由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电 流的β
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线
（5）光敏电阻的响应时间和频率特性
◆实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有 一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导 的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停 止光照起到电流下降到原来 的63%所需的时间，因此，t 越小，响应越迅速，但大多
数光敏电阻的时间常数都较
大,这是它的缺点之一。
光敏电阻的频率特性
光敏二极管和光敏三极管
图8-7 光敏二极管的结构原理
◆光敏二极管的结构与一般二极管相似源自它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接 受到光照射（见图a）。光敏二极管在电路中一般 是处于反向工作状态（见图b），在没有光照射时， 反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为 暗电流。
（5）伏安特性：在一定照度下，光电流I与光敏元件 两端的电压U的关系 称为伏安特性。 （6）频率特性： 在相同的电压和相同幅值的光强度 下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏 元件输出的光电流I和灵敏度S随调制频率f变化的关 系： 、 称为频率特性。 （7）温度特性： 环境温度变化后，光敏元件的光学 性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。
概述
光电式传感器是将光通量转换 为电量的一种传感器，光电式传感器的 基础是光电转换元件的光电效应。 由于光电测量方法灵活多样，可测 参数众多，具有非接触、高精度、高可 靠性和反应快等特点，使得光电传感器 在检测和控制领域获得了广泛的应用。
原理：
光源
光学通路 被测量
光电器件
输出
图8-9 NPN型光敏三极管结构简图和基本电路
◆ 图为NPN型光敏三极管的结构简图和基本电路。大多
数光敏晶体管的基极无引出线，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；当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子 -空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电 流。由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电 流的β
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线
（5）光敏电阻的响应时间和频率特性
◆实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有 一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导 的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停 止光照起到电流下降到原来 的63%所需的时间，因此，t 越小，响应越迅速，但大多
数光敏电阻的时间常数都较
大,这是它的缺点之一。
光敏电阻的频率特性
光敏二极管和光敏三极管
图8-7 光敏二极管的结构原理
◆光敏二极管的结构与一般二极管相似源自它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接 受到光照射（见图a）。光敏二极管在电路中一般 是处于反向工作状态（见图b），在没有光照射时， 反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为 暗电流。
（5）伏安特性：在一定照度下，光电流I与光敏元件 两端的电压U的关系 称为伏安特性。 （6）频率特性： 在相同的电压和相同幅值的光强度 下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏 元件输出的光电流I和灵敏度S随调制频率f变化的关 系： 、 称为频率特性。 （7）温度特性： 环境温度变化后，光敏元件的光学 性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。
《光电式传感器》课件2
响应速度快
抗干扰能力强
光电式传感器的响应速度很快，可以在短 时间内完成大量数据的采集和处理，适合 用于高速动态测量。
光电式传感器通常采用光信号传输，不易 受到电磁干扰的影响，可以在强磁场、强 电场等恶劣环境中正常工作。
光电式传感器的缺点
对环境要求高
光电式传感器的工作会受到环 境光的影响，如果周围环境光 较强，可能会对测量结果造成
，确保设备正常工作。
光学仪器控制
02
光电式传感器用于控制医疗光学仪器，如显微镜、内窥镜等，
提高仪器的操作精度和稳定性。
生物医学研究
03
光电式传感器可以用于生物医学研究，如检测生物组织的光学
特性、血氧饱和度等。
光电式传感器在环境监测领域的应用
01
02
03
大气污染监测
光电式传感器可以检测大 气中的有害气体、颗粒物 等，为环境保护提供数据 支持。
干扰。
测量范围有限
光电式传感器的测量范围通常 较小，对于较大尺寸或较远距 离的测量可能无法达到所需的 精度。
成本较高
光电式传感器通常需要使用高 质量的光学元件和精密机械结 构，导致其制造成本较高。
维护保养复杂
由于光电式传感器内部结构较 为复杂，如果发生故障需要专 业人员进行维修保养，相对较
为不便。
光电式传感器的改进方向
交通安全监控
光电式传感器可以用于交 通安全监控，如红绿灯控 制系统、车辆速度监测等 。
03
光电式传感器的优缺点
光电式传感器的优点
高精度测量
非接触测量
光电式传感器由于其工作原理，可以实现 对微小变化的精确测量，尤其在测量距离 、角度、位移等参数时具有较高的精度。
光电式传感器优秀优秀课件
如图9-2为光电倍增管的典型结构。它是一个除在玻璃 泡内装入光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增 极，且在光电倍增极上涂以在电子轰击下可发射更多次级 电子的材料，倍增极的形状及位置要正好能使轰击进行下 去，在每个倍增极间均依次增大加速电压。
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设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流 倍增率将为δ n 。倍增级数n可在4~ 14 之间，δ的范围一般是 3~6。
如图9-21所示是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大 管。其示值可在指示仪表P上读得。
在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。 2.光电倍增管的测量电路
常见的光电倍增管电路如图9-22所示，各倍增极的电压 由分压电阻链R1、R2……Rn获得，被放大的电流流经负载电 阻就得到了所需的输出电压。
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如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的 Cn~Cn-2可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可 以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca，这样系统 将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那 么就可以用电容器耦合。
当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更 低。这时应接入隔离电容 Ca，同时用电容器Cn~Cn-2稳定最 后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增 益和防止饱和，它们通过电源去耦电容器C将脉冲电压接地。
三、光电池 1.光电池的结构与原理 （1）结构
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型 杂质形成一个大面积的PN结，如图9-11所示。
（2）原理 当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的
光电式传感器优秀优秀课件
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设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流 倍增率将为δ n 。倍增级数n可在4~ 14 之间，δ的范围一般是 3~6。
如图9-21所示是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大 管。其示值可在指示仪表P上读得。
在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。 2.光电倍增管的测量电路
常见的光电倍增管电路如图9-22所示，各倍增极的电压 由分压电阻链R1、R2……Rn获得，被放大的电流流经负载电 阻就得到了所需的输出电压。
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如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的 Cn~Cn-2可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可 以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca，这样系统 将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那 么就可以用电容器耦合。
当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更 低。这时应接入隔离电容 Ca，同时用电容器Cn~Cn-2稳定最 后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增 益和防止饱和，它们通过电源去耦电容器C将脉冲电压接地。
三、光电池 1.光电池的结构与原理 （1）结构
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型 杂质形成一个大面积的PN结，如图9-11所示。
（2）原理 当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的
光电式传感器及其应用ppt课件
暗电阻普通超越1MΩ,甚至高达100MΩ，亮电阻那么在几kΩ 以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，灵敏度很高。
21
第8章 光电式传感器及其应用
4) 光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光敏电阻
的光照特性。不同类型的光敏电阻,光照特性不同。
光 电 / 流 m A
0. 25 0. 20 0. 15 0. 10 0. 05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 光 通 量 / lm
光敏电阻的光照特性
多数是非线性的。不宜 做线性丈量元件，普通 用做开关式的光电转换 器。
22
第8章 光电式传感器及其应用
5)光谱特性
光敏电阻对不同波长的光,光谱灵敏度不同,而且不
同种类光敏电阻峰值波长也不同。
10 0
80
60
硫 化铅
40
硫 化铊
第8章 光电式传感器及其应用
1
第8章 光电式传感器及其应用
按任务原理分类： 光电效应传感器 红外热释电传感器 固体图像传感器 光纤传感器
2
第8章 光电式传感器及其应用
第5章 光电式传感器及其运用
光电传感器:将光信号〔红外、可见光及紫外光〕转变成为 电信号的器件。
被丈量 的变化
光信号 的变化
电信号 的变化
20
硫 化镉
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
①不同资料，其峰值 波长不同。
②同一种资料，对不 同波长的入射光，其 相对灵敏度不同，呼 应电流不同。
应根据光源的性质， 选择适宜的光电元件 〔匹配〕使光电元件 得到较高得相对灵敏 度。
光敏电阻的光谱灵敏度
23
第8章 光电式传感器及其应用
6) 伏安特性
21
第8章 光电式传感器及其应用
4) 光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光敏电阻
的光照特性。不同类型的光敏电阻,光照特性不同。
光 电 / 流 m A
0. 25 0. 20 0. 15 0. 10 0. 05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 光 通 量 / lm
光敏电阻的光照特性
多数是非线性的。不宜 做线性丈量元件，普通 用做开关式的光电转换 器。
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第8章 光电式传感器及其应用
5)光谱特性
光敏电阻对不同波长的光,光谱灵敏度不同,而且不
同种类光敏电阻峰值波长也不同。
10 0
80
60
硫 化铅
40
硫 化铊
第8章 光电式传感器及其应用
1
第8章 光电式传感器及其应用
按任务原理分类： 光电效应传感器 红外热释电传感器 固体图像传感器 光纤传感器
2
第8章 光电式传感器及其应用
第5章 光电式传感器及其运用
光电传感器:将光信号〔红外、可见光及紫外光〕转变成为 电信号的器件。
被丈量 的变化
光信号 的变化
电信号 的变化
20
硫 化镉
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
①不同资料，其峰值 波长不同。
②同一种资料，对不 同波长的入射光，其 相对灵敏度不同，呼 应电流不同。
应根据光源的性质， 选择适宜的光电元件 〔匹配〕使光电元件 得到较高得相对灵敏 度。
光敏电阻的光谱灵敏度
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第8章 光电式传感器及其应用
6) 伏安特性
光电传感器应用技术第8章 第2节
Q(0) Q(t) 1 Q(t)
Q(0)
Q(0)
(8-9)
如果电荷转移损失率定义为
Q(t)
Q(0)
电荷转移效率与电荷转移损失率的关系为
(8-10)
1
(8-11)
n次转移前、后电荷量之间的关系为
Q(n) n en
Q(0)
(8-13)
影响电荷转移效率的主 要因素是界面态对电荷的俘 获。为此，常采用“胖零” 工作模式，即让“零”信号 也有一定的电荷。图8-22为P 沟道线阵CCD在两种不同驱 动频率下的电荷转移损失率ε 与 “ 胖 零 ” 电 荷 Q(0) 之 间 的 关系。
VOS
4.0
5.5
7.0
NDO
0.6
F
1
20
单位 V/(lx·s)
% mv v lx·s mv mv
mw % kΩ
v
mv MHz
备注 f1=fR
4、驱动电路
5、外形尺寸
输出信号电压，即
R UO
（8-7）
HV
式中的UO为线阵CCD输出的信号电压，HV光敏面上的曝光量。
当然，衡量器件灵敏度的参数还常用器件输出信号电压饱和时
光敏面上的曝光量表示，称为饱和曝光量，记为SE。饱和曝光
量SE越小的器件其灵敏度越高。T06(lx.s)。
（3）动态范围
TCD1209D的光谱响应 特性曲线如图8-21所示。光 谱响应的峰值波长为550nm， 短波响应在400 nm处大于 70%（实践证明该器件在 300nm处仍有较好的响应）， 光谱响应的长波限为1100nm。 响应范围远远超出人眼的视 觉范围。
（2）灵敏度
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量的作用下器件的
光电式传感器PPT课件
第8章 光电式传感器
图 8-2 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图
第8章 光电式传感器
2.光敏电阻的主要参数
(1) 暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值 称为暗电阻，此时流过的电流成为暗电流。
(2) 亮电阻与亮电流 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。
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。向外发射的电子叫光电子。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。
8.1.2
1. 结构原理
光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳 中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图8-8）。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-9），在 没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称 为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附 近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下 作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此 光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导 通状态。
第8章 光电式传感器
光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在 需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图8-11 是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体 管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流 放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步 放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也 增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。
光电式传感器(131)幻灯片PPT
光电式传感器(131)幻灯片 PPT
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第8章 光电式传感器
• 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。
8.2.3 光敏电阻
一、 光敏电阻的工作原理及结构 二、光敏电阻的主要参数 三、光敏电阻的基本特性
一、光敏电阻的工作原理及结构
原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照—电子-空穴对很少—电阻大(暗电阻)—电路中电流很小 有光照—电子-空穴对增多—导电性增强—电流迅速增加
光敏电阻演示
当光敏电阻受 到光照时，光生 电子—空穴对增 加，阻值减小， 电流增大。
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
8．3 光电式传感器的应用
• 模拟式传感器 • 脉冲式传感器
8.2.4 光敏二极管和光敏晶体管
一、 工作原理和结构 二、 基本特性
一、工作原理和结构
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
＋
－
NP
光敏二极管结构简图和符号
RL
E 光敏二极管接线图
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。
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第8章 光电式传感器
• 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。
8.2.3 光敏电阻
一、 光敏电阻的工作原理及结构 二、光敏电阻的主要参数 三、光敏电阻的基本特性
一、光敏电阻的工作原理及结构
原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照—电子-空穴对很少—电阻大(暗电阻)—电路中电流很小 有光照—电子-空穴对增多—导电性增强—电流迅速增加
光敏电阻演示
当光敏电阻受 到光照时，光生 电子—空穴对增 加，阻值减小， 电流增大。
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
8．3 光电式传感器的应用
• 模拟式传感器 • 脉冲式传感器
8.2.4 光敏二极管和光敏晶体管
一、 工作原理和结构 二、 基本特性
一、工作原理和结构
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
＋
－
NP
光敏二极管结构简图和符号
RL
E 光敏二极管接线图
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。
传感器与检测技术-第8章 光电式传感器
传感器与检测技术-第8章 光电式传感器
光电式传感器是一种基于光电效应的传感器技术，利用光的特性来实现对物 体的检测和测量。本章将介绍光电式传感器的原理、分类以及各种应用。
光电开关传感器
工作原理
光电开关传感器通过发送光线，并接收反射光线来检测物体的存在。
应用场景
广泛应用于自动化生产线上的物体检测、检测门的状态是否打开或关闭等。
光电测距传感器
1 原理
2 应用
光电测距传感器通过发送光脉冲并测量返 回时间来计算物体的距离。
广泛应用于测距仪、机器人导航等需要测 量距离的领域。
光电旋转编码器
原理
光电旋转编码器利用光栅原理来测量物体的旋 转运动。
应用
常见于机器人关节的位置控制、旋钮的位置检 测等。
光电非接触式测量传感器
原理
光电非接触式测量传感器利用光的干涉或散射来 测量物体的尺寸。
光电反射式传感器
原理
光电反射式传感器利用物体对光的反射来进行检 测和测量。
应用
适用于停车场的车辆检测、印刷机上的纸张检测 等。
光电遮断式传感器
1
工作原理
光电遮断式传感见于自动门、自动售货机等需要检测物体是否接近的场合。
3
创意应用
可以应用于制作光电乐器或触摸交互装置。
应用
常用于物体距离检测、非接触式测量等。
光电式压力传感器
1
原理
光电式压力传感器通过测量物体对光的压力变化来进行压力测量。
2
应用
适用于工业领域的压力监测、医疗设备中的生理参数测量等。
光电式温度传感器
原理
光电式温度传感器利用光的特性来测量物体的温度。
应用
常用于工业过程控制、医疗设备等需要精确测量温度的场景。
传感器技术课件-光电式传感器
传感器内部组件和信号传输路 径的图解。
发射器和接收器的原理和作用
光电式传感器通常由发射器和接收器组成。发射器发出光信号，接收器接收被物体反射或透过的光信号， 并转换为电信号进行处理和分析。
发射器
发出特定波长的光，并通过透明或反射介质照 射到目标物体上。
接收器
接收被物体反射或透过的光信号，并将其转换 为电信号进行处理和分析。
光电式传感器的响应时间
光电式传感器的响应时间是指从接收到输入信号到输出信号变化的时间。快速响应时间对于实时控制 和测量非常重要。
1
短响应时间
光电式传感器通常具有快速的响应时间，能够即时检测和响应变化。
2
微秒级别
一些高速光电式传感器甚至能够在微秒级别的时间内完成响应。
3
应用领域
广泛应用于高速测量、快速反应控制和精确定位等领域。
用于气体检测、水质监测和灰尘控制。
光电式传感器的特点和优势
高精度
2 非接触式
可提供精确的测量和控制结果。
无需物理接触目标物体，减少磨损和污染。
3 快速响应
具有快速的感应和响应时间。
光电式传感器的原理图解
电路
传感器的工作原理以及与其他 电子设备的连接。
组成
传感器的核心组件和工作流程 的图解。
结构
传感器技术课件-光电式 传感器
本课件将介绍光电式传感器的工作原理、分类、应用场景以及特点和优势。 我们还将讨论光电式传感器的信号处理、响应时间、精度和灵敏度，以及常 见故障与解决方法。
传感器的基本原理
传感器通过感知环境中的物理量、化学量或生物量，并将其转换为可用的信号。基本原理包括电阻、 电容、磁性和光电效应等。
1
电阻
发射器和接收器的原理和作用
光电式传感器通常由发射器和接收器组成。发射器发出光信号，接收器接收被物体反射或透过的光信号， 并转换为电信号进行处理和分析。
发射器
发出特定波长的光，并通过透明或反射介质照 射到目标物体上。
接收器
接收被物体反射或透过的光信号，并将其转换 为电信号进行处理和分析。
光电式传感器的响应时间
光电式传感器的响应时间是指从接收到输入信号到输出信号变化的时间。快速响应时间对于实时控制 和测量非常重要。
1
短响应时间
光电式传感器通常具有快速的响应时间，能够即时检测和响应变化。
2
微秒级别
一些高速光电式传感器甚至能够在微秒级别的时间内完成响应。
3
应用领域
广泛应用于高速测量、快速反应控制和精确定位等领域。
用于气体检测、水质监测和灰尘控制。
光电式传感器的特点和优势
高精度
2 非接触式
可提供精确的测量和控制结果。
无需物理接触目标物体，减少磨损和污染。
3 快速响应
具有快速的感应和响应时间。
光电式传感器的原理图解
电路
传感器的工作原理以及与其他 电子设备的连接。
组成
传感器的核心组件和工作流程 的图解。
结构
传感器技术课件-光电式 传感器
本课件将介绍光电式传感器的工作原理、分类、应用场景以及特点和优势。 我们还将讨论光电式传感器的信号处理、响应时间、精度和灵敏度，以及常 见故障与解决方法。
传感器的基本原理
传感器通过感知环境中的物理量、化学量或生物量，并将其转换为可用的信号。基本原理包括电阻、 电容、磁性和光电效应等。
1
电阻
光电式传感器ppt课件
光
管受
电
光照
管
发射
电子
光电管阳极A通过RL与电源连接在管内形成电场。光电管的阴极K受 到适当的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，在光电管内形成空间电子流。电阻RL上产生的 电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极K上的光成函数关 系。如果在玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等)即构成充气光电管。 由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电 子，从而提高光电变换的灵敏度。
12/5/2019
6
典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。
侧窗型光电倍增管（R系列）是从玻璃壳的侧面接收入射光，端窗型光电倍增 管（CR系列）则从玻璃壳的顶部接收射光。
12/5/2019
光电倍增管
9
二.内光电效应
在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体 的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。
22
光电池外形
12/5/2019
光敏面
23
能提供较大电流的大面积光电池外形
12/5/2019
24
光电池在动力方面的应用 太阳能赛车
太阳能硅光电池板
太阳能电动机模型
12/5/2019
25
光电池在动力方面的应用（续） 太阳能发电
12/5/2019
26
光电池在动力方面的应用（续） 光电池在人造卫星上的应用
激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性 好等优点，是很理想的光源。
12/5/2019
33
4.7.4
光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使 用，以光作为媒介传递信号的光电器件。 光电耦合器中的发光元 件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏 二极管、光敏三极管或光耦合器等。 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。
第8章 光电式传感器课件
光电效应及其光电器件
概述
光电式传感器（或称光敏传感器） 光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件
。是构成光电式传感器的主要部件。光电器件 的物理基础是光电效应。 光电效应（分类）
外光电效应 内光电效应
光电导效应 PN结光电效应
特点
光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高 精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（ 不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、 可实现非接触式测量等特点
光电流
亮电流与暗电流之差
3、光敏电阻的基本特性
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。
I / mA
40
30
功率
10001 x 500 mW
20
1001 x
10 101 x
0
100
200
U/V
图 8-42（c） 硫化镉光敏电阻的伏安特性
光照特性
指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关 系
当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成 正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的 电子数也就越多。
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光 电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有 光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压 ，而且截止电压与入射光的频率成正比。
这种效应可分为因光照引起半导体电阻率 变化的光电导效应和因PN结光照产生电 动势的光生伏特效应两类。
内光电效应分类
①光电导效应
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自 由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为 光电导效应。
②PN结光电效应（光生伏特效应 ）
在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的 现象。
概述
光电式传感器（或称光敏传感器） 光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件
。是构成光电式传感器的主要部件。光电器件 的物理基础是光电效应。 光电效应（分类）
外光电效应 内光电效应
光电导效应 PN结光电效应
特点
光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高 精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（ 不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、 可实现非接触式测量等特点
光电流
亮电流与暗电流之差
3、光敏电阻的基本特性
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。
I / mA
40
30
功率
10001 x 500 mW
20
1001 x
10 101 x
0
100
200
U/V
图 8-42（c） 硫化镉光敏电阻的伏安特性
光照特性
指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关 系
当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成 正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的 电子数也就越多。
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光 电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有 光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压 ，而且截止电压与入射光的频率成正比。
这种效应可分为因光照引起半导体电阻率 变化的光电导效应和因PN结光照产生电 动势的光生伏特效应两类。
内光电效应分类
①光电导效应
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自 由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为 光电导效应。
②PN结光电效应（光生伏特效应 ）
在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的 现象。
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第8章光电式传感器2
概述
➢ 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转 换成电信号的一种传感器，具有这种功能的材料称 为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种 类很多，如：
光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器 等等。 光电器件响应快、结构简单、而且有较高的可靠 性, 因此在计算机、自动检测、控制系统应用非常广 泛。
概述
料
光
位
电
自
鼠
动
标
控 制
电 梯 自 动 启 停
概述 光敏电阻
光电管 光敏二极管
光电池
概述
光电耦合器 光栅
光电开关 光纤
8.1 光电效应
光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每一个粒 子具有的能量E与其频率大小成正比，光照射就可看成是一 连串具有能量E的粒子轰击在物体上，物体吸收了这些能量 为E的粒子后产生的效应为光电效应。
光敏电阻结构及符号
8.2 光电器件 3.光敏电阻
光敏电阻光照特性 • 无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值； • 有光照时，电阻值随光强增加而降低； • 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。 •光敏电阻主要参数 • 暗电阻——无光照时的电阻； • 暗电流——无光照时的电流； • 亮电阻、亮电流——受光照时的阻光值敏、电电阻流具；有光谱特性好、 • 光电流——亮电流与暗电流之差允称许光的电光流电。流大、灵敏度高、
2.0 3.0 4.0
入 射 光 波 长 /m
8.2 光电器件 3.光敏电阻——应用(测试电路)
例图： 硫化镉（CdS）0.3～0.8(μm) 硫化铅（PbS）1.0～3.5(μm) 锑化铟（InSb）1.0～7.3(μm)
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
•频率特性
光电器件相对光谱灵敏度 (输出端电压(电流)的振幅) 随调制光频率的变化关系称 为光电器件的频率特性。由 于光电器件有一定的惰性,在 一定幅度的正弦调制光照射 下,当频率较低时,灵敏度与 频率无关;若频率增高,灵敏 度就会逐渐降低。
URI光强
8.2 光电器件 1.光电管
8.2 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，高速电子撞击固体表面，发 出二次电子，将光电流在管内进行 放大。
8.2 光电器件 3.光敏电阻
➢ 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻 璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有金属电极， 然后在半导体上覆盖一层漆膜。
• 处于反偏的PN结：
➢ 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； ➢ 有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，
在PN结电场作用下，形成光电流， ➢ 光照越大光电流越大。 ➢ 具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管.
8.2 光电器件
光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。
光电效应可分为： ➢ 外光电效应 ➢ 内光电效应
光电导效应 光生伏特效应
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理(外光电效应) 1.外光电效应
➢ 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效 应。 ➢ 光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个
光子具有的能量是：
E h
h ——普朗克常数( J S )
• 不加偏压的PN结
➢ 当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁 带
宽度（E0 ＞ Eg）,可激发出电子——空穴对，在 PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区， 使P区和N区之间产生电压， 这个电压就是光生电动势. ➢ 基于这种效应的器件有 光电池
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 2.内光电效应
光电器件工作的物理基础是光电效应：
➢ 光电管、光电倍增管 ➢ 光敏二极管、光敏三极管 ➢ 光敏电阻 ➢ 光电池 ➢ 光电耦合器、电荷耦合器
8.2 光电器件 1.光电管
➢ 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子 的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子 被带有正电的阳极吸引， 在光电管内形成电子流， 电流在回路电阻R上产生 正比于电流大小的压降。 因此
使用寿命长、体积小的特点， 因此应用广泛。
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
➢ 伏安特性 • 给定偏压
光照越大光电流越大； • 给定光照度
电压越大光电流越大； • 光敏电阻的伏安特性
曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。
光敏电阻伏安特性
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
➢ 光谱特性 • 光敏电阻灵敏度与入射波长有关; • 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，
Sr / %
100
1硫化铅
80
60
2硫化铊 40
20
0
10 100 1000 10000
f / Hz
光敏电阻的频率特性
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
➢ 温度特性 光敏电阻的灵敏度、 暗电流与温度的关系。
相 对 灵 / 敏度 ＋ 2 0℃
－ 2 0℃
100 80 60 40 20
0
1.0
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 2.内光电效应
光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN 结上产生电动势的效应。 ➢为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？ 有下面两种情况： • 不加偏压的PN结 • 处于反偏的PN结
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 2.内光电效应
倍增管等
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 2.内光电效应 在光线的作用下，物体的导电性能发生变化或 产生光生电势的效应称为内光电效应。 光电导效应： 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。 ➢这种效应几乎所有高电阻 率半导体都有，为使电子从 价带激发到导带，入射光子 的能量E0应大于禁带宽度Eg。 基于光电导效应的光电器件 常见的有光敏电阻。
——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 1.外光电效应
➢ 如果光子的能量E大于电子的逸出功A，这时逸 出物体表面的电子就具有动能，产生光电子发射。
由能量守恒定律有： Eh 12mv02 A
➢能否产生外光电效应，取决于光子的能量是否
常见的器件有
大于物体表面的电子逸出功。光电管、光电
概述
➢ 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转 换成电信号的一种传感器，具有这种功能的材料称 为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种 类很多，如：
光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器 等等。 光电器件响应快、结构简单、而且有较高的可靠 性, 因此在计算机、自动检测、控制系统应用非常广 泛。
概述
料
光
位
电
自
鼠
动
标
控 制
电 梯 自 动 启 停
概述 光敏电阻
光电管 光敏二极管
光电池
概述
光电耦合器 光栅
光电开关 光纤
8.1 光电效应
光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每一个粒 子具有的能量E与其频率大小成正比，光照射就可看成是一 连串具有能量E的粒子轰击在物体上，物体吸收了这些能量 为E的粒子后产生的效应为光电效应。
光敏电阻结构及符号
8.2 光电器件 3.光敏电阻
光敏电阻光照特性 • 无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值； • 有光照时，电阻值随光强增加而降低； • 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。 •光敏电阻主要参数 • 暗电阻——无光照时的电阻； • 暗电流——无光照时的电流； • 亮电阻、亮电流——受光照时的阻光值敏、电电阻流具；有光谱特性好、 • 光电流——亮电流与暗电流之差允称许光的电光流电。流大、灵敏度高、
2.0 3.0 4.0
入 射 光 波 长 /m
8.2 光电器件 3.光敏电阻——应用(测试电路)
例图： 硫化镉（CdS）0.3～0.8(μm) 硫化铅（PbS）1.0～3.5(μm) 锑化铟（InSb）1.0～7.3(μm)
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
•频率特性
光电器件相对光谱灵敏度 (输出端电压(电流)的振幅) 随调制光频率的变化关系称 为光电器件的频率特性。由 于光电器件有一定的惰性,在 一定幅度的正弦调制光照射 下,当频率较低时,灵敏度与 频率无关;若频率增高,灵敏 度就会逐渐降低。
URI光强
8.2 光电器件 1.光电管
8.2 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，高速电子撞击固体表面，发 出二次电子，将光电流在管内进行 放大。
8.2 光电器件 3.光敏电阻
➢ 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻 璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有金属电极， 然后在半导体上覆盖一层漆膜。
• 处于反偏的PN结：
➢ 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； ➢ 有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，
在PN结电场作用下，形成光电流， ➢ 光照越大光电流越大。 ➢ 具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管.
8.2 光电器件
光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。
光电效应可分为： ➢ 外光电效应 ➢ 内光电效应
光电导效应 光生伏特效应
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理(外光电效应) 1.外光电效应
➢ 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效 应。 ➢ 光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个
光子具有的能量是：
E h
h ——普朗克常数( J S )
• 不加偏压的PN结
➢ 当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁 带
宽度（E0 ＞ Eg）,可激发出电子——空穴对，在 PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区， 使P区和N区之间产生电压， 这个电压就是光生电动势. ➢ 基于这种效应的器件有 光电池
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 2.内光电效应
光电器件工作的物理基础是光电效应：
➢ 光电管、光电倍增管 ➢ 光敏二极管、光敏三极管 ➢ 光敏电阻 ➢ 光电池 ➢ 光电耦合器、电荷耦合器
8.2 光电器件 1.光电管
➢ 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子 的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子 被带有正电的阳极吸引， 在光电管内形成电子流， 电流在回路电阻R上产生 正比于电流大小的压降。 因此
使用寿命长、体积小的特点， 因此应用广泛。
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
➢ 伏安特性 • 给定偏压
光照越大光电流越大； • 给定光照度
电压越大光电流越大； • 光敏电阻的伏安特性
曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。
光敏电阻伏安特性
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
➢ 光谱特性 • 光敏电阻灵敏度与入射波长有关; • 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，
Sr / %
100
1硫化铅
80
60
2硫化铊 40
20
0
10 100 1000 10000
f / Hz
光敏电阻的频率特性
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
➢ 温度特性 光敏电阻的灵敏度、 暗电流与温度的关系。
相 对 灵 / 敏度 ＋ 2 0℃
－ 2 0℃
100 80 60 40 20
0
1.0
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 2.内光电效应
光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN 结上产生电动势的效应。 ➢为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？ 有下面两种情况： • 不加偏压的PN结 • 处于反偏的PN结
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 2.内光电效应
倍增管等
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 2.内光电效应 在光线的作用下，物体的导电性能发生变化或 产生光生电势的效应称为内光电效应。 光电导效应： 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。 ➢这种效应几乎所有高电阻 率半导体都有，为使电子从 价带激发到导带，入射光子 的能量E0应大于禁带宽度Eg。 基于光电导效应的光电器件 常见的有光敏电阻。
——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 1.外光电效应
➢ 如果光子的能量E大于电子的逸出功A，这时逸 出物体表面的电子就具有动能，产生光电子发射。
由能量守恒定律有： Eh 12mv02 A
➢能否产生外光电效应，取决于光子的能量是否
常见的器件有
大于物体表面的电子逸出功。光电管、光电