第二章：光电传感器及控制系统

第二章光电传感器控制技术与系统

光电传感器是以光敏器件作为检测元件，将光信号转换为电信号的装置。用这种传感器进行测控时，只需将其它的非电量转换为光信号即可。广泛用于物位、速度、位移、温度、白度、压力，以及一些机械量、几何量的测量与自动控制、电子计算机、智能机器人等，是目前应用最广泛的传感器之一。

光敏器件是利用物质的光电效应，将光量转换为电量的一种变换器件。它的发展迅速，品种繁多，常见的有光敏电阻、光电二级管、光电三级管、光电耦合器、硅光电池和光控晶闸管等。

§1 光敏电阻控制技术与系统

一、光敏电阻

1．光电导效应

半导体材料受光照射时，载流子数目增加，电阻率减少，这种现象称为光电导效应。

当一束光照射到半导体时，如果光的频率足够高，光子的能量hf(h = ×10-34(J·S)

E，就能产生出自由电子和“空穴”，为普朗克常数，f为频率)大于半导体材料的禁带宽度

g

使半导体的载流子数目增加，电阻率减小。入射光的强度越大，激发出来的自由电子和空穴越多，半导体的电阻率减小得就越厉害。

如果半导体是掺杂的，因为从杂质上释放一个电子（或空穴）所需的能量比本征半导体价电子所需的能量小，所以较长波长的光也能产生光电导。

具有光电导效应的材料称为光导材料。大多数的半导体和绝缘体都具有光电导效应。但能利用于制作光敏器件的却不多。从目前的光敏电阻来看，可分为三种类型：第一类为可见光光敏电阻，如硫化镉，硒化镉，硫—硒化镉，硫化镉—硫化锰光敏电阻等；第二类为红外光光敏电阻，如硫化铅，硒化铅，锑化铅，砷化铅，碲镉汞，碲化铅等光敏电阻；第三类为紫外光光敏电阻，如硫化铅，硫化锌镉，硫化锗镉，硒碲锑三元素化合物等光敏电

阻。

2．光敏电阻的结构

光敏电阻是根据半导体光电导效应，用光导材料制成的光电元件，又称作光导管。其典型结构如图2–1所示。管芯是一块装于绝缘衬底上，带有两个欧姆接触电极的光电导体，半导体吸收光子而产生的光电导效应只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但深入的厚度有限，因此，光电导体一般都作成薄层。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图2–2所示。壳体具有良好的密封性能，以保证光敏电阻灵敏度不受潮湿等影响。光敏电阻没有极性，是一个纯电阻元件。两极间既可加直流电压，也可加交流电压。光敏电阻在电路中的符号见图2–3。

3．光敏电阻的特性

（1）灵敏度

a ：电阻灵敏度

光敏电阻在室温环境，处于全暗条件下，经过一定时间具有的电阻值称为暗电阻d

R，

d

R一般在MΩ数量级，常用“olx”表示；受到一定光照时的电阻值称为亮电阻R l ，R l 一般为KΩ数量级，常用“100 lx”表示。暗电阻与亮电阻阻值之差R d–R l与亮电阻R l之比，称为光敏电阻的电阻灵敏度。即

L

L

d

r R

R

K

K

-

=（1）

b．积分灵敏度

光敏电阻加上一定电压并受光照时所产生的电流称为亮电流，无光照射时流过光敏电阻上的电流称为暗电流。在同一电压下，亮电流与暗电流之差称为光电流IФ，光电流I Ф和照在光敏电阻上的光通量之比称为光敏电阻的积分灵敏度。即

图2-1 光敏电阻的典型结构

1–光电导体 2–玻璃 3–电极

4–绝缘衬底 5–金属壳 6–引线

图2-2 光敏电阻的芯片结构

1–电极 2–光电导体

图2-3 光敏电阻的符号

K=

I Ф

Ф

（2） （2）伏安特性

在一定光照下，光敏电阻两端所加电压与电流之间的关系称为伏安特性。对于光敏元件来说，其光电流随外加电压增大而增大。图2–4所示硫化镉光敏电阻的伏安特性。硫化镉光敏电阻器在规定的极限电压下，它的伏安特性具有较好的线性，使用时注意不要超过允许功耗线。

（3）光照特性

是指光敏电阻输出的的电信号（电阻、电压、电流）随光照强度而变化的特性。光敏电阻的光照特性多数情况下是非线性的，只是在微小区域呈线性，这是光敏电阻的很大不足。硫化镉光敏电阻的光照特性如图2–5所示。

（4）光谱特性

是指光敏电阻在不同波长的单色光照下的灵敏度。光敏电阻对不同波长的光灵敏度不同，若绘成曲线就可得光谱灵敏度的分布图，如图2–6所示。因此，在选择光敏电阻时，必须结合光源进行考虑。

t

Kr

（kA °

）

Kr(%)

功耗线

图2-4 硫化镉光敏电阻伏安特性

R （kΩ）

500

图2-5 硫化镉光敏电阻的光照特性

（5）时间与频率特性

光敏电阻突然受到光照时，光电流并不是立即升到最大值。光照突然消失时，光电流也不立刻下降到暗电流值。这表明，光电流的变化滞后于光的变化。常用上升时间t r ，下降时间t f表示这种滞后现象。大多数光敏电阻的响应时间为几十毫秒到几百毫秒。硫化镉光敏电阻对脉冲光的响应特性如图2–7所示。不同材料的光敏电阻，响应时间不同，因此他们的频率特性也就不同。

（6）温度特性

光敏电阻同其它半导体器件一样，受温度影响较大，不少的光敏电阻在低温下的灵敏度较高，而在高温下暗电阻和灵敏度均下降，图2–6所示的光谱特性将向左移。通常用电阻温度系数来描述光敏电阻的这一特性，它表示温度改变一度时，电阻值的相对变化。

（7）额定功率（也称功耗）

是指光敏电阻用于某电路中所允许加上的功率。这主要取决于光敏电阻器本身特性，环境温度及光敏电阻本身所产生的温度，当环境温度升高时，光敏电阻允许消耗的功率就降低。额定功率为

W=I2R L（3）

式中：W为光敏电阻的额定功率（W）；I为光电流（A）；R L为亮阻（Ω）。

二、应用光敏电阻的控制电路

1．用光敏电阻构成的光电开关电路

用一光源与一个光敏电阻器可以构成光电开关电路。这种开关电路可用于各种物体检测、光电控制、自动报警等系统。

硫化镉光敏电阻构成的光电开关电路如图2–8所示。图中的光敏电阻RG可采用MG41-100A元件、BG1和BG2可采用3AG型高频管，继电器J为启动电流小于15mA的RM4小型继电器，光源可采用6V/3W的白炽灯泡。其原理为：当有光照时，光敏电阻RG阻值减小，电流增加，使BG1的基极电流增加，BG1导通，同时使得BG2导通，继电器J吸合，继电器在控制电路中的接点动作，使主电路工作。当无光照时，光敏电阻RG阻值增加，BG1的基极电流减小，BG1截止，使得BG2也截止，J释放，带动主电路动作。这样就实现了由光信号转换为电信号，再由电信号进行控制，从而达到了光电自动控制的目的。