第9章 光电式传感器
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第九章 光电式传感器
本讲主要内容
光电效应 光电效应器件 光纤传感器 激光测距
2/12
社会
第一排自左至右依次是：I.兰缪尔 ，M.普朗克，M.居里，H.A.洛伦兹，A.爱因斯坦，P.朗之 万，Ch.E.古伊，C.T.R.威耳孙，O.W.理查森。
第二排自左至右：P.德拜，M.努森，W.L.布喇格，H.A.克拉梅斯，P.A.M.狄拉克，A.H. 康普顿，L.德布罗意，M.玻恩，N.玻尔。
光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。
光 PN
光
PN RL
光敏二极管符号
光敏二极管接线
2. 光敏三极管
光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很 相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射 面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处 于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对, 在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发 射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且 集电极电流为光电流的β倍。
的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导 体电导率增加。
1. 光敏电阻的工作原理和结构
光敏电阻的结构如图所示。管芯-两个欧姆接触电极的光电导体。 光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，因此光 电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般 采用梳状图案，结构见下图。
第三排自左至右：A.皮卡德，E.亨利厄特，P.埃伦菲斯德，Ed.赫尔岑，Th.德.唐德，E.薛 定谔，E.费尔沙菲尔特，W.泡利，W.海森堡，R.H.福勒，L.布里渊。
实验观察
光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光 子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部 能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发 生变化，使受光照射的物体产生相应的电效应。
光电式数字转速表
c ZTN 60
2020/2/27
4 光电转速计
分为反射式和透射式两类
光电转速计的工作原理
n =60(
光电传感器实物介绍
光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 光照度传感器 硅光电池 环境亮度传感器
2020/2/27
2020/2/27
2.无线烟雾报警器
可发出高分贝笛 鸣声的蜂鸣器
2020/2/27
3 脉冲式光电传感器
光电器件的输出仅有两个稳定状态，“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。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗 电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。
实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电 阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电 阻的灵敏度很高。
（2）光照特性3 光谱特性4伏安特性 5频率特性（6）稳定性 （7）温度特性
导带
自由电子所占能带
Eg
禁带
价带
不存在电子所占能带 价电子所占能带
（2） 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方 向的电动势的现象叫做光生伏特效应。
9.1.2 内光电效应器件
利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内 光电效应器件，常见的有光敏电阻光电池和光敏晶体管等。 一、光敏电阻
超过10-9s。
根据能量守恒定理
该方程称为爱因斯坦光
h
1 2
m02
A0
电效应方程。
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电 子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一 个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频 率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入 射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红 限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导 效应，其阻值随光照增强而减小。
优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高， 耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。
不足：需要外部电源，有电流时会发热。
为实现能级的跃迁，
h hc 1.24 Eg
式中ν和λ—入பைடு நூலகம்光的频率和波长。 一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC
透明树脂 光敏三极管
(b)塑料密封型
采用双列直插式用塑料封装的结 构。管心先装于管脚上，中间再 用透明树脂固定，具有集光作用 ，故此种结构灵敏度较高。
9.1.5光电耦合器
2. 光电耦合器的组合形式 光电耦合器的组合形式有多种，如图4.4-7所示。
该形式结构简单、成本低，通常用于
(a)
50kHz以下工作频率的装置内。
e
c
PNP
b
c
E
e NPN c
RL
b
e
9.1.5光电耦合器
光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳 内组合而成的转换元件。
1. 光电耦合器的结构
绝缘玻璃 发光二极管
发光二极管 塑料
光敏三极管 透明绝缘体
(a)金属密封型
采用金属外壳和玻璃绝缘的结 构，在其中部对接，采用环焊 以保证发光二极管和光敏二极 管对准，以此来提高灵敏度。
9.1.3.光电池
➢ 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即电源。
➢ 工作原理：基于“光生伏特效应”。
➢ 光电池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。
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：
E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）
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。外光电效应多发
生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不
1 23
电极
引线
4
5 6
RG
引线 光导电材料
绝缘衬低
光电导体 A
金属封装的硫化镉光敏电阻结 构图
7
(a)结构
(b)电极
(c)符号
1--光导层; 2--玻璃窗口; 3--金属外壳; 4--电极; 5--陶瓷基座; 6--黑色绝缘玻璃; 7--电 阻引线。
2. 光敏电阻的主要参数和基本特性
（1）暗电阻、亮电阻、光电流 暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间 测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。 亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此 时流过的电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。
(b) 基本电路
2020/2/27
(c) 等效电路
光电池外形
2020/2/27
光敏面
9.1.4 光敏二极管和光敏三极管
光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电 池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生 电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几 十μA。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许 多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅 光电二极管。
第9章 光电传感器
➢ 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、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。其基本 原理是以光电效应为基础，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非电信号转换成电信号。
➢ 可检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温等非 电量，也可用来检测应变、位移、振动、速度等能转换成光量变化的 其它非电量。
该形式采用高速开关管构成的高速光电耦
(b)
合器,适用于较高频率的装置中。
该组合形式采用了放大三极管构成的高
传输效率的光电耦合器，适用于直接驱
(c)
动和较低频率的装置中。
(d) 光电耦合器的组合形式
该形式采用功能器件构成的高速、高传 输效率的光电耦合器。
9.1.5 光电传感器的四种基本形式
1、吸收式
光源
烟筒 光电器件
2、遮光式 3、反射式 4、吸收式
(a)
光源
光电器件
工件
(b)
光源
光电器件
工件
(c)
被测物
光电器件
(d)
9.1.6 光电式传感器的应用 1 光电式浊度计
被测物吸收光通量
参比通道
1—恒流源 2—半导体激光器 3—半反半透镜 4—反射镜 5—被测水样 6、9—光电池
7、10—电流/电压转换器 8—标准水样
国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两 种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光 电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。
1. 光敏二极管
光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极 管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。
➢ 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点。
9.1.1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。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
1、外光电效应
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。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电 器件有光电管、光电倍增管等。
2、内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势 的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同， 内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：
（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。基于这种效应的光 电器件有光敏电阻。
硼扩散层
P型电极 （SiO2膜）
接线点 ＋
PN结
N型硅片
N型氧化镉层 接线点 －
PN结 硒（P型）
电极 －
铝基板 电极 ＋
（a) 硅光电池结构
（b) 硒光电池结构
2020/2/27
光电池结构、符号
＋ P
电子 空穴 －
N 光生电流
U RL
光电池输出电流
光电池
I U RL
I
IS U RL
ID
(a) 符号
本讲主要内容
光电效应 光电效应器件 光纤传感器 激光测距
2/12
社会
第一排自左至右依次是：I.兰缪尔 ，M.普朗克，M.居里，H.A.洛伦兹，A.爱因斯坦，P.朗之 万，Ch.E.古伊，C.T.R.威耳孙，O.W.理查森。
第二排自左至右：P.德拜，M.努森，W.L.布喇格，H.A.克拉梅斯，P.A.M.狄拉克，A.H. 康普顿，L.德布罗意，M.玻恩，N.玻尔。
光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。
光 PN
光
PN RL
光敏二极管符号
光敏二极管接线
2. 光敏三极管
光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很 相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射 面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处 于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对, 在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发 射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且 集电极电流为光电流的β倍。
的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导 体电导率增加。
1. 光敏电阻的工作原理和结构
光敏电阻的结构如图所示。管芯-两个欧姆接触电极的光电导体。 光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，因此光 电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般 采用梳状图案，结构见下图。
第三排自左至右：A.皮卡德，E.亨利厄特，P.埃伦菲斯德，Ed.赫尔岑，Th.德.唐德，E.薛 定谔，E.费尔沙菲尔特，W.泡利，W.海森堡，R.H.福勒，L.布里渊。
实验观察
光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光 子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部 能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发 生变化，使受光照射的物体产生相应的电效应。
光电式数字转速表
c ZTN 60
2020/2/27
4 光电转速计
分为反射式和透射式两类
光电转速计的工作原理
n =60(
光电传感器实物介绍
光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 光照度传感器 硅光电池 环境亮度传感器
2020/2/27
2020/2/27
2.无线烟雾报警器
可发出高分贝笛 鸣声的蜂鸣器
2020/2/27
3 脉冲式光电传感器
光电器件的输出仅有两个稳定状态，“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。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗 电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。
实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电 阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电 阻的灵敏度很高。
（2）光照特性3 光谱特性4伏安特性 5频率特性（6）稳定性 （7）温度特性
导带
自由电子所占能带
Eg
禁带
价带
不存在电子所占能带 价电子所占能带
（2） 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方 向的电动势的现象叫做光生伏特效应。
9.1.2 内光电效应器件
利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内 光电效应器件，常见的有光敏电阻光电池和光敏晶体管等。 一、光敏电阻
超过10-9s。
根据能量守恒定理
该方程称为爱因斯坦光
h
1 2
m02
A0
电效应方程。
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电 子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一 个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频 率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入 射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红 限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导 效应，其阻值随光照增强而减小。
优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高， 耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。
不足：需要外部电源，有电流时会发热。
为实现能级的跃迁，
h hc 1.24 Eg
式中ν和λ—入பைடு நூலகம்光的频率和波长。 一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC
透明树脂 光敏三极管
(b)塑料密封型
采用双列直插式用塑料封装的结 构。管心先装于管脚上，中间再 用透明树脂固定，具有集光作用 ，故此种结构灵敏度较高。
9.1.5光电耦合器
2. 光电耦合器的组合形式 光电耦合器的组合形式有多种，如图4.4-7所示。
该形式结构简单、成本低，通常用于
(a)
50kHz以下工作频率的装置内。
e
c
PNP
b
c
E
e NPN c
RL
b
e
9.1.5光电耦合器
光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳 内组合而成的转换元件。
1. 光电耦合器的结构
绝缘玻璃 发光二极管
发光二极管 塑料
光敏三极管 透明绝缘体
(a)金属密封型
采用金属外壳和玻璃绝缘的结 构，在其中部对接，采用环焊 以保证发光二极管和光敏二极 管对准，以此来提高灵敏度。
9.1.3.光电池
➢ 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即电源。
➢ 工作原理：基于“光生伏特效应”。
➢ 光电池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。
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：
E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）
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。外光电效应多发
生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不
1 23
电极
引线
4
5 6
RG
引线 光导电材料
绝缘衬低
光电导体 A
金属封装的硫化镉光敏电阻结 构图
7
(a)结构
(b)电极
(c)符号
1--光导层; 2--玻璃窗口; 3--金属外壳; 4--电极; 5--陶瓷基座; 6--黑色绝缘玻璃; 7--电 阻引线。
2. 光敏电阻的主要参数和基本特性
（1）暗电阻、亮电阻、光电流 暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间 测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。 亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此 时流过的电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。
(b) 基本电路
2020/2/27
(c) 等效电路
光电池外形
2020/2/27
光敏面
9.1.4 光敏二极管和光敏三极管
光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电 池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生 电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几 十μA。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许 多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅 光电二极管。
第9章 光电传感器
➢ 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、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。其基本 原理是以光电效应为基础，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非电信号转换成电信号。
➢ 可检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温等非 电量，也可用来检测应变、位移、振动、速度等能转换成光量变化的 其它非电量。
该形式采用高速开关管构成的高速光电耦
(b)
合器,适用于较高频率的装置中。
该组合形式采用了放大三极管构成的高
传输效率的光电耦合器，适用于直接驱
(c)
动和较低频率的装置中。
(d) 光电耦合器的组合形式
该形式采用功能器件构成的高速、高传 输效率的光电耦合器。
9.1.5 光电传感器的四种基本形式
1、吸收式
光源
烟筒 光电器件
2、遮光式 3、反射式 4、吸收式
(a)
光源
光电器件
工件
(b)
光源
光电器件
工件
(c)
被测物
光电器件
(d)
9.1.6 光电式传感器的应用 1 光电式浊度计
被测物吸收光通量
参比通道
1—恒流源 2—半导体激光器 3—半反半透镜 4—反射镜 5—被测水样 6、9—光电池
7、10—电流/电压转换器 8—标准水样
国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两 种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光 电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。
1. 光敏二极管
光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极 管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。
➢ 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点。
9.1.1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。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
1、外光电效应
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。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电 器件有光电管、光电倍增管等。
2、内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势 的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同， 内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：
（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。基于这种效应的光 电器件有光敏电阻。
硼扩散层
P型电极 （SiO2膜）
接线点 ＋
PN结
N型硅片
N型氧化镉层 接线点 －
PN结 硒（P型）
电极 －
铝基板 电极 ＋
（a) 硅光电池结构
（b) 硒光电池结构
2020/2/27
光电池结构、符号
＋ P
电子 空穴 －
N 光生电流
U RL
光电池输出电流
光电池
I U RL
I
IS U RL
ID
(a) 符号