第十章 光电式传感器

10.3.3 光敏电阻的主要参数
暗电阻
光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一段时间测 量的电阻值 暗电阻时流过的电流，称为暗电流
亮电阻
光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮 电阻 此时流过的电流称为亮电流
光电流
亮电流与暗电流之差称为光电流 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小，性能越好
10.3.4 光敏电阻的基本特性
光敏三极管应用
光敏三极管应用
由于煤气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点 火控制器的要求是安全、稳定、可靠。为此电路中有 这样一个功能， 即打火确认针产生火花，才可打开燃 气阀门；否则燃气阀门关闭， 这样就保证使用燃气器 具的安全性。 在高压打火时，火花电压可达一万多伏，这个脉 冲高电压对电路工作影响极大，为了使电路正常工作， 采用光电耦合器VB进行电平隔离，大大增强了电路抗 干扰能力。当高压打火针对打火确认针放电时，光电 耦合器中的发光二极管发光， 耦合器中的光敏三极管 导通， 经V1、V2、V3放大，驱动强吸电磁阀，将气路 打开，燃气碰到火花即燃烧。 若高压打火针与打火确 认针之间不放电，则光电耦合器不工作，V1等不导通， 燃气阀门关闭。
10.3.4 光敏电阻的基本特性
光谱特性
光谱特性体现光敏 电阻对不同波长的 光的不同灵敏度 在选择光敏电阻时 应根据光源来考虑
10.3.4 光敏电阻的基本特性
响应时间和频率特性
光电导的驰豫现象
光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流并不立刻上 升到最大饱和值，而光照去掉后，光电流也不立 刻下降到零，这说明光电流的变化对于光的变化 在时间上有一个滞后，这就是光电导的驰豫现象
光电式传感器应用的几种形式
光敏电阻应用
光敏电阻应用
硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路 图。 硫化铅光敏电阻的暗电阻为1 M ， 亮电 阻为 0.2 M (光照度 0.01 W/m2下测试的)， 峰值响应波长为2.2µm。 硫化铅光敏电阻处于 V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为 6 V，电流约为 6µΑ。V2管集电极电阻两端并联 68 µF的电容， 可以抑制 100 Hz以上的高频， 使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3 构成二级负反馈互补放大器， 火焰的闪动信号 经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。 采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长 时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出 信号的幅度， 保证火焰报警器能长期稳定地工 作。
10.3.4 光敏电阻的基本特性
光电导的驰豫现象通 常用响应时间表示。 响应时间又分为上升 和下降时间，它们是 表征光敏电阻性能的 重要参数 光敏电阻的响应时间 光照的强度有关，光 照越强，响应时间越 短 不同材料的的光敏电 阻具有不同的响应时 间，它们的频率特性 也就不尽相同
10.3.4 光敏电阻的基本特性
光电管的缺点
在入射光极为微弱时，能产生的光电流很小， 在测量电路中，容易受到噪声的影响
பைடு நூலகம்
10.2 光电倍增管
光电倍增管由光电阴极、若干倍增极和 阳极三部分组成
入射光能在光电阴极激发电子 倍增极在受到一定数量的电子轰击后能释放 出更多的电子，称为“二次电子” 阳极将这些电子收集起来形成电流
10.3 光敏电阻
10.4.2 基本特性
光谱特性
光敏二极管与光敏晶体管均在某些特定波长 段有较大的相对灵敏度
10.4.2 基本特性
伏安特性
光敏晶体管的光电流远大于相同管型的二极管 零偏压时，二极管有光电流输出，而晶体管则没有
10.4.2 基本特性
光照特性
10.4.2 基本特性
温度特性
光敏晶体管的温度特性是指其暗电流及光电 流与温度的关系 温度变化对光电流影响较小，对暗电流影响 较大
光电开关
光电纠偏应用实例
光电式液位开关工作原理图
阻挡层光电效应
在光线作用下能使物体产生一定方向的电动 势的现象 应用：光电池、光敏晶体管等
10.1 光电管
光电管电极
光电阴极：在适当波长光线照射时发射电子 光电阳极：吸引电子
光电管的伏安特性曲线
10.1 光电管
真空光电管 充气光电管
惰性气体电离，增加灵敏度 优点：灵敏度高 缺点：灵敏度随阳极电压显著变化的稳定性、 频率特性比真空光电管差
第十章 光电式传感器
光电式传感器的工作过程
被测量——光量——电量
光电式传感器被测量的认知过程
电量——光量——被测量
光电式传感器的应用分类
模拟式 脉冲式
第十章 光电式传感器
外光电效应
在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象 应用：光电管、光电倍增管等
内光电效应
在光线作用下能使物体电阻率改变的现象 应用：光敏电阻
信号检测与变换
第十章 光电式传感器
第十章 光电式传感器
主要内容： 光电管 光电倍增管 光敏电阻 光敏二极管和光敏三极管
第十章 光电式传感器
什么是光电式传感器？
光电式传感器是能将光能转换为电能的一种 器件，简称光电器件。它的物理基础是光电 效应。
光电式传感器的工作原理
用光电式传感器测量非电量时，首先要将非 电量的变化转换为光量的变化，然后通过光 电器件的作用（利用光电效应），再将光量 的变化转换为电量的变化，从而实现光电式 传感器非电量电测的目的。
光电池应用
光电池应用
光电式纬线探测器是应用于喷气织机上， 判断纬线是 否断线的一种探测器。当纬线在喷气作用下前进时， 红外发射管VD发出的红外光，经纬线反射，由光电池 接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断。 因此利用光电池的输出信号，通过后续电路放大、脉 冲整形等，控制机器正常运转还是关机报警。 由于纬线线径很细，又是摆动着前进，形成光的 漫反射， 削弱了反射光的强度，而且还伴有背景杂散 光，因此要求探纬器具备高的灵敏度和分辨力。为此， 红外发光管VD采用占空比很小的强电流脉冲供电，这 样既保证发光管使用寿命， 又能在瞬间有强光射出， 以提高检测灵敏度。一般来说，光电池输出信号比较 小，需经放大、脉冲整形以提高分辨力。
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 温度对光敏电阻的光 谱特性也有很大影响， 温度升高，光谱响应 峰值向短波方向移动
10.3.4 光敏电阻的基本特性
稳定性
初制成的光敏电阻，由于其内部组织的不稳 定性以及其他原因，光电特性是不稳定的。 当受到光照和外接负载后，其灵敏度有明显 下降 在人为地加温、光照和加负载的情况下，经 过一定时间的老化，光电性能逐渐趋向稳定 后就基本不变了
10.4 光敏二极管和光敏晶体管
光敏晶体管
10.4 光敏二极管和光敏晶体管
光敏晶体管
光敏晶体管能在把光信号转换为电信号的同 时，又将信号电流加以放大 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不 接基极时，基极－集电极结就是反向偏压 当光照在基－集结上，就会形成光电流输入 到基极，由于基极电流增加，集电极电流是 光生电流的β倍，实现放大 光敏晶体管的基极一般不接引线，许多光敏 晶体管只有集电极和发射极两端有引线
光敏电阻的工作原理
光敏电阻是用光电导体制成的光 电器件，又称光导管，它是基于 半导体光电效应工作的 光敏电阻没有极性，是电阻器件 当无光照时，光敏电阻的暗电阻 很大，电路中电流很小；当受到 一定波长范围的光照时，它的阻 值（亮电阻）急剧减小，电路中 电流迅速增加
10.3 光敏电阻
光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光 谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外 区。而且体积小、重量轻、性能稳定。 因此在自动化技术中得到广泛的应用。
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 光敏电阻都有最大 额定功率、最大额 定电流和最高工作 电压
10.3.4 光敏电阻的基本特性
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， 因此它不宜作为测 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
10.4 光敏二极管和光敏晶体管
光敏二极管
光敏二极管在电路中一般处于反 向工作状态 在没有光照射时，反向电阻很大， 反向电流很小，此时的反向电流 称为暗电流 当PN结受到光照射时，PN结附 近产生光生电子和光生空穴对， 使少数载流子增加，因此通过PN 结的反向电流也随着增加 如果入射光照度变化，则通过外 电路的光电流强度也随之变化， 从而将光信号转换为电信号输出
10.4.2 基本特性
频率响应
光敏管的频率响应是指具 有一定频率的调制光照射 时，光敏管输出的光电流 随频率的变化关系 频率响应与本身的物理结 构、工作状态、负载以及 入射光波长等因素有关 光敏晶体管的截止频率与 它的基区厚度成反比关系
光电管实物图片
光电倍增管实物图片
光电池
光敏二极管
光敏晶体管