第三章光电检测技术常用器件及应用3教材

两个柱
形结构相对而 立，每隔数十 毫米安装一对 发光二极管和 光敏接收管， 形成光幕，当 有物体遮挡住 光线时，传感 器发出报警信
号。
光幕
接收器
当有物体遮
挡住光线时，传 感器发出报警信 号，起保护、预 警等作用。
光幕应用
光线被遮断（报警）
光幕应用（续）
产品高度测量
光幕应用（续）
长度 测量
宽度 测量
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光敏二极管典型应用----光电转速计 接收频率 n 60 f m 孔数
光电式转速表
n =60( f /z )
光电式转速表 属于反射式光 电传感器，它 可以在距被测 物数十毫米外 非接触地测量
其转速。
光电开关
遮断型光电开关示意图
遮断报警
遮断式光电开关原理
Re光ce发ive射r 器
光接收器
Object
被检测物体
遮断式光电开关 由相互分离且相对安 装的光发射器和光接 受器组成。当被检测 物体位于发射器和接 受器之间时，光线被 阻断，接受器接受不 到红外线而产生开关 信号。
光电开关在 流水 线上的应用
定区域式光电开关 罐装高度检测
送储料器仓 咖啡罐
落料口
流水线运行方向
遮断式光电开关 （计数）
最佳工作区
击穿
由于材料本身(特别是表面部 分)具有一定的缺陷， 使PN 结的各区域电场分布不均匀， 局部的高电场区首先发生击 穿，使漏电流变大，这相当 于增强了噪声。为避免这一 情况发生，在选择材料和工 艺上应加以注意。
雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小 时，增益太小；过大时，噪声大，而且电压过高 可能使管子被击穿烧毁。由于击穿电压会随温度 漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。
dr
雪崩光电二极管
（APD Avalanche Photodiode ）
APD是利用雪崩倍增效应使光生电流达
到很高的数值，电流增益可达106 。
为了实现雪崩过程，基片杂质浓度很高，使之容 易碰撞电离；片子厚度较薄，保证较高的电场强度
市场上的型雪崩光电二极管基本上都是 PIN型雪崩光电二极管。 PIN型光电二极管 在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展 到整个PN结结区，形成自身保护（具有很 强的抗击穿功能）不必设置保护环。
定区域反射式光电开关原理
检测距离
检测距离
定区域式光电 开关有一个非常确定 的检测区域，不经过 该区域的被测物体不 会引起光电开关产生 开关信号。
反射型光电开关及反射镜外形
三角反射镜
集发射、接收器 于一身
反射镜反射型光电开关工作 原理 反反射射板镜 发射光
偏振光
被测物体
被测物漫反射型光电开关原理
漫反射型
被检测物体
光电开关集光 发射器和光接
受器于一体。
漫反射光线
当被测物体经 过该光电开关
发射光线
时，发射器发 出的光线经被
测物体表面反
反射光线
射由接受器接
受，于是产生
光发射器 和光接受器
开关信号。
反射型光电开关外形 信号 指示
电源 指示
反射型光电开关外形（续）
灵敏度调节电位器
光电开关应用（续）
1. 工作原理
光电三极管的工作分为两过程： 一是光电转换；二是光电流放大。
集电极输出的电流为
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外 光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成 I型层。
在反向电压作用下， i层的 存在，提高了击穿电压。耗 尽层较无i层时要大得多，从 而使结电容下降，则RC延迟 时间τ RC减小，在ns左右。 提高了dr 响应速度；
由于耗尽层变宽，增加了吸收层厚度，改善了对长 波光的吸收，提高了灵敏度，增大了长波响应率。
一些光敏二极管的特性参数
光谱响应
光电二极管的光谱响应定义为以等功率的不同单色辐射波长的光 作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。
典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1μ m左右，短波限 接近0.4μ m，峰值响应波长为0.9μ m左右。
其他类型的光生伏特器件
PIN型光电二极管
透明度测量、控制
质量检测
光电开关应用（续）
加工控制
光电开关应用（续）
机械手定位
光电开关应用（续）
商标方向检测
光电断续器的应用（续）
当工件 经过光电断 续器时，接 收器即产生 一个计数脉 冲。
光电传感器的其他用途（续）
电梯自动运行 条件判断
光电计数电路举例
光电三极管
光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结 构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的 NPN 结构，称为 3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP 结构，称为3CU型。
初始的载流子在强电场的作用下获得很大的动能，其在高 速运动过程总与晶体的晶格碰撞，产生新的电子空穴对， 称为碰撞电离过程。此过程多次重复。电离产生的载流子 数远大于光激发产生的光生载流子数，形成雪崩倍增效应。
电流倍增系数M定义：M

I I0
I为倍增输出的电流 I0为倍增前输出的电流
雪崩光电二极管的 倍增电流与偏压的关系曲线
第三章 光电检测技术常用器件及应用
1、光电器件的类型与特点
主要内容
2、光电检测器件的特性参数
3、光电导器件---光敏电阻
4、光生伏特效应------光电池 、光电二极管、光电三极管等 5、光电发射效应---光电管、光电 倍增管等
6、光热效应----热敏电阻、热电偶
硅光电二极管
硅光电二极管的工作原理
高度 测量
三维尺寸 检测
光幕应用（续）
木材外形截面积检测
光幕应用（续）
光幕可 检测出带材 在卷曲过程 中的偏移， 经控制器和 执行机构使 带材向正确 的方向运动 （纠偏）。
纠偏
光幕应用（续）
光幕用于 自动收费系统的
车辆检测
光幕应用（续）
锻压机床的 安全区域设置 及入侵报警
光幕应用（续）
安全区示警
光电二极管 根据基底不同可 分为以P型硅为衬 底的2DU型与以N 型硅为衬底的2CU 型两种结构形式。 如图示为2DU型光 电二极管的原理 结构图。
工作在反向电压下
光电二极管的伏安特性
由光电二极 管的全电流 方程可以得 到该图
大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电 子—空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。 增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。 但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反 向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。