第七章光电传感器
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2020/7/18
一、光电传感器的原理及类型 2、光电传感器的分类
遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一 部份，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与 被测物体在光路位置有关。
2020/7/18
二、光电效应
1、定义： 对不同频率ν的光，其光子能量E=hν是不相同的，光波
频率ν越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作 是一连串能量为hν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，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现 象称为光电效应。
2020/7/18
1.直接测量
直接测 量的误差较 小。
图为利 用光栅传感 器测量数控 机床工作台 位移量的现 场照片。
2020/7/18
工作台 工作台运动方向
光栅
2.间接测量
工作台 丝杠 进给电机 x
θ
2020/7/18
编码器
在间接测量 中，多使用旋转式 位置传感器。测量 到的回转运动参数 仅仅是中间值，但 可由这中间值再推 算出与之关联的移 动部件的直线位移 间接测量须使用丝 杠-螺母、齿轮-齿
暗电流（越小越好）
三、主要光电器件及其特点
➢ 光敏电阻 2.结构 光敏电阻是薄膜元件， 它是由在陶瓷底衬上覆一 层光电半导体材料（金属 硫化物、硒化物和锑化 物）。 目前生产的光敏电阻 主要是硫化镉。
2020/7/18
三、主要光电器件及其特点
➢ 光敏二极管和三极管
基本原理 其结构如下图所示，只是它的PN
20Biblioteka Baidu0/7/18
一、光电传感器的原理及类型 2、光电传感器的分类
（1）透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出 的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光 电元件上，因此又称之为吸收式。
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一、光电传感器的原理及类型 2、光电传感器的分类
漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再 从被测物体表面反射后投射到光电元件上
K A
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IΦ E
RL
U0
三、主要光电器件及其特点
➢光电倍增管 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放
大光电流能力的光电倍增管。
K
光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成， 并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。
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三、主要光电器件及其特点
➢ 光电倍增管
当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的 脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间 的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二 次电子发射，每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子，这样就实 现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速 后轰击D2，……。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过 一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有8～13个，最后 一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有n级，各级 的倍增率为б，则光电倍增管的倍增率可以认为是бn，因此，光电倍 增管有极高的灵敏度。
结装在管壳顶部，光线通过透镜制成 的窗口，可以集中照射在PN结上，有 光照时反向导通。
2a0)20/结 7/1构 8示意图和图形符号
V
IΦ
+
-E
μA
b) 基本电路
Ic
N
c
E
P e
N
U0
RL
a)结构示意图 b)基本电路
三、主要光电器件及其特点
➢ 光敏二极管和三极管
2a0)20/结 7/1构 8示意图和图形符号
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三、主要光电器件及其特点
➢ 光电管 结构原理 光电管是利用外光电效应制成的光电元件。
如下图所示：半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心 的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时， 单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子， 从而使自由电子的能量增加hν。当电子能量大于阴极材料的逸 出功A时，它就逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子。
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三、主要光电器件及其特点
➢ 光敏电阻
当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。
1.工作原理
光敏电阻是基于内 光电效应的光电元件， 当内光电效应发生时， 固体材料吸收的能量使 部分价带电子迁移到导 带，同时在价带中留下 空穴，这样由于材料中 载流子个数的增加， 材料电导率增加。
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二、光电效应
2、光电效应的分类： 1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外
光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍 增管等。
2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内 光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏 晶体管等。
3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称 为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池 等。
光生电子在N区的集结使N区带负电， 光生空穴在p区的集结使P区带正电。P区和 N区之间产生光生电动势。当硅光电池接入 负载后，光电流从P区经负载流至N区，负 载中20即20/7/得18 到功率输出。
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第一节 位置测量的方式
一、直接测量和间接测量
位置传感器有直线式和旋转式两大类。 若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即 用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位 移，则该测量方式为直接测量。例如直接用于直线 位移测量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测 量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值， 再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该 测量方式为间接测量。
V
IΦ
+
-E
μA
b) 基本电路
Ic
N
c
E
P e
N
U0
RL
a)结构示意图 b)基本电路
三、主要光电器件及其特点
➢ 光电池
1.工作原理 硅光电池的工作原理是光生伏特效应。
当光照射在硅光电池的PN结区时，会在半 导体中激发出光生电子一空穴对。
PN结两边的光生电子一空穴对，在内 电场的作用下，属于多数载流子的不能穿 越阻挡层，而少数载流子却能穿越阻挡层。 结果，P区的光生电子进入N区，N区的光生 空穴进入p区，使每个区中的光生电子一空 穴对分割开来。
一、光电传感器的原理及类型 2、光电传感器的分类
遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一 部份，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与 被测物体在光路位置有关。
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二、光电效应
1、定义： 对不同频率ν的光，其光子能量E=hν是不相同的，光波
频率ν越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作 是一连串能量为hν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，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现 象称为光电效应。
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1.直接测量
直接测 量的误差较 小。
图为利 用光栅传感 器测量数控 机床工作台 位移量的现 场照片。
2020/7/18
工作台 工作台运动方向
光栅
2.间接测量
工作台 丝杠 进给电机 x
θ
2020/7/18
编码器
在间接测量 中，多使用旋转式 位置传感器。测量 到的回转运动参数 仅仅是中间值，但 可由这中间值再推 算出与之关联的移 动部件的直线位移 间接测量须使用丝 杠-螺母、齿轮-齿
暗电流（越小越好）
三、主要光电器件及其特点
➢ 光敏电阻 2.结构 光敏电阻是薄膜元件， 它是由在陶瓷底衬上覆一 层光电半导体材料（金属 硫化物、硒化物和锑化 物）。 目前生产的光敏电阻 主要是硫化镉。
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三、主要光电器件及其特点
➢ 光敏二极管和三极管
基本原理 其结构如下图所示，只是它的PN
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一、光电传感器的原理及类型 2、光电传感器的分类
（1）透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出 的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光 电元件上，因此又称之为吸收式。
2020/7/18
一、光电传感器的原理及类型 2、光电传感器的分类
漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再 从被测物体表面反射后投射到光电元件上
K A
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IΦ E
RL
U0
三、主要光电器件及其特点
➢光电倍增管 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放
大光电流能力的光电倍增管。
K
光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成， 并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。
2020/7/18
三、主要光电器件及其特点
➢ 光电倍增管
当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的 脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间 的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二 次电子发射，每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子，这样就实 现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速 后轰击D2，……。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过 一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有8～13个，最后 一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有n级，各级 的倍增率为б，则光电倍增管的倍增率可以认为是бn，因此，光电倍 增管有极高的灵敏度。
结装在管壳顶部，光线通过透镜制成 的窗口，可以集中照射在PN结上，有 光照时反向导通。
2a0)20/结 7/1构 8示意图和图形符号
V
IΦ
+
-E
μA
b) 基本电路
Ic
N
c
E
P e
N
U0
RL
a)结构示意图 b)基本电路
三、主要光电器件及其特点
➢ 光敏二极管和三极管
2a0)20/结 7/1构 8示意图和图形符号
2020/7/18
三、主要光电器件及其特点
➢ 光电管 结构原理 光电管是利用外光电效应制成的光电元件。
如下图所示：半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心 的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时， 单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子， 从而使自由电子的能量增加hν。当电子能量大于阴极材料的逸 出功A时，它就逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子。
2020/7/18
三、主要光电器件及其特点
➢ 光敏电阻
当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。
1.工作原理
光敏电阻是基于内 光电效应的光电元件， 当内光电效应发生时， 固体材料吸收的能量使 部分价带电子迁移到导 带，同时在价带中留下 空穴，这样由于材料中 载流子个数的增加， 材料电导率增加。
2020/7/18
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二、光电效应
2、光电效应的分类： 1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外
光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍 增管等。
2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内 光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏 晶体管等。
3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称 为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池 等。
光生电子在N区的集结使N区带负电， 光生空穴在p区的集结使P区带正电。P区和 N区之间产生光生电动势。当硅光电池接入 负载后，光电流从P区经负载流至N区，负 载中20即20/7/得18 到功率输出。
2020/7/18
第一节 位置测量的方式
一、直接测量和间接测量
位置传感器有直线式和旋转式两大类。 若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即 用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位 移，则该测量方式为直接测量。例如直接用于直线 位移测量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测 量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值， 再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该 测量方式为间接测量。
V
IΦ
+
-E
μA
b) 基本电路
Ic
N
c
E
P e
N
U0
RL
a)结构示意图 b)基本电路
三、主要光电器件及其特点
➢ 光电池
1.工作原理 硅光电池的工作原理是光生伏特效应。
当光照射在硅光电池的PN结区时，会在半 导体中激发出光生电子一空穴对。
PN结两边的光生电子一空穴对，在内 电场的作用下，属于多数载流子的不能穿 越阻挡层，而少数载流子却能穿越阻挡层。 结果，P区的光生电子进入N区，N区的光生 空穴进入p区，使每个区中的光生电子一空 穴对分割开来。