光电传感器课件(1)
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• 不同类型光敏电阻光照特性不 同，但光照特性曲线均呈非线 性。因此它不宜作定量检测元 件，这是光敏电阻的不足之处。 一般在自动控制系统中用作光 电开关。
光 电 流 / mA
0.3 0.2 5 0.2 0 0.1 5 0.1 0 0.0 5
0
0.6
1.2
光 通 量 / lm
光敏电阻的光照特性曲线
• 优点：光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以 从紫外区域到红外区域，而且体积小，性能稳定，价格便 宜；
光电传感器
heyj
内容
一、概述 二、工作原理 三、光电效应 四、光电传感器的各种应用 五、光电元件实例
一、概述
• 光电传感器是采用光 电元件作为检测元件 的传感器。它是各种 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。
概述
• 它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照 度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成 光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、 位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态 的识别等。
• 光电转换器的转换原理是基于物质的光电效应。 • 半导体光电效应是半导体中束缚电子在吸收光子后所产生
的电学效应，即光生电。它是各类光敏器件工作的基本原 理。
• 半导体光电效应
内光电效应 外光电效应
1、外光电效应
• 半导体内的电子在吸 收光子后，如能克服 表面势垒逸出半导体 表面，就会产生外光 电效应。光电管、光 电倍增管等就是基于 外光电效应制成的光 电器件。
(a) 结构原理；(b) 外形；(c) 电路符号
3、其它光电元件
• 光敏晶闸管 光敏晶闸管导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持 导通。光敏晶闸管的特点：导通电流比光敏三极管大得 多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用 于工业自动检测控制。 光敏面
• 光电三级管 光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流 大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。
被吸收的光通量与被测物体的透明度有关。常
用来测物体的
混浊度
3、遮光式
光源
光电元件 x
光原发出的光经过被测物体时被遮挡部分，使得光电
元件上的光通量减弱，减弱的程度与被测物体在光学通路
中的位置有关。
测位移
4、反射式 光源
光电元件
被测物
反射光通量取决于反射表面的性质、状态和光源之间的
距离。
表面粗糙度
五、光电元件实例
PN结
Es
P
N
四、光电传感器的各种应用
• 光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式 (直射式)、吸收式、遮光式、反射式。 1、辐射式
被测物体本身就是辐射源，所发出的光直接照在 光电元件上，（或经过一定的光通路照在光电元件 上），辐射强度与温度具有一定的关系。 高温计
2、吸收式
光源
被测物
光电元件
• 缺点：光照与产生的光电流之间呈非线性关系。
贴片光敏电阻系列
金属壳光敏电阻系列
Φ4 、Φ5、Φ7、Φ9、Φ11、 Φ12、Φ20、Φ25
2、光电池
• 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件， 又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的。它有 较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现 电动势。
光电开关
• 光电开关是由发射器、接 收器和检测电路三部分组
成。光电开关（光电传感
器）是光电接近开关的简 称，它是利用被检测物对 光束的遮挡或反射，由同 步回路选通电路，从而检 测物体有无的。物体不限 于金属，所有能反射光线 的物体均可被检测。光电 开关将输入电流在发射器 上转换为光信号射出，接 收器再根据接收到的光线 的强弱或有无对目标物体 进行探测。
光电池
• 图所示为硅光电池的结构原理、外形及电路符号。它是用 单晶硅制成的，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P
型杂质而形成一个大面积的PN结，P层很薄，从而使光能
穿透到PN结上。
P层
P N结
＋
－
N型 硅
Baidu Nhomakorabea
(a)
(b)
(c)
由于光线的照射，使P区带正电荷，N区带负电荷，从而在两区之间形成电 位差，即构成光电池，若接于外电路中就可产生电流。
光电导效应：
光生伏特效应：
• 光照射PN结时，若h≧Eg，使 价带中的电子跃迁到导带，而 产生电子空穴对，在阻挡层内 电场的作用下，少数载流子穿 越阻挡层重新分布，使P区带正
←
电，N区带负电，形成光生电动 势。如果光照是连续的，经短 暂的时间，PN结两侧就有一个 稳定的光生电动势输出。最后 建立一个与光照强度有关的电 动势Es。
• 1.光敏电阻
它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属 电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电 路。
光敏电阻的光照特性
• 光敏电阻的光照特性用于描述 光电流和光照强度之间的关系。 不同光敏电阻的光照特性是不 相同的。绝大多数光敏电阻的 光照特性曲线是非线性的，如 图所示。
特征：
（1）辨别不透明的反光物体； （2）有效距离大，因为光束
跨越感应距离的时间仅一 次； （3）不易受干扰，可以可靠 合适的使用在野外或者有 灰尘的环境中； （4）装置的消耗高，两个单 元都必须敷设电缆。
结束。。。 谢谢观看！
工作特点 （1）光电转换 （2）电流放大
工作原理
光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它的 基区一边做得很大, 以扩大光的照射面积。 当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对, 从 而形成光电流,相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增 加, 因此集电极电流是光生电流的β倍, 所以光敏晶体管有 放大作用。
• 爱因斯坦光电效应方程： E=hγ=mυ2/2 +A 光电子能否产生，取决于 光子的能量是否大于该物 体的表面逸出功。这就是 说，每种物体都有相对应 的光频阈值，称为红限频
率，用γ0表示γ0=A/h
2、内光电效应
• 半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体，使物体的电 导率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。 内光电效应按其工作原理可分为光电导效应和光生伏特效 应。
• 具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多， 传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在工业自动化装 置和机器人中获得广泛应用。
二、工作原理
• 原理：是将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电 元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置。光电传 感器的构成：光源、光学通路、光电元件。
三、光电效应
光 电 流 / mA
0.3 0.2 5 0.2 0 0.1 5 0.1 0 0.0 5
0
0.6
1.2
光 通 量 / lm
光敏电阻的光照特性曲线
• 优点：光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以 从紫外区域到红外区域，而且体积小，性能稳定，价格便 宜；
光电传感器
heyj
内容
一、概述 二、工作原理 三、光电效应 四、光电传感器的各种应用 五、光电元件实例
一、概述
• 光电传感器是采用光 电元件作为检测元件 的传感器。它是各种 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。
概述
• 它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照 度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成 光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、 位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态 的识别等。
• 光电转换器的转换原理是基于物质的光电效应。 • 半导体光电效应是半导体中束缚电子在吸收光子后所产生
的电学效应，即光生电。它是各类光敏器件工作的基本原 理。
• 半导体光电效应
内光电效应 外光电效应
1、外光电效应
• 半导体内的电子在吸 收光子后，如能克服 表面势垒逸出半导体 表面，就会产生外光 电效应。光电管、光 电倍增管等就是基于 外光电效应制成的光 电器件。
(a) 结构原理；(b) 外形；(c) 电路符号
3、其它光电元件
• 光敏晶闸管 光敏晶闸管导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持 导通。光敏晶闸管的特点：导通电流比光敏三极管大得 多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用 于工业自动检测控制。 光敏面
• 光电三级管 光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流 大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。
被吸收的光通量与被测物体的透明度有关。常
用来测物体的
混浊度
3、遮光式
光源
光电元件 x
光原发出的光经过被测物体时被遮挡部分，使得光电
元件上的光通量减弱，减弱的程度与被测物体在光学通路
中的位置有关。
测位移
4、反射式 光源
光电元件
被测物
反射光通量取决于反射表面的性质、状态和光源之间的
距离。
表面粗糙度
五、光电元件实例
PN结
Es
P
N
四、光电传感器的各种应用
• 光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式 (直射式)、吸收式、遮光式、反射式。 1、辐射式
被测物体本身就是辐射源，所发出的光直接照在 光电元件上，（或经过一定的光通路照在光电元件 上），辐射强度与温度具有一定的关系。 高温计
2、吸收式
光源
被测物
光电元件
• 缺点：光照与产生的光电流之间呈非线性关系。
贴片光敏电阻系列
金属壳光敏电阻系列
Φ4 、Φ5、Φ7、Φ9、Φ11、 Φ12、Φ20、Φ25
2、光电池
• 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件， 又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的。它有 较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现 电动势。
光电开关
• 光电开关是由发射器、接 收器和检测电路三部分组
成。光电开关（光电传感
器）是光电接近开关的简 称，它是利用被检测物对 光束的遮挡或反射，由同 步回路选通电路，从而检 测物体有无的。物体不限 于金属，所有能反射光线 的物体均可被检测。光电 开关将输入电流在发射器 上转换为光信号射出，接 收器再根据接收到的光线 的强弱或有无对目标物体 进行探测。
光电池
• 图所示为硅光电池的结构原理、外形及电路符号。它是用 单晶硅制成的，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P
型杂质而形成一个大面积的PN结，P层很薄，从而使光能
穿透到PN结上。
P层
P N结
＋
－
N型 硅
Baidu Nhomakorabea
(a)
(b)
(c)
由于光线的照射，使P区带正电荷，N区带负电荷，从而在两区之间形成电 位差，即构成光电池，若接于外电路中就可产生电流。
光电导效应：
光生伏特效应：
• 光照射PN结时，若h≧Eg，使 价带中的电子跃迁到导带，而 产生电子空穴对，在阻挡层内 电场的作用下，少数载流子穿 越阻挡层重新分布，使P区带正
←
电，N区带负电，形成光生电动 势。如果光照是连续的，经短 暂的时间，PN结两侧就有一个 稳定的光生电动势输出。最后 建立一个与光照强度有关的电 动势Es。
• 1.光敏电阻
它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属 电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电 路。
光敏电阻的光照特性
• 光敏电阻的光照特性用于描述 光电流和光照强度之间的关系。 不同光敏电阻的光照特性是不 相同的。绝大多数光敏电阻的 光照特性曲线是非线性的，如 图所示。
特征：
（1）辨别不透明的反光物体； （2）有效距离大，因为光束
跨越感应距离的时间仅一 次； （3）不易受干扰，可以可靠 合适的使用在野外或者有 灰尘的环境中； （4）装置的消耗高，两个单 元都必须敷设电缆。
结束。。。 谢谢观看！
工作特点 （1）光电转换 （2）电流放大
工作原理
光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它的 基区一边做得很大, 以扩大光的照射面积。 当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对, 从 而形成光电流,相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增 加, 因此集电极电流是光生电流的β倍, 所以光敏晶体管有 放大作用。
• 爱因斯坦光电效应方程： E=hγ=mυ2/2 +A 光电子能否产生，取决于 光子的能量是否大于该物 体的表面逸出功。这就是 说，每种物体都有相对应 的光频阈值，称为红限频
率，用γ0表示γ0=A/h
2、内光电效应
• 半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体，使物体的电 导率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。 内光电效应按其工作原理可分为光电导效应和光生伏特效 应。
• 具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多， 传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在工业自动化装 置和机器人中获得广泛应用。
二、工作原理
• 原理：是将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电 元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置。光电传 感器的构成：光源、光学通路、光电元件。
三、光电效应