光电式传感器的原理与应用

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1、第10章光电式传感器原理与应用授课老师：概述光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化转换成电量的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件参数的变化将光信号转换成电信号，它的物理基础是光电效应。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件的输出电量也作相应的变化，最后用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，有多种参数都可测量，传感器的结

2、构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。第10章光电式传感器原理与应用10.1光电效应及光电器件10.2光电码盘10.3电荷耦合器件10.4光纤传感器10.5光栅传感器光电效应通常可分为四类：(1)外光电效应:在光线作用下,使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。基于外光电效应原理的器件属于真空光电元件,有光电管、光电倍增管等。(2)内光电效应:在光线作用下,使物体的电阻率改变的现象。基于内光电效应原理的器件属于半导体光电元件,有光敏电阻、光敏晶体管等。(3)光生伏特效应:在光线作用下

3、，物体产生一定方向电动势的现象。基于光生伏特效应原理的器件属于半导体光电元件,有光电池等。(4)热释电现象：热电材料受红外光等照射时，若其表面温度上升或下降,则该表面产生电荷的现象。10.1光电效应及光电器件10.1.1光电管10.1.2光电倍增管10.1.3光敏电阻10.1.4光敏二极管10.1.5光敏晶体管10.1.6光电池10.1.7光电传感器的应用10.1.1光电管(a)反射式光电阴极光电管(b)透射式光电阴极光电管光电管结构示意图连接电路10.1.2光电倍增管（a）直线型；(b)鼠笼式；(c)盒

4、-网型1一阴极；2-倍阴极；3-阳极；4-绝缘隔板；5-栅极。光电倍增管的结构原理图10.1.2光电倍增管假设每个电子落到任一倍增极上都打出σ个电子，则阳极电流I为光电倍增管的电流放大系数β为10.1.3光敏电阻1-梳状电极；2-光导体；3-透光窗口;4-外壳;5-绝缘基体；6-黑色玻璃支柱：7-引脚光敏电阻结构图光敏电阻主要的技术特性(1)暗电阻，暗电流(2)亮电阻、光电流(3)光谱特性(4)光电特性(5)频率特性(6)温度特性(1)暗电阻，暗电流若将光敏电阻置于无光照的黑暗条件下，测得光敏电阻的阻值称

5、为暗电阻，这时，在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流值称为暗电流。(2)亮电阻、光电流光敏电阻在光照下，测得的光敏电阻的阻值称为亮电阻，亮电阻一般在几千欧姆。这时在工作电压下测得的电流为亮电流。亮电流和暗电流之差称为光电阻的光电流IФ(3)光谱特性对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图10.1.5所示，从图中看出，每种光敏电阻对不同波长的入射光有着不同的灵敏度，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域；因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，

6、才能获得满意的结果光敏电阻的光谱特性(4)光电特性光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图10.1.6所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。做检测元件时，要对其值进行曲线拟合，响应曲线不连续，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。光敏电阻的光电特性(5)频率特性当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零，这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。光敏电阻的频率特性(6)温度

7、特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，在使用光敏电阻检测时为了能接受远红外光，或为了提高灵敏度，要采取控制温度的措施。硫化铅的光谱温度特性10.1.4光敏二极管光敏二极管的工作原理也是基于内光电效应，与光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上,PN结参与了光电转换过程。(a)结构示意图和图形符号(b)基本电路光敏二极管10.1.5光敏晶体管光敏晶体管通常指光敏三极管，光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏

8、度。（a）结构示意图；（b）基本电路光敏三极管光敏晶体管特性(1)光谱特性(2)伏安特性(3)光电特性(4)温度特性(5)频率特性（1）光谱特性从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。硅管的峰值波长为0.9μm左右，锗管的峰值波长为l.5μm左右。由于锗管的暗电流比硅管大，所以锗管性能较差。因此，在探测可见光或赤热物体时，多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗管较为合适。光敏晶体管的光谱特性(2)伏安特性光