自动检测与转换技术 裴蓓 第3章 光电传感器

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1、第3章光电传感器光电传感器概述3.1光纤传感器3.2红外传感器3.3图像传感器3.4【学习目标】掌握光电效应的原理掌握光敏元件的工作原理掌握光敏元件的应用掌握光纤传感器的工作原理及应用掌握红外传感器的工作原理及应用掌握图像传感器的工作原理及应用【技能目标】具备分析光电传感器电路的能力具备制作光敏传感器应用电路的能力具备制作光纤传感器应用电路的能力具备制作红外传感器应用电路的能力具备制作图像传感器应用电路的能力具备调试电路的能力3.1光电传感器概述3.1.1光的基本知识光是能引起视觉的辐射能，它以电磁波的形式在空间传播。人眼所能感觉到的光仅

2、是电磁波中很小的一部分，称为可见光。可见光的波长为370～760nm。把光线中不同强度的单色光按波长长短依次排列，称为光谱，如图3.1所示。图3.1电磁波的频谱1．光通量2．发光强度光源在空间某一特定方向上的单位立体角内辐射的光通量（光通量的密度），如图3.2所示，称为光源在该方向上的发光强度，简称光强，用符号I表示，单位为坎德拉（cd），其计算公式为式中：Φ—在立体角内所辐射的总的光通量（lm）；ω—球面所对应的立体角（sr）。图3.2发光强度与光通量、立体角的关系3．照度4．亮度它们的名称、符号、单位及说明如表3.1所示。名称符号单

3、位说明光通量Φ流明（流）lm发光体每秒所发出的光量总和光强J坎德拉（坎）cd发光体在特定方向的单位立体角内所发射的光通量照度E勒克斯（勒）lm/m2发光体照射在被照物体单位面积上的光通量亮度L尼脱（尼）cd/m2发光体在视线方向单位投影面上的发光强度表3.1常用光度学的名称、符号、单位及说明3.1.2光电效应与光电器件1．光电效应（1）外光电效应在光线作用下，电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，也成为光电发射效应。外光电效应可用爱因斯坦光电方程来描述为式中：m—电子质量；v—电子逸出物体表面时的初速度；h—普朗克常数，h=6.6261

4、034J·S；f—入射光频率；A—物体逸出功。（2）内光电效应（3）光生伏特效应2．光电器件（1）光电管和光电倍增管目前市场上的光电器件主要有以下几种。利用外光电效应制成的光电管和光电倍增管。利用内光电效应制成的光敏电阻器、光敏晶体管和光敏晶闸管。利用光生伏特效应制成的各类光电池。①光电管。光电管的结构及实物图如图3.3所示。光电管的图形符号及测量电路如图3.4所示，负载电阻RL与光电管串联接入电路，该电阻上的压降随光电流的大小而变化，而光电流的大小又直接反映了光照强度的变化，从而实现了光电信号的转换。1—阳极A2—阴极K3—石英玻璃外

5、壳4—抽气管5—阳极引脚6—阴极引脚图3.3光电管的结构及实物图图3.4光电管的图形符号及测量电路②光电倍增管。图3.5光电倍增管结构及实物图（2）光敏电阻光敏电阻器的结构如图3.6（a）所示。光敏电阻的图形符号如图3.6（b）所示。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—引脚图3.6光敏电阻器在光敏电阻两端电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性，如图3.7所示。图3.7光敏电阻的光电特性（3）光敏晶体管①光敏二极管。1—负极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜5—正极引脚图3.8光敏二极管

6、②光敏三极管。1—集电极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃透光镜5—发射极引脚图3.9光敏三极管光敏三极管具有电流增益，其基本电路如图3.10所示。图3.10光敏三极管基本电路③光敏晶体管的基本特性。光谱特性。光敏晶体管的光谱特性，如图3.11所示。伏安特性。在一定照度下，光电流I与光敏元件两端电压U的对应关系称为伏安特性。光敏晶体管的伏安特性如图3.12所示。图3.11光敏晶体管的光谱特性图3.12光敏晶体管的伏安特性光电特性。光电特性是指当光敏晶体管加上一定电压时，输出电流与光照度之间的关系，如图3.13所示。1—光敏二极管光电特性2—光敏

7、三极管光电特性图3.13光敏晶体管光电特性温度特性。光敏晶体管的温度特性是指暗电流及亮电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性如图3.14所示，从图中可以看出，温度变化对光敏晶体管的亮电流影响不大，但对暗电流的影响非常大，并且是非线性的，将给微光测量带来误差。1—亮电流2—暗电流图3.14光敏晶体管的温度特性响应时间。工业用的硅光敏二极管的响应时间为105～107s，光敏三极管的响应时间比光敏二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用光敏二极管。（4）光电池硅光电池是一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂

8、质而形成的一个大面积PN结作为光照敏感面，如图3.15所示。图3.15光电池光谱特性。光电特性。温度特性。频率特性。1—硅光电池2—硒光电池图3.16光电池的光谱特性1—开路电压曲线2—短路电