光电传感器的原理以及应用

第7章光电传感器7.1光电传感器引入以数码相机为例7.2光电效应和光电器件外光电效应:在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管内光电效应:在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。阻挡层光电效应(光生伏特效应):在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等7.2.1光电效应和光电器件外光电效应:在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管内光电效应:在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。阻挡层光电效应(光生伏特效应):在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等下一页返回1光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。上一页下一页返回真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管:构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差上一页下一页返回6紫外管外形当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线2光电倍增管在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极上一页下一页返回光电倍增管的结构与工作原理光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有Sb-Cs(锑-铯)或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射二次电子发射系数σ=二次发射电子树／入射电子数若倍增极有n，则倍增率为σn上一页下一页返回3光敏电阻1.光敏电阻的工作原理及结构2．光敏电阻的主要参数3．光敏电阻的基本特性上一页下一页返回(1)光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加上一页下一页返回光敏电阻的结构1.玻璃2.光电导层3.电极4.绝缘衬底5.金属壳6.黑色绝缘玻璃7.引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。上一页下一页返回半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定梳状电极上一页下一页返回2．光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流亮电流与暗电流之差，称为光电流。上一页下一页返回3．光敏电阻的基本特性（1）伏安特性（2）光照特性（3）光谱特性（4）响应时间和频率特性（5）温度特性上一页下一页返回（1）伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。上一页下一页返回（2）光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。上一页下一页返回（3）光谱特性光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的上一页下一页返回（4）响应时间和频率特性光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。上一页下一页返回光敏电阻的频率特性不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。上一页下一页返回（5）温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性121212%100)(CRTTRR温度系数:在一定光照下，温度每变化1℃，光敏电阻阻值的平均变化率上一页下一页返回温度对光谱特性影响随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性上一页下一页返回4光敏二极管和光敏晶体管1．工作原理2．基本特性上一页下一页返回(1)工作原理结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态的光敏二极管上一页下一页返回24光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。上一页下一页返回2．基本特性（1）光谱特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）温度特性（5）频率响应上一页下一页返回（1）光谱特性入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。上一页下一页返回（2）伏安特性上一页下一页返回硅光敏管的伏安特性（3）光照特性硅光敏管的光照特性光敏二极管的光照特性曲线的线性较好上一页下一页返回（4）温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。上一页下一页返回（5）频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系硅光敏晶体管的频率响应上一页下一页返回32光敏三极管外形5光电池有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。1.工作原理2．基本特性上一页下一页返回(1)工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负)。用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。上一页下一页返回(2)基本特性(1)光谱特性(2)光照特性(3)频率响应(4)温度特性(5)稳定性上一页下一页返回（1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的上一页下一页返回(2)光照特性不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用上一页下一页返回光电池的短路电流外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽上一页下一页返回(3)频率响应指输出电流随调制光频率变化的关系硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换上一页下一页返回(4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标硅光电池的温度特性(照度1000lx)上一页下一页返回(5)稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的硅光电池的性能比硒光电池更稳定影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺使用环境条件上一页下一页返回42光电池外形光敏面43能提供较大电流的大面积光电池外形44光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能硅光电池板45光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电46光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用6光电式传感器的应用模拟式传感器脉冲式传感器上一页下一页返回1．模拟式光电传感器基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数。对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。上一页下一页返回491.光电式浊度计和含沙量测量将装有浊水的试管插入仪器中50图7.1.7光电比色计的工作原理光电比色计：51光电式浊度计工作原理1—恒流源2—半导体激光器3—半反半透镜4—反射镜5—被测水样6、9—光电池7、10—电流/电压转换器8—标准水样参比通道被测物吸收光通量522.无线烟雾报警器可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器53反射式烟雾报警器在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。被测物体反射光通量54无线烟雾报警器内部结构可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器2．脉冲式光电传感器光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。上一页下一页返回光电式数字转速表60ZTNc上一页返回57图7.1.8光电转速计的工作原理光电转速计分为反射式和透射式两类：58此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。n=60(f/z)59水泵转速测量604.光电式带材跑偏检测器光电传感器带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。5.光电电源光电池组:若干型号相同的光电池，经串、并联。有光照时光电池组发电，为负载供电，并对蓄电池充电。无光照时，蓄电池向负载供电。二极管的作用:防止无光照时，蓄电池通过光电池组放电.光电池是航天工业的重要电源，也可作为航标灯、高速公路警示灯等野外无人值守设备的电源。交流负载光电池组逆变器蓄电池直流负载图7.1.9光电池电源电路框图6.白度计白度:衡量物体表面对可见光全波长辐射反射率的一个参数，在纺织、丝绸、造纸、化工等行业中有广泛的应用。62光源被测物1E2E1RpR2RG由于被测物的白度小于100%（度），所以标准电势总是大于被测电势。pRG调节使检流计两端的电位相等，便可通过白度计的指针指示出被测物的白度。图7.1.10白度计原理光电传感器实物介绍光敏电阻广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节,照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。光敏二极管广泛应用于光电开关、光电控制检测，自动化控制等领域，使用时，反向接入电路中。光敏三极管比光敏二极管灵敏度高，用于光电自动控制、光电计数、光电传感器中作光电信号转换。光照度传感器照度定义为投射到单位面积上的光通量，单位为勒克斯lx。适用于农业大棚、城市照明、建筑环境、路灯控制等场所照度测量。硅光电池硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，利用光生伏特效应，受到光照时产生大的电动势和电流。可用在光电探测器和光通信等领域。环境亮度传感器亮度指光强度dIv与面元ds在垂直于发光强度方向上的投影面积之比，单位为每平方米面积上的光强度（cd/m2）。用于环境亮度测量。