1、第8章 光電式傳感器,一. 本章主要內容 8.1 光電效應 8.2 光電器件及其特點 8.3 光電式傳感器的類型及應用,2010年10月15日 南5-101 14：00-15：40,二. 教學要求及重點、難點 教學要求： 1、了解光電效應和光電元件； 2、理解光電元件的主要特性和特點。 1、熟悉光電式傳感器的應用類型 2、掌握光電式傳感器的常見應用實例 重點、難點：光電元件的主要特性和特點,8.1 光電效應,光電效應就是指一束光線照射到物質上時，物質的 電子吸收了光子的能量而發(fā)生了相應的電效應現(xiàn)象。 產(chǎn)生光電效應現(xiàn)象有：電阻率的變化、電子逸出、 電動勢的變化等。 產(chǎn)生光電效應的物質叫光電材料。

2、,根據(jù)光電效應現(xiàn)象的不同特征，可將光電效應分為三類：,1 外光電效應：,在光線照射下，使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象，稱外 光電效應。 如光電管、光電倍增管等就是基于外光電效應。 根據(jù)愛因斯坦光子學說，一個電子只能吸收一個光 子的能量，有,h: 普朗克常數(shù),m：電子質量,A：電子克服束縛而逸出物體表面所做的功,：入射光的頻率,：電子逸出表面時的初速度,當光子能量大于逸出功時，才會產(chǎn)生外光電 效應，才會有光電子逸出。 當光子能量小于逸出功時，則不能產(chǎn)生外光 電效應。 當光子能量恰好等于逸出功時，光電子的初 速度=0。 此時光子相應的單色光頻率為 ， 有,物質產(chǎn)生光電效應的最低頻率，該頻率的光對應的波

3、長也稱臨界波長。,2 內光電效應（光電導效應）,在光線照射下，物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn) 象。 大多數(shù)半導體和絕緣材料都具有光電導效 應，而半導體的光電導效應尤為顯著。 半導體材料的導電能力取決于其內部多數(shù)載流子 數(shù)目，在光線照射下半導體中的價電子受激發(fā)變?yōu)樽?由電子，因此參與導電的載流子數(shù)目增加，從而半導 體的導電率也隨之增加。,3 光生伏特效應,物體表面在光線照射下，內部會激發(fā)出電子，而 不逸出物體表面，仍留在物體內部，并按一定方向產(chǎn) 生光生電動勢的現(xiàn)象。 如光敏二極管、光敏三極管、光電池等。,3 光生伏特效應：,物體表面在光線照射下，內部會激發(fā)出電子，而不逸 出物體表面，仍留在物體內部，并

4、按一定方向產(chǎn)生光 生電動勢的現(xiàn)象。如光敏二極管、光敏三極管、光電 池等。,8.2 光電器件及其特點,一. 光電器件 根據(jù)光電效應制作的器件稱為光電器件，也稱光敏器 件。光電器件的種類很多，但其工作原理都是建立在 光電效應這一物理基礎上的。光電器件的種類主要有: 光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏 三極管、光電池、光電耦合器件。 下面就介紹這些光電器件的結構、工作原理、參數(shù)、 基本特性。,1. 光電管(外光電效應),光電管的典型結構如圖5.34 所示。由玻璃殼、兩個電極(光電陰極K和陽極A)、引出插腳等組成。,將球形玻璃殼抽成真空，在內半球面上涂上一層光電材料作為陰極K，球心放置小球

5、形或小環(huán)形金屬作為陽極A。 當陰極K受到光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極A吸引，朝陽極A方向移動，這樣就在光電管內產(chǎn)生了電子流，從而在外電路中便產(chǎn)生了電流。,2.光電倍增管：略,3. 光敏電阻（光電導效應）,1) 光敏電阻的工作原理與結構 光敏電阻是一種基于內光電效應制成的光電器件， 光敏電阻沒有極性，相當于一個電阻器件，光敏電阻 的外型與結構如圖5.40所示。,工作原理如圖5.39所示。在光敏電阻的兩端加直流或交流工作電壓的條件下，當無光照射時，光敏電阻電阻率變大，從而光敏電阻值(RG)很大，在電路中電流很??；當有光照射時，由于光敏材料吸收了光能，光敏電阻率變小，從而(RG)呈低阻

6、狀態(tài)，在電路中電流很大。光照越強，阻值越小，電流越大。當光照射停止時，RG又逐漸恢復高電阻值狀態(tài)，電路中只有微弱的電流。,2) 光敏電阻的主要參數(shù),暗電阻與暗電流。 暗電阻是指光敏電阻在不受光照射時的電阻值，此 時在給定工作電壓下，流過光敏電阻的電流稱為暗電 流。 亮電阻與亮電流。 光敏電阻在有光照射時的阻值，稱為該光照射下的 亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。 光電流。 光電流是指亮電流與暗電流的差值。顯然亮電阻與 暗電阻的差值越大，光電流越大，靈敏度也越高。,2） 光敏電阻的主要參數(shù),暗電阻 光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻， 此時流過的電流稱為暗電流。 亮電阻 光敏電阻在受光照射時

7、的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。 光電流 亮電流與暗電流之差,3) 光敏電阻的基本特性,伏安特性 伏安特性是指在一定的光照下，加在光敏電阻兩端的電壓和 光電流之間的關系。伏安特性曲線如圖5.41所示。,由圖可以看出，在外加電壓一定時，光電流的大小隨光照的增強而增加。在使用時光敏電阻受耗散功率的限制，其兩端的電壓不能超過最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線，由它可以確定光敏電阻的正常工作電壓。,光照特性,由圖可見，該曲線是非線性的。因此光敏電阻不宜作測量元件，而常在自動控制中用作光電開關。,光照特性是指外加電壓一定時，光敏電阻的光電流與光照強度之間的關系，光照特性曲線如圖5.42 所

8、示。,光譜特性,光譜特性是指在外加一定的電壓時，輸出電流與入射光波長之間的關系。光譜特性曲線如圖5.43所示。,由圖可知，不同材料制造的光敏電阻其光譜特性差別很大，某種材料制造的光敏電阻只對某一波長的入射光具有最高的靈敏度。,響應時間與頻率特性,由圖可知，光敏電阻的響應時間比較大，所以它不能用在要求快速響應的場合。,響應時間是指當光敏電阻受到光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零。頻率特性曲線如圖5.44所示。,溫度特性 溫度特性是指在一定的光照下，光敏電阻的阻值、靈敏度或光電流受溫度的影響。隨著溫度的升高，暗電阻和靈敏度都下降。溫度特性曲線如圖5.4

9、5所示。,光敏電阻的檢測 首先將萬用表置Rl k擋，其次置光敏電阻于光源近處，可測得光敏電阻的亮電阻；最后用黑布遮住光敏電阻的表面，可測得光敏電阻的暗阻值。若亮阻值為幾千歐到幾十千歐，暗阻值為幾兆歐至幾十兆歐，則說明是好的光敏電阻。,4. 光敏二極管和光敏三極管（光生伏特效應）,工作原理與結構 光敏二極管的結構與一般的二極管相似，其PN結對光敏感。將其 PN結裝在管的頂部，上面有一個透鏡制成的窗口，以便使光線集中在PN結上。光敏二極管是基于半導體光生伏特效應的原理制成的光電器件。光敏二極管的工作原理和結構如圖5.46 所示。,光敏三極管的工作原理和結構如圖5.47 所示，具有兩個PN結。當光照

10、射在基極-集電結上時，就會在集電結附近產(chǎn)生光生電子-空穴對，從而形成基極光電流。集電極電流是基極光電流的倍。這一過程與普通三極管放大基極電流的作用很相似。所以光敏三極管放大了基極光電流，它的靈敏度比光敏二極管高出許多。,光敏三極管的檢測 首先將萬用表置R lk擋，其次用黑布遮住光敏三極管的窗口，測量兩管腳間的正、反向電阻，均為無限大時，則為光敏三極管。置光敏三極管于光源近處，測量兩管腳間的正、反向電阻為幾千歐到幾十千歐，則說明是好的光敏三極管。萬用表指針向右偏轉越大說明其靈敏度越高。,光敏二極管和三極管的主要差別,光電流 光敏二極管一般只有幾微安到幾百微安，而光敏三極管一般都在幾毫安以上，至少

11、也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過1uA。 響應時間 光敏二極管的響應時間在100ns以下，而光敏三極管為510us。因此，當工作頻率較高時，應選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時，才選用光敏三極管。 輸出特性 光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。,5. 光電池（光生伏特效應）,1) 結構與工作原理 光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。電池的工作原理及符號如圖5.52所示。,硅光電池是在一塊N型(或P)硅片上，用擴散的方法摻入一些P型(或N)雜質，而形成一個大面積的PN結。當入射光照在PN結上時，PN結附近激發(fā)出電子

12、空穴對，在PN結勢壘電場作用下，將光生電子拉向N區(qū)，光生空穴推向P區(qū)，形成P區(qū)為正、N區(qū)為負的光生電動勢。若將PN結與負載相連接，則在電路上有電流通過。,2) 光電池的基本特性,光電池的光譜特性 光電池的光譜特性是指相對靈敏度和入射光波長之間的關系。如圖5.53 所示為硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線。,光電池的光照特性是指光生電動勢與照度之間的特性曲線。如圖5.54所示為硅光電池的光照特性曲線。從圖中可以看出，短路電流在很大范圍內與光照度成線性關系；開路電壓與光照度的關系是非線性的。,光電池的光照特性,光電池的頻率特性 光電池的頻率特性是指光的調制頻率和輸出電流之間的關系。圖5.55 給出了

13、光的調制頻率和輸出電流的關系曲線。,光電池的溫度特性 光電池的溫度特性是指光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系，如圖5.56所示。,從圖5.56中可以看出，開路電壓隨溫度增加而下降的速度較快，而短路電流隨溫度上升而增加的速度卻很緩慢。因此，用光電池作為敏感元件時，在自動檢測系統(tǒng)設計時就應考慮到溫度的漂移，需采取相應的措施進行補償。,總結,8.3 光電式傳感器的類型及應用,一類型 光電式傳感器基本上可分為模擬式光電傳感器和脈沖 式光電傳感器。 二.應用,1. 模擬式光電傳感器的應用 模擬式光電傳感器的作用原理是基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化，是光通量的函數(shù)。即對于光通量的任意一個選

14、定值，對應的光電流就有一個確定的值，而光通量又隨被測非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測非電量的函數(shù)，這類傳感器大都用于測量位移、表面粗糙度、振動等參數(shù)。,根據(jù)被測物、光源、光電器件三者之間的關系，模擬式光電傳感器通常有圖5.60所示的四種測量方式 ：,(1)吸收式：光源發(fā)射的光量穿過被測物。一部分光量由被測物吸收，剩余的光量照射到光電器件上，被吸收的光量與被測物透明度有關，如圖5.60(a)所示。典型應用如透明度計、濁度計等。 (2)反射式：光源發(fā)射的光量照射到被測物上，被測物將部分光反射到光電器件上，反射的光通量與反射表面的性質、狀態(tài)和光源間的距離有關，如圖5.60(b)所示。典型應用

15、傳感器與檢測技術如位移、振動測試、工件表面的粗糙度等。 (3)遮光式：光源發(fā)射的光量被測物遮去一部分，使作用在光敏器件上的光減弱，減弱程度與被測物在光學通路中的位置有關，如圖5.60(c)所示。典型應用如非接觸式測位置、工件尺寸測量等。 (4)輻射式：光源本射是被測物，被測物發(fā)出的光量投射到光電器件上，光電器件的輸出反映了光源的某些參數(shù)，如圖5.60(d)所示。典型應用如非接觸式高溫測量、光照度計等,例如，采用硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路如圖5.61所示。,硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1M，亮電阻為0.2M(光照度0.01W/m2下測試的)，峰值響應波長為2.2m。硫化鉛光敏電阻處于V

16、T1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6V，電流約為6A。VT1管集電極電阻兩端并聯(lián)68nF電容，可以抑制100Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。VT2、VT3構成二級負反饋互補放大器，火焰的閃動信號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值的變化不致于影響輸出信號的幅度，保證火焰報警器能長期穩(wěn)定地工作。,2. 脈沖式光電傳感器的應用,脈沖式光電傳感器的作用原理是光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”與“斷”的開關狀態(tài)，即光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。屬于這一類的大多是作為繼電器和

17、脈沖發(fā)生器應用的光電傳感器，如測量線位移、線速度、角位移、角速度的光電脈沖傳感器等。,1)光電式數(shù)字轉速測量,光電式數(shù)字轉速表工作原理如圖5.62 所示。在被測 轉速的電機上固定一個調制盤，將光源發(fā)出的恒定光 調制成隨時間變化的調制光。光線每照射到光電器件 上一次，光電器件就產(chǎn)生一個電信號脈沖，經(jīng)放大器 整形后記錄。,如果調制盤上開Z個缺口，調制盤每轉一周，光電器件接受光的次數(shù)等于盤上的開口數(shù)。設測量電路計數(shù)時間為T(s)，被測轉速為N(r/min)，則此時得到的計數(shù)值為：C=Z T N/60,為了使讀數(shù)C能直接讀轉速N值，一般取ZT=6010n (n=0, 1, 2),2）光敏管的應用,3）光電耦合器,光電耦合器的發(fā)光和接