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1、第8章 光电式传感器8.1 8.1 光电器件光电器件18.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.3 8.3 红外传感器红外传感器32概述 光电式传感器是将光通量转换为电量的一光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。件的光电效应。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。广泛的应用。8.1 光电器件 光
2、电器件是构成光电式传感器最主要的部光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电式传感器的工作原理如图件。光电式传感器的工作原理如图8-18-1所示：首所示：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。通过光电转换元件变换成电信号。图中图中x1表示表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表表示被测量在光传播过程中调制光量的检示被测量在光传播过程中调制光量的检 测方式测方式。图图8-1 8-1 光电式传感器的工作原理光电式传感器的工作原理8.1 光电器件8.1.1 8.1.1 光电效应光电效
3、应光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。光电效应和内光电效应两大类。1 1外光电效应外光电效应在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定：力由下式确定：式中：式中：h h普朗克常数，普朗克常数，6.62610 6.62610（JsJs）；）；光的频率（光的
4、频率（s s ）。）。8.1 光电器件若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量个电子逸出，则光子能量h必须超出逸出功必须超出逸出功A0，超，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即 （8-28-2）式中：式中：m电子质量；电子质量；v0电子电子逸出速度。逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。8.1 光电器件由式（由式（8-28-2）可知：光电子能否产生，取决
5、于光子的能量是）可知：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电子逸出功否大于该物体的表面电子逸出功A A0 0。不同物体具有不同的。不同物体具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光，成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。光强再大也不会产生光电子发射。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件，光电子逸出物体表
6、面具有初始动能，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。8.1 光电器件2 2内光电效应内光电效应受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。为以下两大类。光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种
7、效应的器件有光敏电阻等。种效应的器件有光敏电阻等。8.1 光电器件当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如图带上的电子将被激发到导带上去，如图8-28-2所示：所示：图图8-2 8-2 电子能级示意图电子能级示意图从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的
8、禁带电导材料的禁带宽度宽度Eg，即：，即：8.1 光电器件光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。光电池和光敏晶体管等。势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）接触的半导体和接触的半导体和PNPN结中，当光线照射其接触区结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。侧向光电效应侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电
9、效应。浓度梯度将会产生侧向光电效应。8.1 光电器件8.1.2 8.1.2 光电管光电管1 1结构与工作原理结构与工作原理 光电管是外光电效应的器件，光电管是外光电效应的器件，有真空光电管和充气光电管有真空光电管和充气光电管两类。两类。光电阴极通常是用逸出功小光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光壁上做成，其感光面对准光 图图8-3 8-3 光电管的结构光电管的结构的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子电子被具有正电位的
10、阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。流，在外电路就产生电流。8.1 光电器件2 2主要性能主要性能（1 1）光电管的伏安特性）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。电流之间的关系称为光电管的伏安特性。真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-48-4（a a）和（）和（b b）所）所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。示。它是应用光电传感器参数的主要依据。图图8-4 光电管的伏安特性光电管的伏安特性8.1
11、 光电器件（2 2）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为光电管的光照特性。的关系为光电管的光照特性。光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比称为光电管的灵敏度。称为光电管的灵敏度。8.1 光电器件（3 3）光电管光谱特性）光电管光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率红
12、限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。，因此它们可用于不同的光谱范围。即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。光电阴极。8.1 光电器件8.1.3 8.1.3 光电倍增管光电倍
13、增管1 1结构与原理结构与原理 光电倍增管也是基于光电倍增管也是基于外光电效应的器件。外光电效应的器件。由于真空光电管的灵由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，便研制了光电倍增管，其工作原理如图其工作原理如图8-58-5所所示。示。图图8-5 8-5 光电倍增管的外型和工作原理光电倍增管的外型和工作原理8.1 光电器件2 2主要参数主要参数（1 1）倍增系数倍增系数M倍增系数倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子等于各倍增电极的二次电子发射电子i的乘积。的乘积。如果如果n个倍增电极的个倍增电极的i都一样，则都一样，则M=i ，因此，阳极电，因此，阳极电流
14、流I为：为：M与所加电压有关，一般在与所加电压有关，一般在10 10 之间。如果电压有波之间。如果电压有波动，倍增系数也要波动，因此动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极的电压为般阳极和阴极的电压为1000V2500V，两个相邻的倍增，两个相邻的倍增电极的电压差为电极的电压差为50V100V。8.1 光电器件（2 2）阴极灵敏度和总灵敏度）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏
15、度。生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的放大倍数或总光电倍增管的放大倍数或总 灵敏度如图灵敏度如图8-68-6所示。极间所示。极间 电压越高，灵敏度越高；但电压越高，灵敏度越高；但 极间电压也不能太高，太高极间电压也不能太高，太高 反而会使阳极电流不稳。另反而会使阳极电流不稳。另 外，由于光电倍增管的灵敏外，由于光电倍增管的灵敏 度很高，所以不能受强光照度很高，所以不能受强光照 射，否则将会损坏。射，否则将会损坏。图图8-6 8-6 光电倍增管的特性曲线光电倍增管的特性曲线8.1 光电器件（3 3）光谱特性）光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料光电管的光谱特性很相似。光电倍增
16、管的光谱特性与相同材料光电管的光谱特性很相似。（4 4）暗电流及本底电流）暗电流及本底电流当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到电子，当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到电子，这时的电流称为暗电流，。这时的电流称为暗电流，。如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况下，出现如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况下，出现的电流称本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线的电流称本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的。本底电流具有脉冲
17、形式，因此也成为本底脉冲。管上而造成的。本底电流具有脉冲形式，因此也成为本底脉冲。8.1 光电器件8.1.4 8.1.4 光敏电阻光敏电阻1 1光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管，是内光电效应器件，它光敏电阻又称光导管，是内光电效应器件，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为电阻器以硫化隔制成，所以简称为CDSCDS。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏
18、电阻值（暗电阻）很大，电路中光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。电流（暗电流）很小。8.1 光电器件 当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。亮电阻在几千欧以下。图图8-78-7为光敏电阻的原理为光敏电阻的原理结构。结构。图图8
19、-7 8-7 光敏电阻结构光敏电阻结构8.1 光电器件2 2光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数（1 1）暗电阻暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。称为暗电流。（2 2）亮电阻）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。流称为亮电流。（3 3）光电流）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。8.1 光电器件3 3光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性（1 1）伏安特性伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏
20、电阻两端的电压的在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。关系称为光敏电阻的伏安特性。图图8-88-8为硫化镉光敏电阻为硫化镉光敏电阻 的伏安特性曲线。由图的伏安特性曲线。由图 可见，光敏电阻在一定可见，光敏电阻在一定 的电压范围内，其的电压范围内，其I-UI-U曲曲 线为直线，说明其阻值与线为直线，说明其阻值与 入射光量有关，而与电入射光量有关，而与电 压、电流无关。压、电流无关。图图8-8 8-8 硫化镉光敏电阻的伏安特性硫化镉光敏电阻的伏安特性8.1 光电器件（2 2）光谱特性）光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称光敏电阻的相对光敏灵
21、敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。为光谱特性，亦称为光谱响应。图图8-98-9为几种不同材料为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不敏电阻的灵敏度是不同的。同的。图图8-9 8-9 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性8.1 光电器件（3 3）光照特性）光照特性光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光强之间的关系，如图强之间的关系，如图8-108-10所示。所示。由于光敏电阻的光照由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，不宜作为测量元件，一
22、般在自动控制系统一般在自动控制系统中常用作开关式光电中常用作开关式光电信号传感元件。信号传感元件。图图8-10 8-10 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性8.1 光电器件（4 4）温度特性）温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的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。暗电阻和灵敏度都下降。温度变化影响光敏电温度变化影响光敏电阻的光谱响应，尤其阻的光谱响应，尤其是响应于红外区的硫是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度化铅光敏电阻受温度影响更大。图影响更大。图8-118-11为为硫化铅光敏电阻的光硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线谱温度特性曲线。图图8-11
23、 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线 8.1 光电器件（5 5）光敏电阻的响应时间和频率特性）光敏电阻的响应时间和频率特性实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，通常用时间常数通常用时间常数t t来描述，这叫做光电导的弛豫现象。所谓时间来描述，这叫做光电导的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停常数即为光敏电阻自停 止光照起到电流下降到原来止光照起到电流下降到原来 的的63%63%所需的时间，因此，所需的时间，因此，t 越小，响应越迅速，但大多数越小，响应越迅速，但大多数 光敏电阻的时间常数都
24、较大，光敏电阻的时间常数都较大，这是它的缺点之一。图这是它的缺点之一。图8-128-12所示所示为硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性。为硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性。图图8-12 8-12 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性8.1 光电器件4 4光敏电阻基本应用电路光敏电阻基本应用电路 在图在图8-138-13所示的电所示的电路中，我们利用光路中，我们利用光敏电阻将光线的强敏电阻将光线的强弱变为电阻值的变弱变为电阻值的变化，以达到光控制化，以达到光控制电路的目的。电路的目的。图图8-13 CDS 8-13 CDS 实验电路实验电路8.1 光电器件8.1.5 8.1.5 光敏二极管和光敏
25、晶体管光敏二极管和光敏晶体管1 1结构原理结构原理光敏二极管的结光敏二极管的结构与一般二极管构与一般二极管相似。它装在透相似。它装在透明玻璃外壳中，明玻璃外壳中，图图8-14 8-14 光敏二极管的结构原理光敏二极管的结构原理其其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图814（a）。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态）。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图（见图8-14（b）所示），在没有光照射时，反向电阻很大，）所示），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。反向电流很小，这反向电流称为暗电流。8.1 光电
26、器件 图图8-158-15为为NPNNPN型光型光敏晶体管的结构简敏晶体管的结构简图和基本电路。大图和基本电路。大多数光敏晶体管的多数光敏晶体管的基极无引出线，当基极无引出线，当集电极加上相对于集电极加上相对于 图图8-15 NPN8-15 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路型光敏晶体管结构简图和基本电路发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子压；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
27、增加，因此集电极电流是光生电流。由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电流的流的 倍，所以光敏晶体管有放大作用。倍，所以光敏晶体管有放大作用。8.1 光电器件2 2基本特性基本特性（1 1）光谱特性）光谱特性 光敏二极管和晶体管的光光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图谱特性曲线如图8-16所示。所示。从曲线可以看出，硅的峰从曲线可以看出，硅的峰值波长约为，锗的值波长约为，锗的峰值波长约为，峰值波长约为，此此 图图8-16 8-16 光敏晶体（二极）管的光谱光敏晶体（二极）管的光谱 特性时灵敏度最大，而当入射光的波长增加或缩短时，相对灵特性时灵敏度最大，而当入射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度
28、也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，锗管较为适宜。光进行探测时，锗管较为适宜。8.1 光电器件（2 2）伏安特性）伏安特性图图8-178-17为硅光敏为硅光敏管在不同照度下管在不同照度下的伏安特性曲线。的伏安特性曲线。从图中可见，光从图中可见，光敏晶体管的光电敏晶体管的光电流比相同管型的流比相同管型的二极管大上百倍。二极管大上百倍。图图8-17 8-17 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性8.1 光电器件
29、（3 3）温度特性）温度特性 光敏晶体管的光敏晶体管的温度特性是指温度特性是指其暗电流及光其暗电流及光电流与温度的电流与温度的关系。光敏晶关系。光敏晶体管的温度特体管的温度特 图图8-18 8-18 光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性性曲线如图性曲线如图8-188-18所示。从特性曲线可以看出，温度变化对所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大，所以在电子线光电流影响很小，而对暗电流影响很大，所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。差。8.1 光电器件光电池光电池光电池是在光线照射下，光
30、电池是在光线照射下，直接将光能转换为电能直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是有光线作用下实质就是电源，电路中有了这种电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应光生伏特效应”。图。图8-198-19为光电池的工作原理图。为光电池的工作原理图。图图8-19 8-19 光电池工作原理光电池工作原理8.1 光电器件1 1基本特性基本特性（1 1）光谱特性）光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。是不同的。图图8-20为硅光电池和为硅光电池和硒光
31、电池的光谱特性曲线。从图硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池，光中可知，不同材料的光电池，光 图图8-20 光电池的光谱特性谱光电池的光谱特性谱 响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池在附近，响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池在附近，硒光电池在附近。硅光电池的光谱响应波长范围为，而硒光硒光电池在附近。硅光电池的光谱响应波长范围为，而硒光电池的范围只能为。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内电池的范围只能为。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。得到应用。8.1 光电器件（2 2）光照特性）光照特性 光电池在不同光照度下，光电池在不同光照度下，光电流和光生电动
32、势是光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关不同的，它们之间的关系就是光照特性。图系就是光照特性。图8-218-21为硅光电池的开路为硅光电池的开路电压和短路电流与光照电压和短路电流与光照的关系曲线。的关系曲线。图图8-21 8-21 硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性8.1 光电器件（3 3）温度特性）温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控影响到测量精度或控制精度等重要指标，制精
33、度等重要指标，因此温度特性是光电因此温度特性是光电池的重要特性之一。池的重要特性之一。光电池的温度特性如光电池的温度特性如图图8-228-22所示。所示。图图8-22 8-22 硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性8.1 光电器件（4 4）频率特性）频率特性光电池的频率特性就是反光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池映光的交变频率和光电池输出电流的关系，如图输出电流的关系，如图8-238-23所示。从曲线可以看所示。从曲线可以看出，硅光电池有很高的频出，硅光电池有很高的频率响应，可用在高速计率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这数、有声电影等方面。这就是硅光电池在所以光电就是硅光电池
34、在所以光电元件中最为突出的优点元件中最为突出的优点。图图8-23 8-23 光电池的频率特性光电池的频率特性 8.1 光电器件 2 2应用电路应用电路光电池转换电路如图光电池转换电路如图8-248-24所示，能将光的照度转换为所示，能将光的照度转换为电压形式输出，本电路所使用的光电池，其外型是由电压形式输出，本电路所使用的光电池，其外型是由四个相同四个相同的光电池的光电池串联而成，串联而成，其开路电其开路电压约为压约为2V2V，短路电流短路电流约为约为Al x。图图8-24 8-24 光电池转换电路光电池转换电路8.1 光电器件 由光电池特性得知，光电池的由光电池特性得知，光电池的开路电压开路
35、电压Vop与入射光强度与入射光强度的对数成正比，成非线性关系，而短路电流的对数成正比，成非线性关系，而短路电流Ish却是与照却是与照度成正比，所以一般转换电路大都采用短路电流做转换，度成正比，所以一般转换电路大都采用短路电流做转换，而不采用开路电压。图而不采用开路电压。图8-24的的U1为一个电流为一个电流-电压转换电电压转换电路，可将光电池的短路电流转换成电压。因运算放大器路，可将光电池的短路电流转换成电压。因运算放大器有虚接地的特性，且光电池接在运算放大器的正负两端有虚接地的特性，且光电池接在运算放大器的正负两端相当于光电池短路。又因运算放大器的输入电流几乎为相当于光电池短路。又因运算放大
36、器的输入电流几乎为零，所以全部的零，所以全部的Ish流到流到R6与与R7，使，使U1的输出电压的输出电压V1=Ish(R6+R7)。所以可调整。所以可调整R7的大小，使得输出电压为的大小，使得输出电压为1mVl x，这种调整方式，称为扩展率调整，这种调整方式，称为扩展率调整(Span adjust)。8.1 光电器件若现场含有若现场含有AC110V，60Hz的交流成分存在。由的交流成分存在。由R8(10K)，C1(10F)所组成的低通滤波器，可将所组成的低通滤波器，可将120Hz的交流成分滤除，使得转换电路的输出电压为平均照的交流成分滤除，使得转换电路的输出电压为平均照度的电压信号。而度的电压
37、信号。而U2为一电压跟随器（为一电压跟随器（AV1），作为），作为缓冲器。缓冲器。8.1 光电器件8.1.7 8.1.7 光电耦合器件光电耦合器件光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实等。根据其结构
38、和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。光电开关。8.1 光电器件1 1光电耦合器光电耦合器光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。耦合器常见的组合一般有金属封装和塑料封装两种。耦合器常见的组合形式如图形式如图8-258-25所示。所示。图图8-25 8-25 光电耦合器组合形式光电耦合器组合形式8.1 光电器件2 2光电开关光电开关光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进
39、行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出得最终的控制输出“开开”、“关关”信号的器件。信号的器件。图图8-26 8-26 光电开关的结构光电开关的结构8.1 光电器件图（图（a a）是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接）是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样起到检测作用。图（发光元件的光，这样起到检测作用。图（b b
40、）是一种反）是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与点是小型、高速、非接触，而且与TTLTTL、MOSMOS等电路等电路容易结合。容易结合。8.1 光电器件用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有用光电开关检测物体时，大部分只要
41、求其输出信号有“高高-低低”（1-01-0）之分即可。图）之分即可。图8-278-27是基本电路的示例。是基本电路的示例。（a a）、（）、（b b）表示负载为）表示负载为CMOSCMOS比较器等高输入阻抗电比较器等高输入阻抗电路时的情况，（路时的情况，（c c）表示用晶体管放大光电流的情况。）表示用晶体管放大光电流的情况。图图8-27 8-27 光电开关的基本电路光电开关的基本电路光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。中作光控制和光探测装置。8.1 光电器件电荷耦合器件电荷耦合器件电荷耦合器件（电荷耦合器件
42、（Charge Couple DeviceCharge Couple Device，简称，简称CCDCCD）是一种金属氧化物半导体（是一种金属氧化物半导体（MOSMOS）集成电路器件。）集成电路器件。它以电荷作为信号，基本功能是进行电荷的存储和它以电荷作为信号，基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移。电荷的转移。CCDCCD自自19701970年问世以来，由于其低噪年问世以来，由于其低噪声等特点而发展迅速，广泛应用于在微光电视摄像、声等特点而发展迅速，广泛应用于在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。信息存储和信息处理等方面。8.1 光电器件.CCD.CCD原理原理构成构成CCDCCD的基本单
43、元是的基本单元是MOSMOS电容器，如电容器，如8-268-26所示。与其所示。与其它电容器一样，它电容器一样，MOSMOS电容器能够存储电荷电容器能够存储电荷 。图图8-26 MOS8-26 MOS电容的结构电容的结构图图8-28 MOS8-28 MOS电容的结构电容的结构8.1 光电器件如果如果MOSMOS电容器中的半导体是电容器中的半导体是P P型硅，当在金属电极上型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，如图于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，如图8-298-29所示，成为
44、蓄积电荷的场所。所示，成为蓄积电荷的场所。图图8-29 8-29 势阱的形成势阱的形成8.1 光电器件图图8-308-30为三相为三相CCDCCD时钟电压与电荷转移的关系。时钟电压与电荷转移的关系。图图8-30 8-30 三相三相CCDCCD信息电荷传输原理图信息电荷传输原理图8.1 光电器件CCDCCD输出端有浮置扩散输出端和浮置栅极输出端两种形输出端有浮置扩散输出端和浮置栅极输出端两种形式，如图式，如图8-318-31所示。所示。图图8-31 CCD8-31 CCD的输出端形式的输出端形式2 2CCDCCD的应用（的应用（CCDCCD固态图像传感器）固态图像传感器）电荷耦合器件用于固态图像
45、传感器中，作为摄像或像敏的器电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器件。件。CCDCCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的光部分是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称阵列元件，光敏单元简称“像素像素”。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元的光学图像转换成电信号单元的光学图像转换成电信号“图像图像”，即将光强的空间分，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分
46、布，然布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像图像”转送，经输转送，经输出放大器输出。出放大器输出。8.1 光电器件根据光敏元件排列形式的不同，根据光敏元件排列形式的不同，CCDCCD固态图像传感器固态图像传感器可分为线型和面型两种。可分为线型和面型两种。（1 1）线型线型CCDCCD图像传感器图像传感器典型的线型典型的线型CCDCCD图像传感器由一列光敏元件和两列电图像传感器由一列光敏元件和两列电荷转移部件组成，在它们之间设置一个转移控制栅，荷转移部件组成，在它们之间设置一个转移控制栅，如图如图8-328-
47、32所示。所示。图图8-32 8-32 线型线型CCDCCD图像传感器图像传感器8.1 光电器件8.1 光电器件（2 2）面型）面型CCDCCD图像传感器图像传感器按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成面型成二维阵列，即可以构成面型CCDCCD图像传感器。面型图像传感器。面型CCDCCD图像传感器有三种基本类型：线转移、帧转移和图像传感器有三种基本类型：线转移、帧转移和隔列转移。如图隔列转移。如图8-338-33。图图8-33 8-33 线转移面型线转移面型CCDCCD的结构图的结构图 8.1 光电器件图图8-33 8
48、-33 帧转移面型帧转移面型CCDCCD的结构图的结构图 图图8-33 8-33 隔离转移型隔离转移型 CCDCCD的结构图的结构图 8.1 光电器件光电传感器的应用光电传感器的应用1 1基于光敏传感器的便携式照度计基于光敏传感器的便携式照度计 1)1)简单照度计设计简单照度计设计光敏二极管的输出电流与照度成正比。所谓照度，就光敏二极管的输出电流与照度成正比。所谓照度，就是单位感光面积上的光通量的大小，单位是是单位感光面积上的光通量的大小，单位是1m/m 1m/m 。因此，照度计是光敏二极管的最基本电路。除此之外因此，照度计是光敏二极管的最基本电路。除此之外的测光方法虽然还有很多，但都是首先将
49、它们变换成的测光方法虽然还有很多，但都是首先将它们变换成感光面的照度进行测量的。感光面的照度进行测量的。8.1 光电器件作为照度计使用的光敏二极管必须具备的条件包括：作为照度计使用的光敏二极管必须具备的条件包括：分光灵敏度必须符合标准的相对可见度曲线分光灵敏度必须符合标准的相对可见度曲线;角度特性必须符合照度的余弦法则角度特性必须符合照度的余弦法则;与入射光相对应的输出电流必须具有良好的直线与入射光相对应的输出电流必须具有良好的直线 性好的稳定性等。性好的稳定性等。所谓照度的余弦法则，就是当光源与感光面相连接的所谓照度的余弦法则，就是当光源与感光面相连接的直线同感光面的法线之间构成直线同感光面
50、的法线之间构成角时，照度减少到入角时，照度减少到入射光垂直照射时照度的射光垂直照射时照度的cos倍倍。8.1 光电器件图图8-348-34是一个照度是一个照度计实验电路，使用计实验电路，使用BS500BBS500B光敏二极管，光敏二极管，用普通的运算放大用普通的运算放大器构成电流器构成电流-电压转电压转换电路。换电路。图图8-34 8-34 照度计的实验电路照度计的实验电路8.1 光电器件BS500BBS500B的输出电流是每的输出电流是每100 1x100 1x为，也就是说。因此，如为，也就是说。因此，如果运算放大器的反馈电阻果运算放大器的反馈电阻R RF F取为取为180k180k，那么就