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1、第三章第三章 光电传感器光电传感器 本章学习光电效应、光电元件的结构、本章学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应工作原理、特性以及光电传感器的各种应用。用。12/20/20221 1905年德国物理年德国物理学家爱因斯坦用光量学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发子学说解释了光电发射效应，并为此而获射效应，并为此而获得得1921年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖。学奖。12/20/20222 3.1 3.1 光电效应与光电传感器光电效应与光电传感器 用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为量为hf 的的光子的轰击。光子的轰击。
2、由于光线照射，引起材料内部的载流子和迁移率由于光线照射，引起材料内部的载流子和迁移率改变，从而导致材料电导率变化的现象称为改变，从而导致材料电导率变化的现象称为光电效应光电效应。外光电效应：外光电效应：在光线的作用下，能在光线的作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。光电效应。基于外光电效应的光电元件有基于外光电效应的光电元件有光电光电管管、光电倍增管光电倍增管、光电摄像管光电摄像管等。等。12/20/20223 紫外光电管紫外光电管 当入射紫外线当入射紫外线照射在紫外管阴极照射在紫外管阴极板上时，电子克服板上时，电子克服金属表面对它的束金属表面对它的束
3、缚而逸出金属表面，缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫形成电子发射。紫外管多用于紫外线外管多用于紫外线测量、火焰监测等。测量、火焰监测等。紫外线紫外线12/20/20224内光电效应：内光电效应：在光线的作用下，使物体的电阻率在光线的作用下，使物体的电阻率发生发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应光电导效应和和光光生伏特效应。生伏特效应。1)光电导效应光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到在光线作用下，电子
4、吸收光子能量从键合状态过渡到 自由状态，引起材料电导率的变化，这种现象被称为自由状态，引起材料电导率的变化，这种现象被称为 光电导效应。基于这种效应的光电器件有光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻。2)光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下在光线作用下,能够使物体产生一定方向的电动势，能够使物体产生一定方向的电动势，这种现象叫做光生伏特效应。基于这种效应的光电器这种现象叫做光生伏特效应。基于这种效应的光电器 件有件有光电池光电池和和光敏二极管光敏二极管、光敏三极管光敏三极管。12/20/202253.2 3.2 光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到光照当光敏电阻受到光照时，时，阻值
5、减小。阻值减小。光敏电阻是基于光电效应制成的光光敏电阻是基于光电效应制成的光敏元件，内部电阻随光照射变化。敏元件，内部电阻随光照射变化。12/20/20226有一个光感应窗，如果照射在感应窗上的有一个光感应窗，如果照射在感应窗上的光照光照强度发生变化强度发生变化，它的，它的阻值就会随之变化阻值就会随之变化。光敏电阻功能：把光敏电阻功能：把光照强弱光照强弱转换为光转换为光电阻电阻的大小。的大小。用途：做光控制用，测光照强度。用途：做光控制用，测光照强度。光敏电阻在电路图中的图形符号：光敏电阻在电路图中的图形符号：光敏电阻功能演示：光敏电阻功能演示：当光敏电阻受到光当光敏电阻受到光照时，光生电子照
6、时，光生电子空穴对增加，阻值空穴对增加，阻值减小，电流增大。减小，电流增大。暗暗电流（越小越好）电流（越小越好）12/20/20227光敏电阻的基本应用电路光敏电阻的基本应用电路串联电路串联电路 a）U与光照变化趋势相同的电路与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路与光照变化趋势相反的电路12/20/20228光敏电阻的基本应用电路光敏电阻的基本应用电路桥式电路桥式电路 电桥平衡条件电桥平衡条件RGRC=RARB 检测灵敏度由检测灵敏度由RB/RC决定决定RB=RC时灵敏度最高时灵敏度最高12/20/202293.3 3.3 光电二极管光电二极管 光电二极管也叫光敏二极管。光电
7、二极管也叫光敏二极管。光电二极管是一种将光能量光电二极管是一种将光能量变换为点能量的器件，它基变换为点能量的器件，它基于半导体的光生伏特效应。于半导体的光生伏特效应。将光电二极管的将光电二极管的PN 结设置结设置在透明管壳顶部的正下方，在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的光照射到光敏二极管的PN结结时，电子时，电子-空穴对数量增加，空穴对数量增加，光电流与照度成正比。光电流与照度成正比。12/20/202210光电二极管外形光电二极管外形 光电二极管阵列光电二极管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件元件的线性光电二极管阵列的线性光电二极管阵列，可用可用于分光镜。于分光镜。12/2
8、0/202211红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管红外发射红外发射/接收对管外形接收对管外形 PIN光电二极管光电二极管 PIN光电二极管是在光电二极管是在P区和区和N区之间插入一层电阻率很区之间插入一层电阻率很大的大的I层，从而减小了层，从而减小了PN结结的电容，提高了工作频率。的电容，提高了工作频率。12/20/202212APD光电二极管（雪崩光电二极管）光电二极管（雪崩光电二极管）雪崩光电二极管对光电雪崩光电二极管对光电流具有放大作用，具有流具有放大作用，具有高信噪比、高响应速度高信噪比、高响应速度等特点，可广泛应用于等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离微光信号检测、长距离光
9、纤通信、激光测距、光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。输和光电对抗系统。12/20/202213光电二极管的反向光电二极管的反向偏置接法偏置接法在没有光照时，由于二 极管反向偏置，所以反 向电流很小，这时的电 流称为暗电流，相当于 普通二极管的反向饱和 漏电流。当光照射在二极管的PN 结上时，在PN结附近产 生的电子-空穴对数量随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。12/20/202214光电二极管的反向偏置光电二极管的反向偏置接线图及光电特性演示接线图及光电特性演示 在没有光照时，由于二极管在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电反
10、向偏置，反向电流（暗电流）很小。流）很小。当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度与光照度成正比关系。成正比关系。光电光电二极二极管的反向管的反向偏置接法偏置接法UO+光照光照12/20/202215光敏二极管应用电路光敏二极管应用电路 利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成T TTL电平。电平。12/20/2022163.4 3.4 光电晶体管光电晶体管 光光电电晶体晶体管又称光敏三极管，由两管又称光敏三极管，由两个个PN结构成结构成。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光电二与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光电二极管高。极管高。多
11、数光多数光电电晶体管的基极没有引出晶体管的基极没有引出线线，只有只有正正负负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外相似，从外观观上很上很难难区区别别。12/20/202217光电晶体管类型光电晶体管类型光敏三极管有光敏三极管有PNP型和型和NPN型两种。其结构与一般型两种。其结构与一般三极管相似，只是它的发射极一边做的很大三极管相似，只是它的发射极一边做的很大,以扩大以扩大光的照射面积，且基极不接引线。当集电极加上正光的照射面积，且基极不接引线。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。PPN
12、NNPe b bc RL EecNNP12/20/202218 a)内部组成b)管芯结构c）结构简化图 1集电极引脚集电极引脚 2管芯管芯 3外壳外壳 4玻璃聚光镜玻璃聚光镜 5发射极引脚发射极引脚 6N+衬底衬底 7N型集型集电电区区 8SiO2保保护护圈圈 9集集电结电结 10P型基区型基区 11N型发射区型发射区 12发射结发射结 光电晶体管内部结构光电晶体管内部结构12/20/202219光电晶体管基本工作电路光电晶体管基本工作电路a)发射极输出形式b)集电极输出形式要求入射光信号于输出信号相位相同时采用要求入射光信号于输出信号相位相同时采用a)图；图；要求输出信号电平较大时采用要求输
13、出信号电平较大时采用b)图。图。12/20/202220光敏三极管光控继电器电路光敏三极管光控继电器电路 当无光照时，V1截止，I=0，则V2处于什么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与R b2位置上下对调，其结果如何？12/20/202221*基于光生伏特效应的光电元件基于光生伏特效应的光电元件 光电池光电池最简单的光电池：在最简单的光电池：在N型衬底上制造一薄层型衬底上制造一薄层P型层作型层作 为光照敏感面。为光照敏感面。当入射光子的能量足够大时，光生电子当入射光子的能量足够大时，光生电子空穴对的空穴对的的扩散运动使的扩散运动使N区带负电、区带负电、P区带正电。如果光照是区带正电。如
14、果光照是连续的，连续的，PN结两侧会有稳定的光生电动势输出。结两侧会有稳定的光生电动势输出。光敏面光敏面12/20/202222能提供较大电流的能提供较大电流的大面积光电池大面积光电池12/20/202223光电池在照度测量中的应用光电池在照度测量中的应用柔光罩柔光罩下面为圆形光电池下面为圆形光电池光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能硅光电池板太阳能硅光电池板太阳能赛车太阳能赛车12/20/202224太阳能发电太阳能发电光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用12/20/202225光电池的光电特性光电池的光电特性 一个典型的一个典型的硅光硅光电电池的光池的光电电特性特
15、性:1-1-开路电压曲线；开路电压曲线；2-2-短路电流曲线短路电流曲线 开路电压为开路电压为 对数特性对数特性短路电流为短路电流为 线性特性线性特性12/20/202226光电池的应用电路光电池的应用电路 光电池短路电流测量电路光电池短路电流测量电路 I/U 转换电路转换电路的的输输出出电压电压Uo与光电流与光电流I成正比。成正比。若光电池用于微光测量时，若光电池用于微光测量时，I可能较小，则应增可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调微调总的放大倍数。总的放大倍数。12/20/202227*光电传感器的应用光电传感器的应用 1.1.红
16、外线辐射温度计红外线辐射温度计红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下温度测量，测量范围可以从点以下温度测量，测量范围可以从-30 3000，是辐射温度计的发展趋势。是辐射温度计的发展趋势。耳温仪耳温仪温度计温度计12/20/202228红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量12/20/202229红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集集成成IC 温温度度测测量量利用红色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食）12/20/2022302.2.热
17、释电传感器在人体检测、报警中的应用热释电传感器在人体检测、报警中的应用 热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。红外线而输出电信号的传感器。12/20/202231热释电报警器热释电报警器菲涅尔菲涅尔透镜透镜设定按钮设定按钮高高分贝喇叭分贝喇叭12/20/202232热释电传感器应用热释电传
18、感器应用热释电传感器热释电传感器用于自动亮灯，用于自动亮灯，当然也可以用当然也可以用于防盗。于防盗。热释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围12/20/202233热释电感应灯热释电感应灯热释电传感器热释电传感器12/20/202234 3.3.光电式转速表光电式转速表 光电式转速表属光电式转速表属于反射式光电传于反射式光电传感器，它可以在感器，它可以在距被测物数十毫距被测物数十毫米外非接触地测米外非接触地测量其转速。量其转速。n=60(f/z)12/20/202235水泵水泵转速测量转速测量12/20/2022364.4.色标传感器色标传感器 色标传感器常用于色标传感器常用于检测特定色标
19、或物体上检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测标检测，而不是直接测量颜色。量颜色。色标传感器在流水线上检测色标传感器在流水线上检测产品的颜色产品的颜色12/20/2022375.光电自动门光电自动门自动门光电传感器自动门光电传感器放大图放大图有效检测区域有效检测区域12/20/202238由红外线发射元件与光敏接收元件组成。由红外线发射元件与光敏接收元件组成。其中，其中，光电断续器光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而至几十毫米，而光电开关光电开关的检测距离可达几
20、米至几米。的检测距离可达几米至几米。6.光电开关及光电断续器光电开关及光电断续器光电开关可分为遮断型和反射型两大类。光电开关可分为遮断型和反射型两大类。当有物体遮当有物体遮挡住光线挡住光线时，传感器时，传感器发出报警信发出报警信号，起保号，起保护、预警等护、预警等作用。作用。遮光报警遮光报警漫反射光电开关漫反射光电开关12/20/2022391.何为光电效应、光电导效应和光生伏特效应?2.基于外光电效应和内光电效应制成的光电传感器都有哪些？3.简述各类常用光电传感器的适用场合。4.利用光敏元件设计一个路灯控制系统，要求路灯可由外界的光照强度控制亮灭，画出具体电路并用文字说明所设计系统的具体工作过程。本章作业本章作业12/20/202240