第三章 光敏传感器及应用技术梁长垠 教授 Professor Liang第三章 光敏传感器及应用技术教学目的： 1、了解光敏传感器的作用、分类和使用 方法； 2、熟悉常用光敏传感器的特点及应用范 围； 4、掌握常用光敏传感器的工作原理及使 用方法； 5、学会正确选用光敏传感器的方法。第三章 光敏传感器及应用技术教学重点： 1、光敏传感器特点与选用； 2、光敏传感器原理及接口电路设计方法。 教学难点： 1、光温敏传感器工作原理； 2、光敏传感器应用电路分析与设计方法； 教学方法： 1、引导文教学法 2、引探教学法 3、头脑风暴法问题思考： 1、光敏传感器的作用是什么？ 2、常用的光敏传感器有哪些种？各自的原理是 什么? 3、何为光电效应？可见光的波长范围是多少? 4、光敏电阻的阻值由什么因素决定？ 5、光敏二极管工作在什么状态？ 6、光电池的的原理是什么？ 7、光电开关在日常生活和工业生产中有哪些应 用？ 8、举出20种以上光敏传感器的应用场景。第三章 光敏传感器及应用技术第三章 光敏传感器及应用技术 第一节 光敏传感器基础知识 光谱与光度单位 光电效应与光敏器件 第二节 常用光敏传感器工作原理光敏传感器组成与工作原理光敏电阻光敏二、三极管光电池红外热释电传感器 第三节 光敏传感器应用电路分析与训练 光电开关报警电路设计 人体脉搏测量电路设计一、光敏传感器基础知识1.光谱可见光的光谱范围：380780nm对应光色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫第一节 光敏传感器基础知识一、光敏传感器基础知识 2.光度单位光通量：单位时间内产生光感的能量之和发光强度：光源在某一给定方向的单位立 体角内发射的光通量发光效率：发射光通量与消耗电功率比值照度：单位被照面积上接收到的光通量亮度：视角方向上单位面积的发光强度第一节 光敏传感器基础知识二、光敏器件与光电效应1.光敏器件把光信号转换为电信号的一种元器件。常用的光敏器件有：光敏电阻、光敏二极管、 光敏三极管、光电池、热释电红外热敏器件等。光敏器件的工作基础是光电效应。2.光电效应光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变 化的物理现象。3.光电效应的分类第一节 光敏传感器基础知识光电效应外光电效应 内光电效应二、光敏器件与光电效应1）外光电效应在光线作用下使电子逸出物质表面的现象。其中向外发射的电子称为光电子，能够承受光电效应 的物质称为光电材料。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增 管（将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。 ）等器件图第一节 光敏传感器基础知识二、光电效应与光敏器件2）内光电效应在光线作用下所产生的载流子（自由电子或空穴 ）仍在物质内部运动，使物质的电阻率发生变化 产生光电流或光生伏特的现象，称为内光电效应 。内光电效应又可分为：光电导效应 光生伏特效应 红外热释电效应第一节 光敏传感器基础知识二、光敏器件与光电效应（1）光电导效应当入射光子射入到半导体时，半导体吸收入射光 子产生电子空穴对，使其电导率增大。基于这种效应的器件有光敏电阻。（2）光生伏特效应在光作用下能使物体产生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二/三极管。（3）热释电效应一些晶体受到红外线热辐射转化为热量时，两端 会产生数量相等、极性相反的电荷，这种由热变 化产生的电极化现象称为热释电效应。能够承受热电效应的晶体称为热释电元件.第一节 光敏传感器基础知识一、光敏电阻1.基本概况与参数 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。 暗电阻：光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电 阻, 此时流过的电流称为亮电流。 光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻1.基本概况与参数 无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中 电流（暗电流）很小。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。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时 光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值 一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。 第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻2.光敏电阻特点 光谱响应范围宽（特别是对红光和红外辐射）； 偏置电压低，工作电流大； 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； 光电导增益大，灵敏度高； 无极性，使用方便； 在强光照射下，光电线性度较差 光电响应时间较长，频率特性较差。第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻3.光敏电阻基本特性伏安特性光照特性光谱特性响应时间和频率特性温度特性第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻 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。第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻 光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系 第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻光谱特性光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻 响应时间和频率特性n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。n通常用响应时间t表示。 第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻 温度特性n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。第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻4.光敏电阻材料、结构、分类与工作原理制作材料：半导体：硫化镉、硫化铅、硫化铊、 硫化铋、硒化隔、硒化铅、碲化铅等结构与分类紫外、红外、可见光光敏电阻工作原理 第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻5.光敏电阻用电路分析感光灯电路第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管 1.概述光敏二极管又称光电二极管，是一种光电转换器件 ，原理是利用PN结的光生伏特效应，即光照到PN结 上时，PN结吸收光能，产生电动势的现象。基本结构：结构与一般二极管相似。 在透明玻璃外壳中，PN结装在管的顶部 ，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工 作状态，在没有光照射时反向电流很小， 称为暗电流；有光照的电流较大，称为光 电流。光的照度越大，光电流越大。 第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管2.光敏二极管基本特性(1) 光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好，在小 负载电阻下其光电流与照度基本成线性关系。 第二节 常用光敏传感器工作原理(2) 光谱特性第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管2.光敏二极管基本特性(3) 伏安特性 当反向偏压较低时，光电流 随电压变化比较敏感，这是 由于反向偏压加大了耗尽层 的宽度和电场强度。随反向 偏压的加大，对载流子的收 集达到极限，光生电流趋于 饱和，这时光生电流与所加 偏压几乎无关，只取决于光 照强度。第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管2.光敏二极管基本特性（1）当光敏二极管加上反向电压 管子中的反向电流随着光照强度的 改变而改变，光照强度越大，反向 电流（光电流）越大，大多数都工 作在这种状态。 （2）光敏二极管上不加反向电压 利用PN结在受光照时产生正向电 压的原理，把它用作微型光电池。 这种工作状态，一般作光电检测器第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管3.光敏二极管两种工作状态有光照时，T1、T2导通，继电器线圈带电，常闭触点断开，灯不亮。光线较暗时，T1、T2截止，继电器线圈失电，常闭触点闭合，灯亮。路灯控制电路第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管4.光敏二极管应用电路分析第二节 常用光敏传感器工作原理三、光敏三极管1.光敏三极管概述光敏晶体管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏 晶体管有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用发射结 作为受光结，基极无引出线，因此，光敏晶体实质上是一 种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的三极管。当光照射到 PN 结附近时，由于光生伏特效应，产生光电 流。光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。IpIcIE第二节 常用光敏传感器工作原理三、光敏三极管2.光敏三极管特性光敏三极管特性与光敏二极管相似3.光敏三极管应用电路分析第二节 常用光敏传感器工作原理四、光电耦合器与光电断路器1.光电耦合器光电耦合器是将发光元件和光敏元件合并使用并 集成在一起，以光为媒介实现信号传递的光电器件 。发光元件常采用砷化镓发光二极管，光敏元件可以是光敏二极管或光敏晶体管主要作用：实现电-光-电信号转换，实现信号隔离 。第二节 常用光敏传感器工作原理四、光电耦合器与光电断路器2.光电断路器光电断路器是将发光元件和光敏元件合并使用并 相互隔开，以光为媒介实现信号传递的光电器件。主要作用：光电开关、产品计数等第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池1.光电池分类、结构光电池（photovoltaic cell），是一种在光的照 射下产生电动势的半导体元件。用于光电转换、光 电探测及光能利用等方面。光电池种类很多：硅光电池、硒光电池、锗光电池 、硫化镉光电池、砷化镓光电池等硅光电池是在一块N型 硅片上，用扩散方法 掺入一些P型杂质形成 PN结。第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池2.光电池原理入射光照射在PN结上时，弱光子能量大于半导体材 料的禁带宽度，则在PN结内部产生电子-空穴对， 在内电场作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区 ，使P型区带正电，N型区带负电，PN结产生电势。第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池3.光电池外形第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池4.光电池特性(a) 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。 第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池4.光电池特性(b) 光谱特性光电池对不同波 长的光，灵敏度 是不同的。第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池4.光电池特性(c) 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。 第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池4.光电池特性(d) 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)第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池5.光电池应用（1）光电池作光伏器件，利用光伏作用直接把太阳 能转换成电能，即太阳能电池（2）光电池作光电转换器件，用于光电检测与指导 控制系统中第二节 常用光敏传感器工作原理六、红外热释电传感器1.概述（1）红外辐射红外辐射本质上时一种热辐射。任何物体，只要 它的温度高于决定零度（-273度），就会向外发射 红外线。（2）红外传感器分类光电型热电型（热释电红外传感器）（3）热释电红外传感器的热释电效应由于温度变化引起电介质表面产生的电极化现象 第二节 常用光敏传感器工作原理六、红外热释电传感器2.红外热释电传感器结构第二节 常用光敏传感器工作原理3.红外热释电传感器人体感应报警电路BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制 器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的 数模混合专用集成电路。具有较高性能的传感信号 处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外 接元器件构成被动式的热释电红外开关。第二节 常用光敏传感器工作原理4.红外热释电传感器人体入侵检测应用电路RP电位器为灵