第三章 光电传感器本章学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种 应用。*11905年德国物理学家爱因斯坦用光量 子学说解释了光电发 射效应，并为此而获 得1921年诺贝尔物理 学奖。 Date23.1 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 量为hf 的光子的轰击。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光电效应。外光电效应：在光线的作用下，能 使电子逸出物体表面的现象称为外 光电效应。基于外光电效应的光电元件有光电 管、光电倍增管、光电摄像管等。 Date3紫外光电管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Date4内光电效应：在光线的作用下，使物体的电阻率发生 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。 根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光 生伏特效应。 1)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，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敏电阻。 2)光生伏特效应在光线作用下,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 件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。Date53.2 光敏电阻 当光敏电阻受到光照 时， 阻值减小。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。Date6有一个光感应窗，如果照射在感应窗上的光照 强度发生变化，它的阻值就会随之变化。光敏电阻功能：把光照强弱转换为光电阻的大小。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：光敏电阻功能演示： 当光敏电阻受到光 照时，光生电子空穴对增加，阻值 减小，电流增大。暗电流（越小越好）Date7光敏电阻的基本应用电路串联电路 a）U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 Date8光敏电阻的基本应用电路桥式电路 电桥平衡条件RGRC=RARB 检测灵敏度由RB/RC决定 RB=RC时灵敏度最高Date93.3 光电二极管 光电二极管也叫光敏二极管。 光电二极管是一种将光能量 变换为点能量的器件，它基 于半导体的光生伏特效应。 将光电二极管的PN 结设置 在透明管壳顶部的正下方， 光照射到光敏二极管的PN结 时，电子-空穴对数量增加， 光电流与照度成正比。Date10光电二极管外形 光电二极管阵列包含1024个InGaAs元件 的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。Date11红外发射管红外接收管红外发射/接收对管外形 PIN光电二极管 PIN光电二极管是在P区和 N区之间插入一层电阻率很 大的I层，从而减小了PN结 的电容，提高了工作频率。Date12APD光电二极管（雪崩光电二极管）雪崩光电二极管对光电 流具有放大作用，具有 高信噪比、高响应速度 等特点，可广泛应用于 微光信号检测、长距离 光纤通信、激光测距、 激光制导等光电信息传 输和光电对抗系统。Date13光电二极管的反向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。 Date14光电二极管的反向偏置 接线图及光电特性演示 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 I与光照度 成正比关系 。 光电二极 管的反向 偏置接法UO+光照Date15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 TTL电平。 Date163.4 光电晶体管 光电电晶体管又称光敏三极管，由两个PN结构成。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光 电二极管高。多数光电电晶体管的基极没有引出线线，只有正负负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观观上很难难区别别。Date17光电晶体管类型光敏三极管有PNP型和NPN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,以扩大 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。PPNNNPebbcRLEecNNPDate18a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+ 衬底 7N型集电电区 8SiO2保护护圈 9集电结电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结 光电晶体管内部结构Date19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a)图； 要求输出信号电平较大时采用b)图。Date20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？Date21*基于光生伏特效应的光电元件光电池最简单的光电池：在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面。 当入射光子的能量足够大时，光生电子空穴对的 的扩散运动使N区带负电、P区带正电。如果光照是 连续的，PN结两侧会有稳定的光生电动势输出。光敏面Date22能提供较大电流的 大面积光电池Date23光电池在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池光电池在动力方面的应用太阳能硅光电池板太阳能赛车Date24太阳能发电光电池在人造卫星上的应用Date25光电池的光电特性 一个典型的硅光电电池的光电电特性: 1-开路电压曲线； 2-短路电流曲线 开路电压为 对数特性短路电流为 线性特性Date26光电池的应用电路光电池短路电流测量电路 I/U 转换电路的输输出电压电压 Uo与光电流I成正比。 若光电池用于微光测量时，I可能较小，则应增 加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调 总的放大倍数。 Date27* 光电传感器的应用 1.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 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。耳温仪温度计Date28红外线辐射温度计用于人体额温测量Date29红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集 成 IC 温 度 测 量利用红色激光瞄准被测 物（冷藏牛奶和面食）Date302.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。 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。 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。 Date31热释电报警器菲涅尔 透镜设定按钮高分贝喇叭Date32热释电传感器应用热释电传感器 用于自动亮灯， 当然也可以用 于防盗。热释电传感器 的感应范围Date33热释电感应灯热释电传感器Date343.光电式转速表 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 ) Date35水泵转速测量Date364.色标传感器 色标传感器常用于 检测特定色标或物体上 的斑点，它是通过与非 色标区相比较来实现色 标检测，而不是直接测 量颜色。色标传感器在流水线上检测 产品的颜色Date375. 光电自动门自动门光电传感器放大图有效检测区域Date38由红外线发射元件与光敏接收元件组成。 其中，光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米 至几十毫米，而光电开关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可分为遮断型和反射型两大类。当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。遮光报警漫反射光电开关Date391. 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Date40