第9章光電式傳感器2023/7/71引言光電式傳感器是把被測物理量的變化先轉換成光信號的變化，然后再通過光電轉換元件把光信號變換成電信號的一種傳感器。光電式傳感器的測量方法靈活多樣，并且具有使用方便、非接觸、高精度、高分辨力、高可靠性和反應快等一系列優點，因而發展十分迅速，而且隨著激光、光柵、光導纖維、CCD等器件的相繼問世，光電傳感器在檢測及自動控制領域中得到了更廣泛的應用。2023/7/729.1.1光電效應所謂光電效應是指在光的照射下一些金屬、金屬氧化物或半導體材料釋放電子的現象。光子是具有一定能量的微粒，是以光速運動的粒子流。每一個光子都具有一定的能量，它的能量大小E與其頻率

成正比。9.1光電傳感器2023/7/739.1.1光電效應光電效應分為內光電效應和外光電效應。當物體在光的作用下所釋放的電子沒有逸出物體表面，而只在物體的內部運動并使物體的電學特性發生變化的現象叫做內光電效應，內光電效應多產生于半導體材料內。當物體在光的作用下使物體中的電子從物體表面逸出的現象，叫做外光電效應，外光電效應多發生于金屬或金屬氧化物內。2023/7/74特點光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。不同顏色的光子由于其光波頻率不同其能量也是不同的，綠光光子比紅光光子具有更多的能量，照射在物體上可看作是一連串具有能量為E的粒子轟擊在物體上。光子與物質間的連接體是電子。2023/7/759.1.2外光電效應器件光電管2023/7/769.1.2外光電效應器件光電管的伏安特性曲線2023/7/779.1.2外光電效應器件光電管的光照特性2023/7/789.1.2外光電效應器件光電管的光譜特性曲線2023/7/799.1.2外光電效應器件光電倍增管2023/7/7109.1.2外光電效應器件光電倍增管的工作原理

基于外光電效應、二次電子發射和電子光學基礎上。在光電倍增管的各倍增電極D1、D2、D3…和陽極上，依次有逐漸增高的正電壓，即陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高，而且相鄰兩極之間電壓應使二次發射系數大于1。在入射光作用下，光電陰極發射的光電子在D1電場作用下，以高速向倍增電極D1打去，產生二次發射，于是更多的二次發射電子又在D2電場作用下，射向第二倍增電極，激發更多的次發射電子，如此下去，一個光電子將激發更多的二次發射電子，如此不斷倍增，最后陽極收集到的電子數將達到陰極發射電子數的105～106倍，即光電倍增管的放大倍數可達到幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬到幾百萬倍。因此，在很微弱的光照下，光電倍增管也能產生很大的光電流。2023/7/7119.1.2外光電效應器件光電倍增管的主要參數

（1)倍增系數M。（2)光電陰極靈敏度和光電倍增管的總靈敏度。2023/7/7129.1.3內光電效應器件光電倍增管的主要參數

（1）倍增系數M。（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管的總靈敏度。2023/7/7131．光敏電阻光敏電阻又稱光導管，是一種均質半導體光電元件。它具有靈敏度高、光譜響應范圍寬、體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等特點2023/7/714（1）光敏電阻的原理和結構。光敏電阻受到光照時，由于內光電效應，因而其導電性能增強而電阻R0值下降，所以流過負載電阻RL的電流及其兩端電壓會發生變化。一般而言，光線越強，電流越大。當光照停止時，光電效應會立即消失，電阻又恢復原值。2023/7/715光敏電阻

當光敏電阻受到光照時，阻值減小。2023/7/716（2）光敏電阻的基本特性和主要參數。光敏電阻的伏安特性。光敏電阻的伏安特性2023/7/717光敏電阻的光照特性光敏電阻的光譜特性。2023/7/718光敏電阻的頻率特性暗電阻、亮電阻與光電流。光敏電阻在受到光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。在沒有受到光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流被稱為暗電流。2023/7/719光敏電阻的溫度特性。2023/7/7202．光敏晶體管光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管，它們的工作原理是基于內光電效應。光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，目前廣泛應用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機轉速的檢測、光電讀出裝置等場合。光敏晶閘管主要應用于光控開關電路2023/7/721（1）光敏晶體管結構與工作原理①光敏二極管。通常處于反向偏置狀態。當沒有光照射時，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。1—負極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡5—正極引腳6—N型襯底7—SiO2保護圈

8—SiO2透明保護層9—鋁引出電極10—P型擴散層11—PN結12—金屬引出線2023/7/722光敏二極管外形

光敏二極管陣列

包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。2023/7/723紅外發射、接收對管外形

紅外發射管紅外接收管2023/7/724②光敏三極管集電極電流是原始光電電流的β倍。因此，光敏三極管比光敏二極管的靈敏度高許多倍。光敏三極管2023/7/725②光敏三極管外形

2023/7/726③光敏晶閘管光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管光敏晶閘管的特點是工作電壓很高，有的可達數百伏，導通電流比光敏三極管大得多，因此輸出功率很大，在自動檢測控制和日常生活中應用會越來越廣泛。2023/7/727光敏晶閘管外形光敏面2023/7/728（2）光敏晶體管的基本特性。①光譜特性。

2023/7/729②伏安特性2023/7/730③光敏晶體管的光照特性2023/7/731

④光敏晶體管的溫度特性2023/7/732⑤光敏晶體管的頻率特性2023/7/733.電池光電池的工作原理是基于光生伏特效應，當光照射到光電池上時，可以直接輸出光電流。常用的光電池有兩種，一種是金屬—半導體型，另一種是PN結型，如硒光電池、硅光電池、鍺光電池等。2023/7/734硅光電池的結構及工作原理用導線連接P區和N區，電路中就有電流流過2023/7/735光電池外形光敏面2023/7/736能提供較大電流的大面積光電池外形2023/7/737光電池在動力方面的應用（續）光電池在人造衛星上的應用2023/7/738典型的光電開關結構1—發光元件2—接收元件3—殼體

4—導線5—反射物6—窗體2023/7/739

光電開關外形2023/7/740應用范圍用光電開關檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高—低”之分即可。2023/7/741光電開關廣泛應用于工業控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。可在自控系統中用作物體檢測、產品計數、料位檢測、尺寸控制、安全報警及計算機輸入接口等用途。2023/7/7429.1.4光電傳感器的應用1、煙塵濁度監測儀煙囪里的煙塵濁度是通過光在煙囪里傳輸時的變化大小來檢測的。如果煙塵濁度增加，那么光源發出的光被煙塵顆粒的吸收和折射就會增加，使到達接收端的光減少，因而光檢測器輸出的信號就會減弱；反之，煙塵濁度減少，光檢測器輸出的信號就會增強。2023/7/7439.1.4光電傳感器的應用吸收式煙塵濁度檢測儀框圖2023/7/7449.1.4光電傳感器的應用2、光電轉速傳感器

如圖所示為在待測轉速軸上固定一帶孔的轉盤，在轉盤一邊由白熾燈產生恒定光，透過盤上小孔到達由光敏晶體管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速由該脈沖頻率決定。2023/7/7459.1.4光電傳感器的應用光電脈沖轉換電路2023/7/7469.2紅外傳感器紅外傳感器是用來檢測物體紅外輻射的敏感器件。所謂紅外輻射就是紅外光，紅外光是太陽光譜的一部分，其波長范圍為0.76～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置。工程上又把紅外線所占據的波段分為四部分：近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外。2023/7/7479.2.1紅外輻射的基本定律1、斯忒藩—玻爾茲曼定律物體溫度越高，它輻射出來的能量就越大，