鐵道機車專業教學資源庫檢測與傳感技術任務6.1光敏傳感器任務6.2光電池項目6光電傳感器任務6.3光電管傳感器在保證軌道交通安全上的一個重要應用是屏蔽門，過去曾多次出現過將乘客夾在屏蔽門和列車門之間的事故，現在越來越多的軌道交通車站正在安裝或計劃安裝紅外傳感器或光傳感器。光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它是各種光電檢測系統中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。光電傳感器它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態的識別等。具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。光電傳感器原理：是將被測量的變化轉換成光量的變化，再通過光電元件把光量的變化轉換成電信號的一種測量裝置。光電傳感器的構成：光源、光學通路、光電元件。光電傳感器6.1光敏傳感器電磁波光是一種頻率較高的電磁波（光的電磁理論）。能引起人們視覺的為可見光，不能引起人們視覺但可借助儀器檢測出來的包括紅外線、紫外線、無線電波、γ射線等。不同范圍的電磁波其頻率、能量、特性均不同。可見光是電磁波譜中人眼可以感知的部分，可見光譜沒有精確的范圍；一般人的眼睛可以感知的電磁波的波長在400～760nm之間，但還有一些人能夠感知到波長大約在380～780nm之間的電磁波。正常視力的人眼對波長約為555nm的電磁波最為敏感，這種電磁波處于光學頻譜的綠光區域。不少其他生物能看見的光波范圍跟人類不一樣，例如包括蜜蜂在內的一些昆蟲能看見紫外線波段，對于尋找花蜜有很大幫助。光敏傳感器光敏傳感器可見光：波長380—780nm紫外線：波長10—380nm波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠紫外線波長10—200nm稱為極遠紫外線紅外線：波長780—106nm波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠紅外線光敏傳感器光電效應是指一些金屬、金屬氧化物、半導體材料在光的照射下釋放電子的現象。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發生相應的電效應。光電效應按其作用原理可分為外光電效應和內光電效應。光電效應概述1905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發射效應，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。光電效應概述外光電效應在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應。向外發射的電子叫做光電子。基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hγh—普朗克常數，6.626×10-34J·s；γ—光的頻率（s-1）根據愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現為逸出電子的動能。外光電效應多發生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據能量守恒定理

式中m—電子質量；9.1×10-31kgv—電子逸出速度W—電子逸出功該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。外光電效應當光照射在物體上，使物體的電阻率(ρ)發生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，它多發生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類。（1）光電導效應內光電效應在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。（2）光生伏特效應在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。勢壘效應（結光電效應）

接觸的半導體和PN結中，當光線照射其接觸區域時，產生光電動勢的現象，稱為結光電效應。以PN結為例，光線照射PN結時，設光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下，被光激發的電子移向N區外側，被光激發的空穴移向P區外側，從而使P區帶正電，N區帶負電，形成光電動勢。加偏壓的PN結不加偏壓的PN結內光電效應利用物質在光的照射下電導性能改變（ρ）或產生電動勢的光電器件稱內光電效應器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。光敏電阻光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻可在直流電壓下工作，也可在交流電壓下工作。優點：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。不足：需要外部電源，有電流時會發熱。內光電效應材料：金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導體。半導體的導電能力取決于半導體載流子數目的多少。當光敏電阻受到光照時,產生自由電子和空穴。光照越強,阻值就越低。入射光消失,電子-空穴對逐漸復合。光敏電阻光敏電阻結構符號（a）光敏電阻結構（b）電極（c）連接電路光敏電阻外形及結構當光敏電阻受到光照時，兩個電極之間的阻值減小。光敏電阻當光敏電阻受到光照時，光生電子-空穴對增加，阻值減小，電流增大。無光照時的電流稱為暗電流光照產生的電流稱為亮電流光敏電阻原理演示光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應可從紫外區到紅外區范圍內。而且體積小、重量輕、性能穩定、價格便宜，因此應用比較廣泛。光敏電阻光敏電阻的主要參數和基本特性暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ,甚至高達100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。光敏電阻（2）伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。U/V501001502001202040I/μA光敏電阻（3）光照特性在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統中用作光電開關。光敏電阻的光照特性曲線光敏電阻光通量的單位為“流明”(4)光譜特性照射光的波長與光電流之間的關系叫光譜特性。由實驗可知,對于不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。從圖中可以看出，硫化鎘的峰值在可見光區域，而硫化鉛的峰值在紅外區域。因此，在選用光敏電阻時應當把元件和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的結果。光敏電阻（5）頻率特性實驗證明，光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數表示。大多數的光敏電阻時間常數都較大，這是它的缺點之一。不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數(毫秒數量級)，因而它們的頻率特性也就各不相同。右圖為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性。橫坐標f為光強度的變化，縱坐標為相對靈敏度。光敏電阻哪個性能更佳？（6）溫度特性光敏電阻和其它半導體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應，同時光敏電阻的靈敏度和暗電阻也隨之改變。右圖為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線，它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。橫坐標為入射光波長，縱坐標為相對靈敏度。光敏電阻光敏晶體管光敏二極管，光敏三極管，光敏達林頓管（光敏復合管）以及光敏晶閘管等統稱為光敏晶體管，可用于光的照度測量和控制。1.光敏二極管鍺光敏二極管

硅光敏二極管光敏二極管結構與一般二極管都有一個P—N結，并且都是單向導電的非線性元件。為了提高轉換效率大面積受光，PN結面積比一般二極管大，它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管頂，可直接收到光照射。PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線光敏晶體管光敏二極管將光敏二極管的PN結設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結時，電子-空穴對數量增加，當在光敏二極管兩端施加電壓后，流過PN結的光電流也相應增大，光電流與光照度成正比。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結上，光子打在PN結附近，使PN結附近產生光生電子和光生空穴對，它們在PN結處的內電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態，受光照射時處于導通狀態。光敏二極管光敏二極管的反向偏置接線及光電特性演示在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。當光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關系。光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結構與一般三極管很相似，只是它的發射極e一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極b不接引線，故其外形與光敏二極管相似，從外觀上較難區別。光敏三極管工作原理當集電極加上正電壓，基極開路時，集電極處于反向偏置狀態。當光線照射在集電結的基區時，會產生電子-空穴對，在內電場的作用下，光生電子被拉到集電極，基區留下空穴，使基極與發射極間的電壓升高，這樣便有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍。光敏三極管內部結構a)

內部組成b)管芯結構c）結構簡化圖

1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡

5—發射極引腳6—N+襯底7—N型集電區8—SiO2保護圈9—集電結10—P型基區11—N型發射區12—發射結光敏二極管和光敏三極管的區別光電流光敏二極管一般只有幾微安到幾百微安，而光敏三極管一般都在幾毫安以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過1uA。響應時間光敏二極管的響應時間在100ns以下，而光敏三極管為5～10us。因此，當工作頻率較高時，應選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時，才選用光敏三極管。光敏達林頓管在需要高增益或大電流輸出的場合，需采用達林頓光敏管。圖是達林頓光敏管，它是一個光敏晶體管和一個晶體管以共集電極連接方式構成的集成器件。由于增加了一級電流放大，所以輸出電流能力大大加強，甚至可以不必經過進一步放大，便可直接驅動靈敏繼電器。但由于無光照時的暗電流也增大，因此適合于開關狀態或位式信號的光電變換。光敏達林頓管光敏晶閘管光敏晶閘管有三個引出電極，即陽極a、陰極k和門極g。它的頂部有一個玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽極與負載串聯后接電源正極，陰極接電源負極，門極可懸空。光敏晶閘管的特點是：導通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達數百伏，因此輸出功率大，可用于工業自動檢測控制。光敏面光敏晶體管的基本特性(1)光譜特性指在一定光照度時，輸出的光電流（或用相對靈敏度表示）與入射光波長的關系。硅、鍺光敏晶體管的光譜特性圖如下。由圖可知，硅晶體管的峰值波長為0.9μm左右，鍺晶體管的峰值波長為1.5μm左右。根據要探測的光的類型，選擇不同材料的光晶體管。(2)伏安特性在給定的照度下光敏晶體管上的電壓UCE與光電流（即集電極電流）IC的關系。(與普通三極管類型，同樣分飽和區、放大區、截至區、擊穿區)某系列NPN型光敏晶體管的伏安特性光敏晶體管的基本特性(3)

光

照

特

性0光照

光電流光敏三極管光敏二極管3000lx4mA請判斷靈敏度的高低0.3mA請計算當E=100lx時，光敏二極管的光電流IΦ

IΦELx為照度的單位，勒克斯光敏晶體管的基本特性由圖可知：光敏晶體管的光電流與光照度成線性關系。光敏三極管的光電特性曲線斜率較大，說明靈敏度比光敏二極管高。

光敏二極管的光電特性的斜率為k=0.3/3000，那么光電流I=k*100=0.01mA光敏晶體管的基本特性(3)

光

照

特

性(4)溫度特性光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關系。光敏晶體管的溫度特性曲線如圖所示。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流影響很小(圖(b))，而對暗電流影響很大(圖(a))，所以在電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。光敏晶體管的基本特性(5)時間常數光敏晶體管可以看成一個非周期環節。一般鍺管的時間常數為2*10-4s硅管為10-5s當檢測系統要求快速時，往往選擇硅光敏晶體管。光敏晶體管的基本特性光敏電阻的應用1.光照度計P912.燈光亮度自動控制器光敏晶體管的應用光控閃光標志燈P926.2光電池光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，又稱為太陽能電池。它是發電式有源元件(有源器件是指能夠控制能量的元件，如晶體管，場效應管等)。工作原理：它有較大面積的PN結，當光照射在面積較大的光電池P區表面，產生電子-空穴對，光生電子因PN結的內電場而漂移到負極，空穴留在P區（P區帶正電，對應N區帶負電），從而產生光生電動勢E。光照越強，光生電動勢就越大。命名方式：把光電池的半導體材料的名稱冠于光電池之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應用最廣、最有發展前途的是硅光電池。以硅光電池為例硅光電池結構圖硅光電池的工作原理示意圖光電池光電池的表示符號、基本電路光電池光電池外形光敏面光電池的基本特性(1)光譜特性

光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。從右圖可知，不同材料的光電池，光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的，硅光電池波長在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應波長范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池只能為0.38~0.75μm。可見，硅光電池可以在很寬的波長范圍內得到應用。

(2)光電池的光照特性一個典型的硅光電池的光電特性開路電壓為對數特性短路電流為線性特性1—光電池負載開路時開路電壓曲線2—負載短路時短路電流曲線光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系就是光照特性。光電池的基本特性從圖中看出，短路電流在很大范圍內與光照強度呈線性關系，開路電壓（即負載電阻無限大時）與光照度的關系是非線性的，并且當照度在2000lx時就趨于飽和了。因此用光電池作為測量元件時，應把它當作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。(2)光電池的光照特性光電池的基本特性（3）頻率特性光電池的頻率響應就是指光電池的輸出電流隨照射光頻率變化的關系。由于光電池PN結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。1—硒光電池2—硅光電池光電池的基本特性（4）溫度特性

溫度對光電池的影響很大。隨著溫度的不斷增加，開路電壓下降，短路電流上升，如圖所示。在強光照射時要注意器件本身的溫升，一般情況下，硒光電池的結溫不應超過50℃，硅光電池的結溫不應超過200℃，否則，光電池的晶格結構會遭到破壞，從而毀壞光電池。光電池的基本特性光電池的應用光電池主要有兩大類型的應用：將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉換成電能，即太陽能電池。這是全世界范圍內人們所追求、探索新能源的一個重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發、航空、通信設施、太陽電池地面發電站、日常生活和交通事業中得到廣泛應用。目前太陽電池發電成本尚不能與常規能源競爭，但是隨著太陽電池技術不斷發展，成本會逐漸下降，太陽電池定將獲得更廣泛的應用。將光電池作光電轉換器件應用，需要光電池具有靈敏度高、響應時間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測和自動控制系統中。光電池在動力方面的應用太陽能賽車太陽能電動機模型太陽能硅光電池板太陽能手機充電器太陽能供電LED警示標志牌太陽能電池光電池在動力方面的應用光電池在動力方面的應用太陽能發電光電池自動干手器手放入干手器時，手遮住燈泡發出的光，光電池不受光照，晶體管基極正偏而導通，繼電器吸合。風機和電熱絲通電，熱風吹出烘手。手干抽出后，燈泡發出光直接照射到光電池上，產生光生電動勢，使三極管基射極反偏而截止，繼電器釋放，從而切斷風機和電熱絲的電源。利用物質在光的照射下發射電子的外光電效應而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。一、光電管及其基本特性光電管的結構示意圖1.結構光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結構相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。6.3光電管光電管光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性來描述。（1）

光電