第九章光電傳感器

本章學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及光電傳感器的各種應(yīng)用，掌握光電開(kāi)關(guān)的使用方法。原理：光電式傳感器（或稱(chēng)光敏傳感器）是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓、電流、電阻等）的裝置。光電傳感器由光源、光學(xué)通路和光電元件組成。光源光通路光電器件測(cè)量電路光量光量電量輸出按工作原理分類(lèi)光電效應(yīng)傳感器紅外熱釋電探測(cè)器固體圖像傳感器光纖傳感器1、光電效應(yīng)傳感器是應(yīng)用光敏材料的光電效應(yīng)制成的光敏器件。光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)等等，這些因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。2、紅外熱釋電探測(cè)器主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時(shí)引起材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)原理制成的一類(lèi)器件。3、固體圖像傳感器結(jié)構(gòu)上分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是用CCD電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成CCD圖像傳感器，一類(lèi)是用光敏二極管與MOS晶體管構(gòu)成的將光信號(hào)變成電荷或電流信號(hào)的MOS金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器。

主要特點(diǎn)：精度高、反應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式多樣、抗干擾能力強(qiáng)（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量等特點(diǎn)。可以直接檢測(cè)光信號(hào)，間接測(cè)量溫度、壓力、位移、速度、加速度等4、光纖傳感器它利用發(fā)光管（LED）或激光管（LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測(cè)對(duì)象，被檢測(cè)信號(hào)調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)后變成電信號(hào)。透射式反射式輻射式開(kāi)關(guān)式四種基本形式透射式輻射式反射式開(kāi)關(guān)式

1905年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

第一節(jié)光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)

用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為h

的光子的轟擊，組成這個(gè)物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。

1.外光電效應(yīng)2.內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)

一、光電管、光電倍增管

——利用外光電效應(yīng)制成的光電器件單個(gè)光子能量：普郎克常數(shù)光波頻率——不同頻率或波長(zhǎng)的光具有不同的能量波動(dòng)性：以光速運(yùn)動(dòng)，干涉、衍射粒子性：具有一定的質(zhì)量和能量的粒子光——以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流波粒二象性外光電效應(yīng)：在光線作用下電子從物體表面逸出。可見(jiàn)，要使光電管中的自由電子逸出，頻率不能太低，波長(zhǎng)也不能太長(zhǎng)。得或所以光電管中的自由電子逸出條件：電子吸收光子能量克服物質(zhì)的束縛，電子逸出功轉(zhuǎn)化為逸出電子的動(dòng)能光電管測(cè)量電路：光電管電壓輸出陰極陽(yáng)極光輸入在光的照射下，光電子從陰極表面逸出，被陽(yáng)極吸引，在光電管內(nèi)形成光電流。若光強(qiáng)增大，光電流就變大，輸出電壓也變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

（一）光電管光輸入陽(yáng)極陰極電子逸出電輸出光譜特性：工作電壓不變，入射光波長(zhǎng)與靈敏度（量子效率）的關(guān)系。光譜特性取決于陰極材料，不同陰極材料的光電管其靈敏度分布不同。

0.20.40.6

25201510500.20.40.60.81.0

0.50.40.30.20.1（二）光電倍增管光電倍增管具有放大光電子電流的能力。光電倍增管具10---15級(jí)倍增電極，電位依次升高，使得陰極因接受光能而發(fā)射的電子逐級(jí)加速，且受光電子的數(shù)量逐級(jí)增多，形成較大的光電流。可用于微光測(cè)量。設(shè)單級(jí)的信號(hào)倍增率為，則多級(jí)的倍增率為。光輸入陽(yáng)極陰極

-++++

-

-

-+

-++

-+

-

-——放大光電流光電倍增管基本電路：直流電源光線輸出電壓陰極陽(yáng)極

10-1610-1210-810-41

10210-2

10-6

10-10

50100150

121086420二、光敏電阻（一）工作原理：由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，利用內(nèi)光電效應(yīng)而工作。在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料，吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是電阻器件，即可以加直流電壓，也可以加交流電壓工作。光照電路符號(hào)光敏電阻演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。（二）特性參數(shù)

1.暗電阻與亮電阻

暗電阻-----在室溫且全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的暗阻大于等于0.1兆歐。

亮電阻-----在室溫且一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的亮阻小于等于1000歐。

光敏電阻接在電路上，亮電流與暗電流之差被稱(chēng)為光電流。光敏電阻的亮電阻越大，暗電阻越小，靈敏度越高。三、光敏二極管和光敏晶體管（一）工作原理

1.光敏二極管：正常情況下，PN結(jié)反向是不導(dǎo)通的。當(dāng)被光線照射時(shí)，PN結(jié)反向?qū)ǎ梢愿袦y(cè)光信號(hào)。NP電路符號(hào)結(jié)構(gòu)示意基本電路光敏二極管的反向偏置接法在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱(chēng)耗盡層）上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁(yè)圖）及光電特性演示

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照

0.5

1.01.52.02.53.03.510080

60

4020

0

0

0.20.40.60.81.01.2

0.300.250.20

0.150.10

0.05非線性：不適合于作測(cè)量元件光敏二極管

將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。提高光電轉(zhuǎn)換能力：

面積大、淺結(jié)的PN結(jié)光敏二極管電路管芯結(jié)構(gòu)光敏二極管

光敏二極管外形

光敏二極管陣列紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管光敏三極管外形

光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

光敏三極管的電路光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引出線，當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會(huì)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，所以光敏晶體管有放大作用。光敏晶體管

光敏三極管的光譜特性

400

6008001000120014001600180010080

60

4020

0光敏三極管的光照特性

2004006008001000

4

3

21

0

2468101214

43210光敏三極管伏安特性光敏二極管和三極管的主要差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(guò)1uA。響應(yīng)時(shí)間光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間在100ns以下，而光敏三極管為5～10us。因此，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，應(yīng)選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時(shí)，才選用光敏三極管。輸出特性光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。四、光電池（一）工作原理光生伏特效應(yīng)。光線照射發(fā)電電路符號(hào)在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子—空穴對(duì)，光生電子—空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。

（二）基本特性

1.光譜特性：

一定照度下,光波波長(zhǎng)與光電池靈敏度的關(guān)系。

2.光電特性:

光照度與輸出電動(dòng)勢(shì)、輸出電流之間的關(guān)系。

（紫外---紫----紅----紅外）硅光電池硒光電池受光范圍寬受光范圍窄輸出電動(dòng)勢(shì)短路輸出電流

3.溫度特性

指開(kāi)路電壓、短路電流與溫度變化的關(guān)系。開(kāi)路電壓短路電流光電池外形光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形其他光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用太陽(yáng)能賽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型太陽(yáng)能硅光電池板光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽(yáng)能發(fā)電光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用常娥二號(hào)衛(wèi)星補(bǔ)充光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器

從原理上講，光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器沒(méi)有太大的差別，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，只是光電斷續(xù)器是整體結(jié)構(gòu)，其檢測(cè)距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離可達(dá)幾米至幾十米。

一、光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)

光電開(kāi)關(guān)可分為遮斷型和反射型兩大類(lèi)。遮斷型光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射器和接收器相對(duì)安放，軸線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)有物體在兩者中間通過(guò)時(shí)，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)。遮斷型光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離一般可達(dá)十幾米，對(duì)所有能遮斷光線的物體均可檢測(cè)。

光電開(kāi)關(guān)外形遮斷型光電開(kāi)關(guān)示意圖遮斷報(bào)警光發(fā)射器遮斷式光電開(kāi)關(guān)原理遮斷式光電開(kāi)關(guān)由相互分離且相對(duì)安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測(cè)物體位于發(fā)射器和接受器之間時(shí)，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。被檢測(cè)物體光接收器光電開(kāi)關(guān)在流水線上的應(yīng)用送料器定區(qū)域式光電開(kāi)關(guān)咖啡罐流水線運(yùn)行方向罐裝高度檢測(cè)儲(chǔ)料倉(cāng)落料口遮斷式光電開(kāi)關(guān)（計(jì)數(shù)）光幕兩個(gè)柱形結(jié)構(gòu)相對(duì)而立，每隔數(shù)十毫米安裝一對(duì)發(fā)光二極管和光敏接收管，形成光幕，當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。接收器光幕應(yīng)用當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，起保護(hù)、預(yù)警等作用。光線被遮斷（報(bào)警）光幕應(yīng)用（續(xù)）產(chǎn)品高度測(cè)量光幕應(yīng)用（續(xù)）

三維尺寸檢測(cè)寬度測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量高度測(cè)量光幕應(yīng)用（續(xù)）木材外形截面積檢測(cè)光幕應(yīng)用（續(xù)）糾偏光幕可檢測(cè)出帶材在卷曲過(guò)程中的偏移，經(jīng)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)使帶材向正確的方向運(yùn)動(dòng)（糾偏）。光幕應(yīng)用（續(xù)）光幕用于

自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車(chē)輛檢測(cè)光幕應(yīng)用（續(xù)）鍛壓機(jī)床的安全區(qū)域設(shè)置及入侵報(bào)警光幕應(yīng)用（續(xù)）安全區(qū)示警反射型光電開(kāi)關(guān)反射型光電開(kāi)關(guān)分為兩種情況：反射鏡反射型及被測(cè)物漫反射型（簡(jiǎn)稱(chēng)散射型）。

反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)采用較為方便的單側(cè)安裝方式，但需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對(duì)安裝角度的變化不太敏感，有的還采用偏光鏡，它能將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光（波動(dòng)方向嚴(yán)格一致的光）反射回去，提高抗干擾能力。定區(qū)域反射式光電開(kāi)關(guān)原理

定區(qū)域式光電開(kāi)關(guān)有一個(gè)非常確定的檢測(cè)區(qū)域，不經(jīng)過(guò)該區(qū)域的被測(cè)物體不會(huì)引起光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。檢測(cè)距離檢測(cè)距離反射型光電開(kāi)關(guān)及反射鏡外形三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)工作原理反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體，與反射鏡相對(duì)安裝配合使用。反射鏡使用偏光三角棱鏡，能將發(fā)射器發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光反射回去，光接收器表面覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來(lái)的偏振光。反射板反射鏡被測(cè)物體偏振光發(fā)射光調(diào)制型光電開(kāi)關(guān)原理光電開(kāi)關(guān)的LED多采用中頻（40kHz左右）窄脈沖電流驅(qū)動(dòng)，從而發(fā)射40kHz調(diào)制光脈沖。相應(yīng)地，接收光電元件的輸出信號(hào)經(jīng)40kHz選頻交流放大器及專(zhuān)用的解調(diào)芯片處理，可以有效地防止太陽(yáng)光、日光燈的干擾，又可減小發(fā)射LED的功耗。

被測(cè)物漫反射型光電開(kāi)關(guān)原理漫反射光線反射光線被檢測(cè)物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線

漫反射型光電開(kāi)關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體。當(dāng)被測(cè)物體經(jīng)過(guò)該光電開(kāi)關(guān)時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測(cè)物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。額定距離漫反射型光電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用請(qǐng)思考如何將光電開(kāi)關(guān)用于衛(wèi)生間的自動(dòng)沖水設(shè)備反射型光電開(kāi)關(guān)外形電源指示信號(hào)指示反射型光電開(kāi)關(guān)外形（續(xù)）靈敏度調(diào)節(jié)電位器智能化自學(xué)習(xí)型光電開(kāi)關(guān)常規(guī)反射型光電開(kāi)關(guān)的動(dòng)作距離是不變的（與型號(hào)有關(guān)），當(dāng)檢測(cè)流水線上的漫反射物體時(shí)，必須調(diào)節(jié)安裝距離，十分不方便。自學(xué)習(xí)型光電開(kāi)關(guān)上設(shè)置了一只閾值開(kāi)關(guān)，當(dāng)流水線上的被檢測(cè)物體到達(dá)光電開(kāi)關(guān)面前時(shí)，按下閾值開(kāi)關(guān)數(shù)秒，待“學(xué)習(xí)”指示燈閃亮停止后，內(nèi)部的微處理器就記住了兩者之間的距離，就能在一定的允許范圍內(nèi)，可靠地對(duì)之后來(lái)到的被檢測(cè)物體作出反應(yīng)。當(dāng)流水線上的被檢測(cè)品種改變時(shí)，只需再次“學(xué)習(xí)”，而不必調(diào)節(jié)機(jī)械安裝螺絲。