光电传感器.ppt

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机械工业出版社机械工业出版社中等职业教育电气类规划教材中等职业教育电气类规划教材自动检测与转换技术自动检测与转换技术第十章（上）第十章（上）多媒体课件200951更新11/6/20221第十章第十章光电传感器光电传感器在在这这一一章章里里，卡卡卡卡要要给给大大家家简简单单介介绍绍光光电电效效应应，着着重重讲讲解解光光电电元元件件的的原原理理、分分类类、特特性、电路接线以及光电传感器的应用。

性、电路接线以及光电传感器的应用。

光电传感器的最大特点是非接触测量。

光电传感器的最大特点是非接触测量。

11/6/202221860年年，英英国国物物理理学学家家麦麦克克斯斯韦韦建建立立了了电电磁磁理理论论，认认识识到到光光是是一一种种电电磁磁波波。

1905年年，德德国国物物理理学学家家爱爱因因斯斯坦坦用用光光量量子子学学说说解解释释了了光光电电发发射射效效应应，并并为为此此而而获获得得1921年诺贝尔物理学奖。

年诺贝尔物理学奖。

11/6/20223第一节第一节光电效应及光电元件光电效应及光电元件用光照射某一物体，可以看作物体用光照射某一物体，可以看作物体受到受到一连串能量为一连串能量为hf的的光子的轰击光子的轰击，组，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。

电效应的物理现象称为光电效应。

外光电效应外光电效应：

在光线的：

在光线的作用下能作用下能使电子逸出物体表使电子逸出物体表面面的现象称为外光电效应，的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件基于外光电效应的光电元件有有紫外光电管、光电倍增管、紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

光电摄像管等。

11/6/20224紫外管外形紫外管外形当入射紫外当入射紫外线照射在紫外管线照射在紫外管阴阴极板上极板上时，电子克时，电子克服金属表面对它的服金属表面对它的束缚而束缚而逸出金属表逸出金属表面，形成电子发射面，形成电子发射。

紫外管多用于紫外管多用于紫外紫外线测量线测量、火焰监测火焰监测等。

等。

紫外线紫外线11/6/20225光敏电阻光敏电阻当光敏电阻受到当光敏电阻受到光照时，光照时，阻值减小。

阻值减小。

11/6/20226光敏电阻光敏电阻原理演示原理演示当光敏当光敏电阻电阻受到光受到光照时照时，光生光生电子电子-空穴对空穴对增加增加，阻值阻值减小减小，电流电流增大增大。

暗暗电流（越小越好）电流（越小越好）光照变化产生的电流光照变化产生的电流称为暗电流称为暗电流11/6/20227光敏二极管光敏二极管将光敏二极管的将光敏二极管的PN结设置在透明管结设置在透明管壳顶部的正下方，壳顶部的正下方，光光照射到光敏二极管的照射到光敏二极管的PN结结时，时，电子电子-空穴空穴对数量增加对数量增加，光电流光电流与照度成正比与照度成正比。

11/6/20228光敏二极管外形光敏二极管外形光敏二极管阵列光敏二极管阵列包含包含1024个个InGaAs元件的线性光电二极管阵元件的线性光电二极管阵列列，可用于分光镜。

可用于分光镜。

11/6/20229红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管11/6/202210光敏二极管的反向光敏二极管的反向偏置接法偏置接法在没有光照时，由在没有光照时，由于于二极管反向偏置，所二极管反向偏置，所以反向电流很小以反向电流很小，这时，这时的电流的电流称为暗电流称为暗电流，相，相当于普通二极管的反向当于普通二极管的反向饱和漏电流。

当光照射饱和漏电流。

当光照射在二极管的在二极管的PNPN结（又称结（又称耗尽层）上时，耗尽层）上时，在在PNPN结结附近产生的电子附近产生的电子-空穴空穴对数量也随之增加对数量也随之增加，光光电流也相应增大电流也相应增大，光电光电流与照度成正比流与照度成正比。

11/6/202211光敏二极管的反向偏置接线光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示（参考上页图）及光电特性演示在在没有光照没有光照时，由于二时，由于二极管反向偏置，极管反向偏置，反向电流反向电流（暗电流）很小（暗电流）很小。

当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比比关系。

关系。

光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照11/6/202212光敏三极管光敏三极管光敏三极管有两光敏三极管有两个个PN结结。

与普通。

与普通三极管相似，三极管相似，有电流增益，灵敏度比光有电流增益，灵敏度比光敏二极管高敏二极管高。

多数光敏三极管的多数光敏三极管的基极没基极没有引出线有引出线，只有正负（只有正负（C、E）两个引脚，两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。

上很难区别。

11/6/202213光敏三极管外形光敏三极管外形11/6/202214光敏三极管内部结构光敏三极管内部结构a）内部组成内部组成b）管芯结构管芯结构c）结构简化图结构简化图1集电极引脚集电极引脚2管芯管芯3外壳外壳4玻璃聚光镜玻璃聚光镜5发射极引脚发射极引脚6N+衬底衬底7N型集电区型集电区8SiO2保护圈保护圈9集电结集电结10P型基区型基区11N型发射区型发射区12发射结发射结11/6/202215硅光敏晶体管硅光敏晶体管的光谱特性的光谱特性电磁波频谱电磁波频谱11/6/202216光敏二极管、三极管的光电特性比较光敏二极管、三极管的光电特性比较0光照光照光光电电流流光敏光敏三极管三极管光敏光敏二极管二极管3000lx4mA请请判断判断光敏二极管、光敏二极管、三极管的三极管的灵敏度灵敏度孰高孰低孰高孰低0.3mA请作图计算当请作图计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流IIE11/6/202217光敏晶闸管光敏晶闸管光敏晶闸管有光敏晶闸管有三个引出电极三个引出电极，即，即阳极阳极a、阴极阴极k和和门极门极g。

它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。

负极，门极可悬空。

当有一定照度的光信号通过当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上结上时，将时，将产生门产生门极电流极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。

导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍状态。

导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维维持导通持导通。

要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须。

要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。

光敏晶闸管的特点是：

维持电流。

光敏晶闸管的特点是：

导通电流比光导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因，因此此输出功率大，可用于工业自动检测控制输出功率大，可用于工业自动检测控制。

11/6/202218光敏晶闸管外形光敏晶闸管外形光敏面光敏面11/6/202219基于光生伏特效应的光电元件基于光生伏特效应的光电元件光电池光电池在在N型衬底上制造一型衬底上制造一薄层薄层P型层型层作为光作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。

当入照敏感面，就构成最简单的光电池。

当入射光子的能量足够大时，射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个型区每吸收一个光子就产生一对光生电子光子就产生一对光生电子-空穴对空穴对，光生光生电子电子-空穴对的的扩散运动使电子通过漂移空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到运动被拉到N型区，型区，空穴留在空穴留在P区区，所以，所以N区带负电，区带负电，P区带正电区带正电。

如果光照是连续的，。

如果光照是连续的，经短暂的时间，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。

光生电动势输出。

11/6/202220基于光生伏特效应的光电元件基于光生伏特效应的光电元件光电池光电池新型的硅光电池新型的硅光电池是在是在P型衬底上制型衬底上制造一造一薄层薄层N型层型层作作为光照敏感面，效为光照敏感面，效率更高。

率更高。

NN型区每吸型区每吸收一个光子就产生收一个光子就产生一对光生电子一对光生电子-空穴空穴对。

对。

空穴通过漂移空穴通过漂移运动被拉到运动被拉到P型区，型区，带正电；带正电；电子留在电子留在N区，带负电区，带负电。

11/6/202221光电池光电池外形外形光敏面光敏面11/6/202222能提供较大电流的能提供较大电流的大面积光电池大面积光电池外形外形11/6/202223光电池光电池串联，能提高电压；串联，能提高电压；并联，可以提高输处电流并联，可以提高输处电流每一片光电池的最大输出电压约为每一片光电池的最大输出电压约为0.6V，每平方米，晴天的输出电流约为每平方米，晴天的输出电流约为10A。

11/6/202224太阳能组件太阳能组件11/6/202225其他其他光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用柔光罩柔光罩下面为圆形光电池下面为圆形光电池11/6/202226光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电风扇太阳能电风扇太阳能太阳能硅光电池板硅光电池板11/6/202227光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）住宅太阳能供电住宅太阳能供电11/6/202228光电池在动力方面的光电池在动力方面的应用（续）应用（续）嫦娥一号上的光电池板嫦娥一号上的光电池板11/6/202229光电池的光电特性光电池的光电特性一个典型的一个典型的硅光电池的光电特性硅光电池的光电特性11开路电压曲线开路电压曲线22短路电流曲线短路电流曲线开路电压开路电压为为对数特性对数特性短路电流短路电流为为线性特性线性特性11/6/202230第二节第二节光电元件的基本应用电路光电元件的基本应用电路一、光敏电阻的基本应用电路一、光敏电阻的基本应用电路a）U与光照变化趋势相同与光照变化趋势相同的电路的电路b）U与光照变化趋势相反与光照变化趋势相反的电路的电路11/6/202231二、光敏二极管应用电路二、光敏二极管应用电路利用反相利用反相器可将光敏二器可将光敏二极管的输出电极管的输出电压转换成压转换成TTL电平。

电平。

当光照增当光照增加，加，Ui（1/2）VDD时时，反相器翻，反相器翻转转,输出变为什输出变为什么电平么电平？

11/6/202232光敏三极管光控继电器电路光敏三极管光控继电器电路当无光照时，当无光照时，V1截止截止，I=0，则，则V2处于什么处于什么状态？

状态？

继电器继电器KA吸合还是释放吸合还是释放？

如果将？

如果将V1与与Rb2位置位置上下对调上下对调，请画出电路，并分析工作过程。

，请画出电路，并分析工作过程。

11/6/202233五、光电池的应用电路五、光电池的应用电路光电池短路电流测量电路光电池短路电流测量电路I/U转换电路转换电路的的输出电压输出电压Uo与光电流与光电流I成正成正比比。

若光电池用于微光测量时，。

若光电池用于微光测量时，I可能较小，则可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器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。

微调总的放大倍数。

11/6/202234第三节第三节光电传感器的应用光电传感器的应用、光源本身是被测物的应用实例、光源本身是被测物的应用实例光的照度光的照度E的单位是的单位是lx（勒勒克斯克斯），它是常），它是常用的光度学单位用的光度学单位之一，它之一，它表示受表示受照物体被照亮程照物体被照亮程度度的物理量，可的物理量，可以用以用照度计照度计来测来测量。

量。

光电池光电池（外加柔（外加柔光罩）光罩）11/6/2022351.1.红外线辐射温度计：

红外线辐射温度计：

红外辐射温度计既可用于高温测量，红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势