第8章 光电传感器
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传感器原理与应用习题第8章光电式传感器
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。
8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
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，而引起材料电导率的变化的现象。
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的现象。
8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。
当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。
8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。
答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。
光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。
8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。
8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。
8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。
8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。
答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。
应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。
8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。
第8章_光电传感器
可靠性高; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、
自动报警、自动计数等领域和装置。
第8章 光电式传感器 传感器原理及应用
8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管 （1）光敏二极管
光敏二极管结构与一 般二极管相似，它们都 有一个P—N结，并且都 是单向导电的非线性元 件。为了提高转换效率 大面积受光，PN结面积 比一般二极管大。
换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料， 做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如：
光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 等等。 在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。
第8章 概述
光电式传感 器
传感器原理及应用
光 电 鼠 标
第8章 概述
光电式传感 器
过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受 到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价 带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子 和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。
导带
Eg
禁带
价带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
第8章 光电式传感器 传感器原理及应用
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 (2)内光电效应
光敏二极管伏—安特性
第8章 光电式传感器 传感器原理及应用
8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管
温度特性， 由于反向饱和电流与温 度密切有关，因此光敏 二极管的暗电流对温度 变化很敏感。
光敏二极管暗电流与温度关系
第8章 光电式传感器 传感器原理及应用
8.2 光电器件
4、 光敏二极管和光敏三极管
当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁 带
自动报警、自动计数等领域和装置。
第8章 光电式传感器 传感器原理及应用
8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管 （1）光敏二极管
光敏二极管结构与一 般二极管相似，它们都 有一个P—N结，并且都 是单向导电的非线性元 件。为了提高转换效率 大面积受光，PN结面积 比一般二极管大。
换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料， 做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如：
光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 等等。 在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。
第8章 概述
光电式传感 器
传感器原理及应用
光 电 鼠 标
第8章 概述
光电式传感 器
过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受 到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价 带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子 和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。
导带
Eg
禁带
价带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
第8章 光电式传感器 传感器原理及应用
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 (2)内光电效应
光敏二极管伏—安特性
第8章 光电式传感器 传感器原理及应用
8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管
温度特性， 由于反向饱和电流与温 度密切有关，因此光敏 二极管的暗电流对温度 变化很敏感。
光敏二极管暗电流与温度关系
第8章 光电式传感器 传感器原理及应用
8.2 光电器件
4、 光敏二极管和光敏三极管
当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁 带
第八章-光电传感器输出信号的采集
None 是
三、数据采集卡
声卡
声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功 能就是经过DSP音效芯片的处理，进行模拟音频信号与 数字信号的转换，因此，声卡也可以作为一块数据采 集卡来使用。
三、数据采集卡
声卡的技术参数
声卡的技术参数主要有两个：采样位数（分辨率）和采 样率。
采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度，这个数值 越大，解析度就越高，录制和播放声音的效果就越真实。 声卡位数反映了对信号描述的准确程度。目前声卡的主流 产品位数都是16位，而一般数据采集卡大多只是12位。
量程：输入信号的幅度，常用有±5V、±10V、0~5V、
0~10V，要求输入信号在量程内进行。
增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益，
通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定 倍数的放大。由两种型号PGA202(1、10、100、1000)和 PGA203(1、2、4、8)的增益芯片。
一、光电传感器信号的二值化处理
微型计算机所能识别的数字是“0”或“1”，即低或高 电平。 “0”或“1” 在光电信号中它既可以代表信号的有 与无，又可以代表光信号的强弱到一定程度，还可以检测运 动物体是否运动到某一特定的位置。将光电信号转换成“0” 或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。
光电信号的二值化处理分为单元光电信号的二值化处理与序 列光电信号的二值化处理。
二、DAQ设备
需要以多快的速度采集或生成信号？
对于DAQ设备来说，最重要的参数指标之一就是采样率，即 DAQ设备的ADC采样速率。典型的采样率（无论硬件定时或 软件定时）可达2MS/S。在决定设备的采样率时，需要考虑 所需采集或生产信号的最高频率成分。
Nyquist定理指出，只要将采样率设定为信号中所感兴趣的 最高频率分量的2倍，就可以准确地重建信号。然而，在实 践中至少应以最高频率分量的10倍作为采样频率才能正确 地表示原信号。选择一个采样率至少是信号最高频率分量 10倍的DAQ设备，就可以确保能够精确地测量或者生成信号。
三、数据采集卡
声卡
声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功 能就是经过DSP音效芯片的处理，进行模拟音频信号与 数字信号的转换，因此，声卡也可以作为一块数据采 集卡来使用。
三、数据采集卡
声卡的技术参数
声卡的技术参数主要有两个：采样位数（分辨率）和采 样率。
采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度，这个数值 越大，解析度就越高，录制和播放声音的效果就越真实。 声卡位数反映了对信号描述的准确程度。目前声卡的主流 产品位数都是16位，而一般数据采集卡大多只是12位。
量程：输入信号的幅度，常用有±5V、±10V、0~5V、
0~10V，要求输入信号在量程内进行。
增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益，
通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定 倍数的放大。由两种型号PGA202(1、10、100、1000)和 PGA203(1、2、4、8)的增益芯片。
一、光电传感器信号的二值化处理
微型计算机所能识别的数字是“0”或“1”，即低或高 电平。 “0”或“1” 在光电信号中它既可以代表信号的有 与无，又可以代表光信号的强弱到一定程度，还可以检测运 动物体是否运动到某一特定的位置。将光电信号转换成“0” 或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。
光电信号的二值化处理分为单元光电信号的二值化处理与序 列光电信号的二值化处理。
二、DAQ设备
需要以多快的速度采集或生成信号？
对于DAQ设备来说，最重要的参数指标之一就是采样率，即 DAQ设备的ADC采样速率。典型的采样率（无论硬件定时或 软件定时）可达2MS/S。在决定设备的采样率时，需要考虑 所需采集或生产信号的最高频率成分。
Nyquist定理指出，只要将采样率设定为信号中所感兴趣的 最高频率分量的2倍，就可以准确地重建信号。然而，在实 践中至少应以最高频率分量的10倍作为采样频率才能正确 地表示原信号。选择一个采样率至少是信号最高频率分量 10倍的DAQ设备，就可以确保能够精确地测量或者生成信号。
第八章 图像信息的光电变换2-1节
序信号；CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像
素信号的一维输出。因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感 器以自扫描的方式输出一维时序电信号。
监视器或电视接收机的显像管几乎都是利用电磁场使电子束偏
转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数 进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。
(8-1)
式中thf为行扫描周期，而W/thf应为电子 束的行扫描速度，记为vhf，式可改写为
f=fx〃vhf
（8-2）
CCD与CMOS等图像传感器只有遵守上 述的扫描方式才能替代电子束摄像管，因
此， CCD与CMOS的设计者均使其自扫描制式与电子束摄像管相同。
8.2.2 电视制式
电视的图像发送与接收系统中，图像的采集（摄像机）与图像
当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。 由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征 层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载 流子一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向N区，空穴被 拉向P区。这样，若假定把曝光前本征层两端加有强电场 看作是电容充电，则此刻由于光生载流子的漂移运动的结 果相当于电容的放电。其结果，在一帧的时间内，在靶面 上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成 了图像的变换和记录过程。
传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像 转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为 视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后，通过相 应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信号。 视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能 保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。
第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。
光电传感器-PPT
⑴槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（<µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。
光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。 发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。
接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
光电传感器应用技术教学配套课件王庆有第8章第3节
8.6 典型面阵CCD图像传感器
8.6.1概述
二维面阵CCD图像传感器有不同的结构与排列方式，如帧转移、隔列转 移、线转移和全帧转移等方式。
(1) 帧转移面阵CCD
如图8-31所示为 帧转移方式的面阵 CCD图像传感器的原 理结构图。
(2) 隔列转移型面阵CCD
隔列转移型面阵CCD的结构如图8-32(a)所示。
(3) 线转移型面阵CCD
如图8-33所示为线转 移方式的面阵CCD的结构 图，它与前面两种转移方 式相比，取消了存储区， 多了一个线寻址电路。
8.6.2典型帧转移型面阵CCD器件
1. TCD5130AC面阵CCD
TCD5130AC是一种帧转移型面阵CCD。常用于三管彩色 CCD电视摄像机中。它的有效像元数为754(H)×583(V)；像元尺寸 (长×高)为12.0μm×11.5μm；像敏面积为9.05mm×6.70mm，一般将 它封装如图8-34所示 。各管脚的定义如图8-35所示。
8.6 若二相线阵CCD器件TCD1251D像敏单元为2700个，器 件的总转移效率为0.92，试计算它每个转移单元的最低转移效率 为多少？
8.7 设TCD1209D的驱动频率为2MHz，试计算TCD1209D 的最短积分时间为多少？当从表5-1中查到其光照灵敏度（响应 R）31v/lx.s时，试求使其饱和所需要的最低照度？
8.15 试说明隔列转移型面阵CCD的信号电荷是如何从像敏区 转移出来成为视频信号的。
8.11 TCD1251D的转移脉冲SH的下降沿落在驱动脉冲CR1还 是CR2的高电平上？这说明了什么？如果将CR1和CR2的相位颠 倒会出现怎样的情况？
8.12 为什么TCD1251D的积分时间必须大于2752个TRS （TRS为复位脉冲RS的周期）？若积分时间小于2752个TRS，输 出信号将会如何？
光电式传感器及其应用ppt课件
暗电阻普通超越1MΩ,甚至高达100MΩ，亮电阻那么在几kΩ 以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，灵敏度很高。
21
第8章 光电式传感器及其应用
4) 光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光敏电阻
的光照特性。不同类型的光敏电阻,光照特性不同。
光 电 / 流 m A
0. 25 0. 20 0. 15 0. 10 0. 05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 光 通 量 / lm
光敏电阻的光照特性
多数是非线性的。不宜 做线性丈量元件，普通 用做开关式的光电转换 器。
22
第8章 光电式传感器及其应用
5)光谱特性
光敏电阻对不同波长的光,光谱灵敏度不同,而且不
同种类光敏电阻峰值波长也不同。
10 0
80
60
硫 化铅
40
硫 化铊
第8章 光电式传感器及其应用
1
第8章 光电式传感器及其应用
按任务原理分类： 光电效应传感器 红外热释电传感器 固体图像传感器 光纤传感器
2
第8章 光电式传感器及其应用
第5章 光电式传感器及其运用
光电传感器:将光信号〔红外、可见光及紫外光〕转变成为 电信号的器件。
被丈量 的变化
光信号 的变化
电信号 的变化
20
硫 化镉
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
①不同资料，其峰值 波长不同。
②同一种资料，对不 同波长的入射光，其 相对灵敏度不同，呼 应电流不同。
应根据光源的性质， 选择适宜的光电元件 〔匹配〕使光电元件 得到较高得相对灵敏 度。
光敏电阻的光谱灵敏度
23
第8章 光电式传感器及其应用
6) 伏安特性
21
第8章 光电式传感器及其应用
4) 光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光敏电阻
的光照特性。不同类型的光敏电阻,光照特性不同。
光 电 / 流 m A
0. 25 0. 20 0. 15 0. 10 0. 05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 光 通 量 / lm
光敏电阻的光照特性
多数是非线性的。不宜 做线性丈量元件，普通 用做开关式的光电转换 器。
22
第8章 光电式传感器及其应用
5)光谱特性
光敏电阻对不同波长的光,光谱灵敏度不同,而且不
同种类光敏电阻峰值波长也不同。
10 0
80
60
硫 化铅
40
硫 化铊
第8章 光电式传感器及其应用
1
第8章 光电式传感器及其应用
按任务原理分类： 光电效应传感器 红外热释电传感器 固体图像传感器 光纤传感器
2
第8章 光电式传感器及其应用
第5章 光电式传感器及其运用
光电传感器:将光信号〔红外、可见光及紫外光〕转变成为 电信号的器件。
被丈量 的变化
光信号 的变化
电信号 的变化
20
硫 化镉
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
①不同资料，其峰值 波长不同。
②同一种资料，对不 同波长的入射光，其 相对灵敏度不同，呼 应电流不同。
应根据光源的性质， 选择适宜的光电元件 〔匹配〕使光电元件 得到较高得相对灵敏 度。
光敏电阻的光谱灵敏度
23
第8章 光电式传感器及其应用
6) 伏安特性
光电式传感器PPT课件
第8章 光电式传感器
图 8-2 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图
第8章 光电式传感器
2.光敏电阻的主要参数
(1) 暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值 称为暗电阻，此时流过的电流成为暗电流。
(2) 亮电阻与亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为 亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现 象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效 应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。
光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物 体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就 会逸出物体表面，产生光电子发射， 超过部分的能量表现为逸 出电子的动能。
8.1.2
1. 结构原理
光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳 中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图8-8）。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-9），在 没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称 为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附 近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下 作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此 光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导 通状态。
第8章 光电式传感器
光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在 需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图8-11 是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体 管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流 放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步 放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也 增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。
8光电式传感器
第8章光电式传感器
8. 1光电效应及光电器件
8.2光纤传感器
8.3电荷耦合器件
8. 1光电效应及光电器件
8.1.1光电效应 1.光电效应的类型 根据爱因斯坦的光子假说:光是一粒一粒运动着的粒子流，
这些光粒子称为光子。每个光子具有一定能量，它的能量 由下式确定，即 E=hν (8一1) 式中:h—普朗克常数，h=6.626 x10-3J·s，; ν—光子频率。 光子以光速c传播，频率为ν，相邻两峰间的距离即为波 长λ，它们之间的关系为 λ=c/ν (8一2)
感。将其PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗日， 以便使光线集中在PN结上。
光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态，如图8
一13所示。当无光照时，与一般二极管一样，电路中 仅有很小的反向饱和漏电流，称暗电流，当有光照射 时，PN结附近受光子轰击，产生电子一空穴对，使 PN结内的载流子大大增加。在反向电压的作用下，反 向饱和漏电流增大，称为光电流。
3.色散
当光信号以光脉冲形式输入到光纤，经过光纤传输 后脉冲变宽，这种现象称为色散。光的色散是由于光 在介质中的速度以及介质的折射率与光的波长有关。 光纤色散使传播的信号脉冲发生畸变，从而限制了光 纤的传输带宽，所以在光纤通信中，它关系到通信信 息的容量和品质。光纤的色散分为材料色散、波导色 散和多模色散3种。对于多模光纤中的色散主要是由多 模色散引起的，单模光纤的色散主要由材料色散引起。
2)光电导效应 在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡
到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为 光电导效应。由于这里没有电子从物体向外发射，仅 改变物体内部的电阻或电导，与外光电效应对照，有 时也称为内光电效应。 光电导效应是由于在光线的照射下，半导体中的原子 受激发成为自由电子或空穴，它们参加导电使半导体 的电导率增加了。与外光电效应一样，要产生光电导 效应，一也要受到红限频率限制。 利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。
8. 1光电效应及光电器件
8.2光纤传感器
8.3电荷耦合器件
8. 1光电效应及光电器件
8.1.1光电效应 1.光电效应的类型 根据爱因斯坦的光子假说:光是一粒一粒运动着的粒子流，
这些光粒子称为光子。每个光子具有一定能量，它的能量 由下式确定，即 E=hν (8一1) 式中:h—普朗克常数，h=6.626 x10-3J·s，; ν—光子频率。 光子以光速c传播，频率为ν，相邻两峰间的距离即为波 长λ，它们之间的关系为 λ=c/ν (8一2)
感。将其PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗日， 以便使光线集中在PN结上。
光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态，如图8
一13所示。当无光照时，与一般二极管一样，电路中 仅有很小的反向饱和漏电流，称暗电流，当有光照射 时，PN结附近受光子轰击，产生电子一空穴对，使 PN结内的载流子大大增加。在反向电压的作用下，反 向饱和漏电流增大，称为光电流。
3.色散
当光信号以光脉冲形式输入到光纤，经过光纤传输 后脉冲变宽，这种现象称为色散。光的色散是由于光 在介质中的速度以及介质的折射率与光的波长有关。 光纤色散使传播的信号脉冲发生畸变，从而限制了光 纤的传输带宽，所以在光纤通信中，它关系到通信信 息的容量和品质。光纤的色散分为材料色散、波导色 散和多模色散3种。对于多模光纤中的色散主要是由多 模色散引起的，单模光纤的色散主要由材料色散引起。
2)光电导效应 在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡
到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为 光电导效应。由于这里没有电子从物体向外发射，仅 改变物体内部的电阻或电导，与外光电效应对照，有 时也称为内光电效应。 光电导效应是由于在光线的照射下，半导体中的原子 受激发成为自由电子或空穴，它们参加导电使半导体 的电导率增加了。与外光电效应一样，要产生光电导 效应，一也要受到红限频率限制。 利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。
光电传感器PPT课件
28
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光电倍增管的类型
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30
个人观点供参考，欢迎讨论！
20
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五、光电池
光电池是根据光生伏特效应工作的。是
一种自发式的光电元件，它受到光照射时能 产生一定方向的电动势，只要接通外电路， 便有电流通过。应用最广泛的是硅光电池。
21
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光电池的外形
22
.
光电池既可以作为电源，又可以作为光 电检测器件，作为电源使用的光电池，主要 是直接把太阳的辐射能转换为电能，成为太 阳电池。太阳电池不需要燃料，没有运动部 件，也不排放气体，具有重量轻、性能稳定、 光电转换率高、使用寿命长、不产生污染等 优点，在航天技术、气象观测、工农业生产 乃至人们的日常生活等方面都得到广泛的应 用。
两种，它们都是根据光电导效应工作的。与
光敏电阻器相比，光敏晶体管具有灵敏度高、 高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便 等优。
11
.
1、光敏二极管
将光敏二极管的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。
光敏二极管把光信号转换 为电信号。
2、内光电效应
.
光照射在半导体材料时，激发出光生电子—空穴对，
从而使半导体材料产生分为两种
1）光电导效应——光照射使材料的电阻率变化的现
象。
根据该效应工作的器件有光敏电阻和光敏二极管与三
极管。
2）光生伏特效应——光照引起半导体PN结两端产生
电动势的现象。
5
根据该效应工作的光电器件有光电池。
12
.
PN结相关知识
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导 体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗） 基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
.
光电倍增管的类型
29
.
30
个人观点供参考，欢迎讨论！
20
.
五、光电池
光电池是根据光生伏特效应工作的。是
一种自发式的光电元件，它受到光照射时能 产生一定方向的电动势，只要接通外电路， 便有电流通过。应用最广泛的是硅光电池。
21
.
光电池的外形
22
.
光电池既可以作为电源，又可以作为光 电检测器件，作为电源使用的光电池，主要 是直接把太阳的辐射能转换为电能，成为太 阳电池。太阳电池不需要燃料，没有运动部 件，也不排放气体，具有重量轻、性能稳定、 光电转换率高、使用寿命长、不产生污染等 优点，在航天技术、气象观测、工农业生产 乃至人们的日常生活等方面都得到广泛的应 用。
两种，它们都是根据光电导效应工作的。与
光敏电阻器相比，光敏晶体管具有灵敏度高、 高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便 等优。
11
.
1、光敏二极管
将光敏二极管的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。
光敏二极管把光信号转换 为电信号。
2、内光电效应
.
光照射在半导体材料时，激发出光生电子—空穴对，
从而使半导体材料产生分为两种
1）光电导效应——光照射使材料的电阻率变化的现
象。
根据该效应工作的器件有光敏电阻和光敏二极管与三
极管。
2）光生伏特效应——光照引起半导体PN结两端产生
电动势的现象。
5
根据该效应工作的光电器件有光电池。
12
.
PN结相关知识
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导 体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗） 基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
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INR 8 5 10
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
2 4V
I0
I1
I2
I3
I4
I5
I6
L8
I7
5 21 -1
P1 .7
INR 2 7 1K
27
例： 光电耦合器隔离输出
如果外部干扰强，或者电压高，为了保证单片机的可靠工作， 一般使用光电耦合器件隔离输出。
VIO VCC
1 2 16 15
1 0K
6 R25
8
（4）响应时间与频率特性
光敏电阻在照射光强变化时，由于光电导的驰豫现象，其 电阻的变化在时间上有一定的滞后，通常用响应时间表示。 响应时间又分为上升时间t1和下降时间t2，
9
光敏电阻上升和下降时间的长短，表示其对动态光信号响应的 快慢，即频率特性，如图所示。 光敏电阻的频率特性不仅与元件的材料有关，而且还与光照的 强弱有关。
6 R28 1 0K +24 V 6 R15 1 0K
6 R29 1 0K +24 V
G2 4
G2 4
G2 4
G2 4
OT 5
G2 4 6 U2B 5 21
16
15
14
13
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11
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6 U2A 5 21
6 U1A 5 21
6 U1B 5 21
6 U1C 5 21
6 U1D 5 21
1
2
输入信号
26
8路光电隔离输入
P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6
VC C VC C VC C VC C VC C VC C VC C VC C INR 2 0 1K INR 2 1 1K INR 2 2 1K INR 2 3 1K INR 2 4 1K INR 2 5 1K INR 2 6 1K
（2）透镜——将光源的光变为平行光 （3）主光栅尺——又叫标尺光栅，一般较长，固定不动
4
基本结构和电路
如图
光 照
RG
负 RL 载
5
3、 光敏电阻的基本特性
（1） 光谱特性
是指光电流对不同波长的单色光的相对灵敏度。
典型光谱特性如下：
6
（2）光照特性
是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。
光敏电阻具有较高的灵敏度 具有明显的非线性
7
（3）伏安特性
在一定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与其光电流之间的 关系，称为伏安特性。
22
（5） 温度特性
在端电压和光照度一定条件下，光敏管的暗电流及光电流与温 度的关系，称为光敏管的温度特性。
23
四、常用光电器件的应用
1.光电耦合器
光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件 合并使用, 以光作为媒介传递信号的光电器件。
光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管, 光电接 收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。 根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合 器和用于检测有无物体的光电开关。
同样用光电池做检测元件——光源与光电池处于被测薄膜两边
光源的光——一部分被吸收，一部分投射到达光电池
吸收的光的量与薄膜厚度有关——也就是通过透射到达光电池 的光与薄膜厚度有关。
32
5. 红外遥控器
发射管----接收管分别处于……
33
6. 反射式红外收发
还有反射式红外收发器件，例如
红外控制的洗手池的自动水龙头——用到 红外发射接收器件
5 21 -1
5Байду номын сангаас21 -1
5 21 -1
5 21 -1
5 21 -1
5 21 -1
5 21 -1
INO1
INO2
INO3
INO4
INO5
INO6
INO7
INR 1 5 10
INR 2 5 10
INR 3 5 10
INR 4 5 10
INR 5 5 10
INR 6 5 10
INR 7 5 10
INO8
36
一、莫尔条纹
1.光栅 又叫光栅尺，利用化学方法在玻璃上均匀刻线，形成规则排 列的透光和不透光的明暗条纹——透射式光栅尺
3 2 1
W n
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
m
n
m---暗条纹宽度；
n---亮条纹宽度；
W=m+n – 光栅栅距 ，又叫光栅常数
37
01
11
00
10
除了直光栅外，还有圆光栅
第八章 光电传感器
1
第一节 常用光电器件
是一种将光信号转换成电信号的装置。
具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点。
得到广泛应用。 光电效应通常可分为三类
（1）光电导效应：光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值变化 的效应。
光敏电阻属于这类器件 （2）光生伏特效应：光照改变半导体PN结电场，从而引起结电势变化的效 应，又叫做PN结光电效应。 光电池、光敏晶体管属于这类器件 （3）光电发射效应：某些物质在光的照射下，能从表面向外部发射电子的 现象，叫光电发射效应。 光电管、光电倍增管属于这类器件。
30
3. 反射式固体表面粗糙度仪
教材P133页给出了一种利用光电池做检测元件的固体物表面粗 糙度测量仪器的基本原理。 光源发射的光照射到被测固体物表面，一部分光被吸收，一部 分光被反射。 表面粗造度不同——对光的反射不同 表面光滑，反射的光多 反之少
用光电池接收反射的光——
31
4. 透射式薄膜厚度计
24
用于实现电信号隔离传输的光 耦: 使用注意事项： 隔离的两边不应该有电的任何 联系。
25
例：光电耦合器件实现输入信号的隔离
L1
VIO S1 G_ IO
IN_O1
INR20 3.3KΩ
VCC
I0 INR1 1KΩ 521-1
P1.0
输入信号
光电耦合器件隔离， 使输入开关电路与 单片机电路之间无 电的联系
14
（3）频率特性
光电池的频率特性是指其输出电流随照射光调制频率变 化的关系，如图所示。
硅光电池响应频率较高，适用于作高速计数的运算器电池； 硒光电池响应频率较低，不宜用做快速光电转换。
15
（4） 温度特性
一组硅光电池的温度特性是指其开路电压和短路电流随温度变 化的关系。
硅光电池的开路电压随温度升高快速下降，短路电流缓慢上升
OT 0
OT 1
OT 2
OT 3
OT 4
6 Q1 NT D2 95 5
6 Q2 NT D2 95 5
6 Q3 NT D2 95 5
6 Q4 NT D2 95 5
6 Q5 NT D2 95 5
6 R25 1 0K +24 V 6 R9 1 0K
6 R26 1 0K +24 V 6 R11 1 0K
6 R27 1 0K +24 V 6 R13 1 0K
16
三、光敏二极管和光敏晶体管
1. 光敏二极管的光电效应
无光照时, 反向电阻很大, 反向电流很小（暗电流）。 有光照时, 光生电子和空穴在PN结电场和外加反向偏压的共 同作用下，形成光电流I。光的照度越大, 光电流越大。
17
2. 光敏晶体管的光电效应
无光照时, 相当于晶体管基极开路,只有很小的暗电流 有光照时, 光生电子和空穴形成基极电流，此电流在外加集 电结反偏电压作用下，经放大而成为集电极电流。
18
3. 光敏管的基本特性
（1） 光谱特性 光敏管在恒定电压作用和恒定光通量照射下，光电流（用相对 值或相对灵敏度）与入射光波长的关系，称为光敏管的光谱特 性。 Si光敏管，光谱响应波段 400~1300nm，峰值响应波 长约为900nm
Ge光敏管，光谱响应波段 500~1800nm，峰值响应波 长约为1500nm
19
（2） 光照特性
在端电压一定条件下，光敏管的光电流与光照度的关系，称为 光敏管的光照特性。
20
（3）伏安特性
光敏管在一定光照下，其端电压与器件中电流的关系，称为光 敏管的伏安特性。
21
（4） 频率特性
光敏管的频率响应是指具有一定频率的调制光照射光敏管时， 光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随调制频率的变化关 系。
3
4
5
6
7
8
1
2
3
VCC 6 R5 2 00
VCC 6 R1 2 00
VCC 6 R2 2 00
VCC 6 R3 2 00
VCC 6 R4 2 00
VCC
4
6 R6 2 00
P20
P21
P22
P23
P24
P20
P21
P22
P23
P24
P25
P25
13
9
29
2. 光电转速计
一种用于检测的光电耦合器
是一种透射式，一边为发光元件，另一边为光敏元件。
W 2 BH sin / 2
由于β很小，
sin / 2
2 (8 1)
40
W W 2 故 BH sin / 2
3. 莫尔条纹的特性
（1） 莫尔条纹的间距BH对光栅常数W具有放大作用
BH
W
(8 1)
β是两光栅尺之间的夹角（用弧度表示）其值很小(<1)
故BH比光栅的删距W大很多，容易用光电元件检测。
例如：W=0.02mm，一般光电元件难以检测，当β=0.01 rad时， BH=2mm，已经容易用一般的光电元件进行检测了。 （2）莫尔条纹可以消除光栅尺局部缺陷引起的误差 （3）莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动的 大小和方向。
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
2 4V
I0
I1
I2
I3
I4
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I6
L8
I7
5 21 -1
P1 .7
INR 2 7 1K
27
例： 光电耦合器隔离输出
如果外部干扰强，或者电压高，为了保证单片机的可靠工作， 一般使用光电耦合器件隔离输出。
VIO VCC
1 2 16 15
1 0K
6 R25
8
（4）响应时间与频率特性
光敏电阻在照射光强变化时，由于光电导的驰豫现象，其 电阻的变化在时间上有一定的滞后，通常用响应时间表示。 响应时间又分为上升时间t1和下降时间t2，
9
光敏电阻上升和下降时间的长短，表示其对动态光信号响应的 快慢，即频率特性，如图所示。 光敏电阻的频率特性不仅与元件的材料有关，而且还与光照的 强弱有关。
6 R28 1 0K +24 V 6 R15 1 0K
6 R29 1 0K +24 V
G2 4
G2 4
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OT 5
G2 4 6 U2B 5 21
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14
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6 U1A 5 21
6 U1B 5 21
6 U1C 5 21
6 U1D 5 21
1
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输入信号
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8路光电隔离输入
P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6
VC C VC C VC C VC C VC C VC C VC C VC C INR 2 0 1K INR 2 1 1K INR 2 2 1K INR 2 3 1K INR 2 4 1K INR 2 5 1K INR 2 6 1K
（2）透镜——将光源的光变为平行光 （3）主光栅尺——又叫标尺光栅，一般较长，固定不动
4
基本结构和电路
如图
光 照
RG
负 RL 载
5
3、 光敏电阻的基本特性
（1） 光谱特性
是指光电流对不同波长的单色光的相对灵敏度。
典型光谱特性如下：
6
（2）光照特性
是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。
光敏电阻具有较高的灵敏度 具有明显的非线性
7
（3）伏安特性
在一定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与其光电流之间的 关系，称为伏安特性。
22
（5） 温度特性
在端电压和光照度一定条件下，光敏管的暗电流及光电流与温 度的关系，称为光敏管的温度特性。
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四、常用光电器件的应用
1.光电耦合器
光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件 合并使用, 以光作为媒介传递信号的光电器件。
光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管, 光电接 收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。 根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合 器和用于检测有无物体的光电开关。
同样用光电池做检测元件——光源与光电池处于被测薄膜两边
光源的光——一部分被吸收，一部分投射到达光电池
吸收的光的量与薄膜厚度有关——也就是通过透射到达光电池 的光与薄膜厚度有关。
32
5. 红外遥控器
发射管----接收管分别处于……
33
6. 反射式红外收发
还有反射式红外收发器件，例如
红外控制的洗手池的自动水龙头——用到 红外发射接收器件
5 21 -1
5Байду номын сангаас21 -1
5 21 -1
5 21 -1
5 21 -1
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INO1
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INR 1 5 10
INR 2 5 10
INR 3 5 10
INR 4 5 10
INR 5 5 10
INR 6 5 10
INR 7 5 10
INO8
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一、莫尔条纹
1.光栅 又叫光栅尺，利用化学方法在玻璃上均匀刻线，形成规则排 列的透光和不透光的明暗条纹——透射式光栅尺
3 2 1
W n
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
m
n
m---暗条纹宽度；
n---亮条纹宽度；
W=m+n – 光栅栅距 ，又叫光栅常数
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01
11
00
10
除了直光栅外，还有圆光栅
第八章 光电传感器
1
第一节 常用光电器件
是一种将光信号转换成电信号的装置。
具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点。
得到广泛应用。 光电效应通常可分为三类
（1）光电导效应：光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值变化 的效应。
光敏电阻属于这类器件 （2）光生伏特效应：光照改变半导体PN结电场，从而引起结电势变化的效 应，又叫做PN结光电效应。 光电池、光敏晶体管属于这类器件 （3）光电发射效应：某些物质在光的照射下，能从表面向外部发射电子的 现象，叫光电发射效应。 光电管、光电倍增管属于这类器件。
30
3. 反射式固体表面粗糙度仪
教材P133页给出了一种利用光电池做检测元件的固体物表面粗 糙度测量仪器的基本原理。 光源发射的光照射到被测固体物表面，一部分光被吸收，一部 分光被反射。 表面粗造度不同——对光的反射不同 表面光滑，反射的光多 反之少
用光电池接收反射的光——
31
4. 透射式薄膜厚度计
24
用于实现电信号隔离传输的光 耦: 使用注意事项： 隔离的两边不应该有电的任何 联系。
25
例：光电耦合器件实现输入信号的隔离
L1
VIO S1 G_ IO
IN_O1
INR20 3.3KΩ
VCC
I0 INR1 1KΩ 521-1
P1.0
输入信号
光电耦合器件隔离， 使输入开关电路与 单片机电路之间无 电的联系
14
（3）频率特性
光电池的频率特性是指其输出电流随照射光调制频率变 化的关系，如图所示。
硅光电池响应频率较高，适用于作高速计数的运算器电池； 硒光电池响应频率较低，不宜用做快速光电转换。
15
（4） 温度特性
一组硅光电池的温度特性是指其开路电压和短路电流随温度变 化的关系。
硅光电池的开路电压随温度升高快速下降，短路电流缓慢上升
OT 0
OT 1
OT 2
OT 3
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6 Q1 NT D2 95 5
6 Q2 NT D2 95 5
6 Q3 NT D2 95 5
6 Q4 NT D2 95 5
6 Q5 NT D2 95 5
6 R25 1 0K +24 V 6 R9 1 0K
6 R26 1 0K +24 V 6 R11 1 0K
6 R27 1 0K +24 V 6 R13 1 0K
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三、光敏二极管和光敏晶体管
1. 光敏二极管的光电效应
无光照时, 反向电阻很大, 反向电流很小（暗电流）。 有光照时, 光生电子和空穴在PN结电场和外加反向偏压的共 同作用下，形成光电流I。光的照度越大, 光电流越大。
17
2. 光敏晶体管的光电效应
无光照时, 相当于晶体管基极开路,只有很小的暗电流 有光照时, 光生电子和空穴形成基极电流，此电流在外加集 电结反偏电压作用下，经放大而成为集电极电流。
18
3. 光敏管的基本特性
（1） 光谱特性 光敏管在恒定电压作用和恒定光通量照射下，光电流（用相对 值或相对灵敏度）与入射光波长的关系，称为光敏管的光谱特 性。 Si光敏管，光谱响应波段 400~1300nm，峰值响应波 长约为900nm
Ge光敏管，光谱响应波段 500~1800nm，峰值响应波 长约为1500nm
19
（2） 光照特性
在端电压一定条件下，光敏管的光电流与光照度的关系，称为 光敏管的光照特性。
20
（3）伏安特性
光敏管在一定光照下，其端电压与器件中电流的关系，称为光 敏管的伏安特性。
21
（4） 频率特性
光敏管的频率响应是指具有一定频率的调制光照射光敏管时， 光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随调制频率的变化关 系。
3
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P22
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P25
P25
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2. 光电转速计
一种用于检测的光电耦合器
是一种透射式，一边为发光元件，另一边为光敏元件。
W 2 BH sin / 2
由于β很小，
sin / 2
2 (8 1)
40
W W 2 故 BH sin / 2
3. 莫尔条纹的特性
（1） 莫尔条纹的间距BH对光栅常数W具有放大作用
BH
W
(8 1)
β是两光栅尺之间的夹角（用弧度表示）其值很小(<1)
故BH比光栅的删距W大很多，容易用光电元件检测。
例如：W=0.02mm，一般光电元件难以检测，当β=0.01 rad时， BH=2mm，已经容易用一般的光电元件进行检测了。 （2）莫尔条纹可以消除光栅尺局部缺陷引起的误差 （3）莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动的 大小和方向。