光电传感器

a)光电池符号
图3-4-4
b)基本工作电路
c)等效电路
光电池的符号、基本工作电路和等效电路
光电池外形
光敏面
光电池的光照特性
开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线， 当照度为2000lx时趋向饱和。 短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。
Isc /mA
5 4 3 2 1 0 2 开路电压
2）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。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电 池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。 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。
光 I P N
图3-4-3 光电池工作示意图
I
I
IΦ
U
Id
U
RL
光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体 严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在 外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其 连线电路如图3-4-2所示。
I RL RG
E
图3-4-2 光敏电阻接外电路示意图
光敏电阻具有很 高的灵敏度，很好的 光谱特性，光谱响应 可从紫外区到红外区 范围内。而且体积小、 重量轻、性能稳定、 价格便宜，因此应用 比较广泛。
1 2 We hv mv 0 A 2
式(3-4-1)
式中，m为电子的质量； A为物体的电子表面逸出功。
1）光电倍增管
它由光电阴极，阳极和倍增极(也称打拿极)D组成。 光电阴极发射光电子在电场作用下被加速，以高速射 入倍增极，倍增极表面逸出加倍的电子，称为二次发射。 倍增极数目一般为4～14个，增益。常见的光电倍增管按 进光部位可分为侧窗式和端窗式两类；按管内电极构造形 状又可分聚焦式、百叶窗式和盒栅式等。
K
2）紫外线传感器
紫外线传感器的 外形结构如图3-4-1 所示，其中a为顶式 结构，b为卧式结构。 在玻璃管内有两个电 极，阴极和阳极。在 石英玻璃管内封入了 特殊的气体。
图3-4-1
紫外线传感器的外形结构图
4—引脚
a）顶式 b）卧式 1—阳极 2—阴极 3—石英玻璃管
在阴极和阳极间加约350V的电压，当紫外线 照射在光电阴极上时，阴极就会发射光电子。在 强电场的作用下，光电子高速向阳极运动，与管 内气体分子相碰撞而使气体分子电离，气体电气 离产生的电子再与气体分子相碰撞，最终使阴极 和阳极间被大量的光电子和离子所充斥，引成辉 光放电现象，电路中形成很大的电流值，与光电 倍增管很相似。 当没有紫外线照射时，阴极和阳极间没有电 内光电效应有光电导效应、光电动势效应及热电效应。
光电导效应
在光作用下，电子吸收光子能量从键合 状态过渡到自由状态，从而引起材料的电阻率降低。基 于这种效应的光电元件有光敏电阻。
光电动势效应
当光照射PN结时，在结区附近激发出 电子-空穴对。基于该效应的光电器件有光电池、光敏 二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。
光敏二极管符号如图3-4-5所示。锗光敏二极管有A， B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1A～D系列、2DU1～4 系列。 光
光 P P N N RL
图3-4-5
光电池的结构示意图、符号及工作电路图
光敏二极管的外形 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。
光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流
暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后 经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。 此时在给定电压下流过的电流。 亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值， 称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能 越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样 的光敏电阻的灵敏度越高。
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系
第四讲
一、光的知识 二、光电效应
光电式传感器
三、光电传感器的分类
四、光电传感器的应用
一、光的知识
在自然界中，光是最重要的信息媒介。光电传感器 把光信号转换为电信号，不仅可测光的各种参量，而且 可把其他非电量变换为光信号以实现检测与控制。 1、光的电磁说 光是一种电磁波，其频谱如图4-1所 示。可见光只是电磁波谱中的一小部分，波长在780～ 380nm之间，红光频率最低，紫光频率最高。光的频率 越高，携带的能量越大。 2、光的量子说 光是一种带有能量的粒子（称为光子） 所形成的粒子流。光子的能量为hv, h=6.63×10-34J•s 为普朗克常数，v为光的频率。当物质受光照后，物质 的电子吸收了光子的能量所产生
Uoc /V
0.5 0.4 0.3 短路电流 0.2 0.1
开路电压曲线用于低 照度检测并使负载电阻尽 量大；而短路电流曲线， 可用于高照度检测并使负 载电阻应尽量接近短路状 态。
4
6 L/klx
8
10
3）光敏管：
光敏二极管：光电二极管和光电池一样，其基本结构
也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面 积小，因此它的频率特性特别好。
二、光电效应
当物质受光照后，物质的电子吸收了光子的能量所产生 的电现象称为光电效应。它是光电元件的理论基础。 光 电 效 应 内光电效应
光电导效应
光电动势效应 光的热电效应
外光电效应
1、外光电效应
在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外 光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光 电倍增管、光电摄像管等。
光的热电效应
利用人体辐射的红外线的热效应 制成热释电（人体）传感器。
1）光敏电阻： 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其阻值随 光照增强而减小。
管芯是一块安装在绝缘衬 底上带有两个欧姆接触电极的 光电导体。光导体吸收光子而 产生的光电效应，只限于光照 的表面薄层，虽然产生的载流 子也有少数扩散到内部去，但 扩散深度有限，因此光电导体 一般都做成薄层。为了获得高 的灵敏度，光敏电阻的电极一 般采用硫状。如右图所示。
光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。
当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电 池的工作原理很相似。 当光不照射时，光敏二极管处于截止状态，这时 只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形 成微小的反向电流即暗电流。