Transcript chap8-1光电式传感器

第8章 光电式传感器
概述
光电式传感器是将光通量转换
为电量的一种传感器，光电式传感器的
基础是光电转换元件的光电效应。
由于光电测量方法灵活多样，可测
参数众多，具有非接触、高精度、高可
靠性和反应快等特点，使得光电传感器
在检测和控制领域获得了广泛的应用。
原理：

光源
光学通路
被测量
被测量
光电器件
输出
光电式传感器可分三大类：
1 .输出端为“有”或“无”电信号两种

状态

2 .产生的光电流是光通量的函数

3 .反映被测体的形状
光电效应
◆光电器件工作的物理基础是光电效应。光电
效应分为外光电效应和内光电效应两大类。
1．外光电效应
◆在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现
象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管
就属于这类光电器件。
光电器件
光电器件是构成光电式传感器最主
要的部件。光电式传感器的工作原理：
首先把被测量的变化转换成光信号的变
化，然后通过光电转换元件变换成电信
号。
光电器件的基本特性：
（1）光电流：光敏元件的两端加一定偏置电压
后，在某种光源的特定照度下产生或增加的
电流称为光电流。
（2）暗电流：光敏元件在无光照时，两端加电
压后产生的电流称为暗电流。
（3）光照特性：当光敏元件加一定电压时，光
电流I与光敏元件上光照度E之间的关系，称
为光照特性。一般可表示为
。
（4）光谱特性：当光敏元件加一定电压时，如
果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射
光功率不变时，光电流随入射光波长变化而
变化的关系
，称为光谱特性。

光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当
光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致
时，光电传感器的性能较好，效率也高。

在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱
范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。
（5）伏安特性：在一定照度下，光电流I与光敏元件
两端的电压U的关系
称为伏安特性。
（6）频率特性： 在相同的电压和相同幅值的光强度
下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏
元件输出的光电流I和灵敏度S随调制频率f变化的关
系：
、
称为频率特性。
（7）温度特性： 环境温度变化后，光敏元件的光学
性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。
物理基础


物理本质：高于绝对零度
热辐射，发热，吸热
可见光的光谱特性
可见光是波长为:
----380nm—780nm的电磁波。
依波长的不同，可见光可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种彩色光。
（1）光敏电阻
1．光敏电阻的结构与工作原理
◆光敏电阻又称光导管，是内光电效应（光电导
效应）器件，它几乎都是用半导体材料制成的
光电器件。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简
称为CDS。
◆光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使
用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无
光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中
电流（暗电流）很小。
◆当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它
的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速
增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小
越好，此时光敏电阻
的灵敏度高。实际
光敏电阻的暗电
阻值一般在兆欧级，
亮电阻在几千欧以下。
光敏电阻结构
2．光敏电阻的主要参数
（1）暗电阻
◆光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时
流过的电流称为暗电流。
（2）亮电阻
◆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。
（3）光电流
◆亮电流与暗电流之差称为光电流。
3．光敏电阻的基本特性
（1） 伏安特性
◆在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端
的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。
图为硫化镉光敏电阻
的伏安特性曲线。由图
可见，光敏电阻在一定
的电压范围内，其I-U曲
线为直线，说明其阻值与
入射光量有关，而与电
压、电流无关。
图8-5 硫化镉光敏电阻的伏安特性
（2）光谱特性
◆光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的
关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。
图8-4为几种不同材料
光敏电阻的光谱特性。
对应于不同波长，光
敏电阻的灵敏度是不
同的。
图8-4 光敏电阻的光谱特性
（3）光照特性
◆光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光
强之间的关系，如图8-3所示。
◆由于光敏电阻的光照
特性呈非线性，因此
不宜作为测量元件，
一般在自动控制系统
中常用作开关式光电
信号传感元件。
图8-3
光敏电阻的光照特性
（4）温度特性
◆光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的
暗电阻和灵敏度都下降。
◆温度变化影响光敏电
阻的光谱响应，尤其
是响应于红外区的硫
化铅光敏电阻受温度
影响更大。图为
硫化铅光敏电阻的光
谱温度特性曲线。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线
（5）光敏电阻的响应时间和频率特性
◆实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有
一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导
的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停
止光照起到电流下降到原来
的63%所需的时间，因此，t
越小，响应越迅速，但大多
数光敏电阻的时间常数都较
大,这是它的缺点之一。
光敏电阻的频率特性
光敏二极管和光敏三极管
图8-7 光敏二极管的结构原理
◆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a）。光敏二极管在电路中一般
是处于反向工作状态（见图b），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。
图8-9 NPN型光敏三极管结构简图和基本电路
◆ 图为NPN型光敏三极管的结构简图和基本电路。大多
数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于
发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏
压；当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子
-空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电
流。由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电
流的β