第三章光電傳感器

1、LOGO光電傳感器光電傳感器photoelectric detection 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company LogoCompany Logo光電傳感器的應(yīng)用舉例光電傳感器的應(yīng)用舉例煙塵濁度監(jiān)測儀煙塵濁度監(jiān)測儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進(jìn)行監(jiān)測、自動顯示和超標(biāo)報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Lo

2、go光電傳感器的應(yīng)用舉例光電傳感器的應(yīng)用舉例平行光源光電探測放大顯示刻度 校正報警器吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖煙道煙塵濁度監(jiān)測儀煙塵濁度監(jiān)測儀傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo各種光電傳感器各種光電傳感器定向反射式光電傳感器E3X-ZA光電傳感器 光電式煙霧傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器 亮度傳感器 反射式光電傳感器 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo 光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把把光信號光信號（紅外、可見及紫外光輻（紅外、可見及紫外光輻

3、射）轉(zhuǎn)變成為射）轉(zhuǎn)變成為電信號電信號的器件。的器件。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo第三章第三章 光電傳感器光電傳感器3.0 光源光源3.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)3.2光敏電阻光敏電阻3.3光電二極管光電二極管3.4光電晶體管光電晶體管3.5其他光電傳感器其他光電傳感器傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.0 光源光源引入節(jié)引入節(jié) 光源光源一、光譜一、光譜光波：光波： 波長為波長為101010106 6nmnm的電磁波的電磁波可見光：可見光：波長波長380780nm380780nm紫外線：紫外線：波長波長10380nm10380nm， 波長波長30038

4、0nm300380nm稱為近紫外線稱為近紫外線 波長波長200300nm200300nm稱為遠(yuǎn)紫外線稱為遠(yuǎn)紫外線 波長波長10200nm10200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：紅外線：波長波長78010780106 6nmnm 波長波長3m3m（即（即3000nm3000nm）以下的稱近紅外線）以下的稱近紅外線 波長超過波長超過3m 3m 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.0 光源光源用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的發(fā)光

5、范圍連續(xù)的發(fā)光范圍：可見光：可見光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。能和它配合接收到光信號。二、光源（發(fā)光器件）二、光源（發(fā)光器件）1 1、鎢絲白熾燈、鎢絲白熾燈傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.0 光源光源氣體放電燈的光譜是氣體放電燈的光譜是不連續(xù)不連續(xù)的，光譜與氣體的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。譜范圍的輻射。低壓汞燈、氫燈、

6、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為燈的輻射波長為254nm254nm，鈉燈的輻射波長為，鈉燈的輻射波長為589nm589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源單色光源。 氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈1/21/31/21/3。2 2、氣體放電燈、氣體放電燈定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.0 光源光源由

7、半導(dǎo)體由半導(dǎo)體PNPN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。發(fā)光二極管的發(fā)光二極管的伏安特性伏安特性與普通二極管相似，與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點燃）電壓略但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點燃）電壓略有差異。圖為砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線，有差異。圖為砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線，紅色約為紅色約為1.7V1.7V開啟，綠色約為開啟，綠色約為2.2V2.2V。3 3、發(fā)光二極管、發(fā)光二極管LEDLED（Light Emitting DiodeLight

8、Emitting Diode）傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.0 光源光源激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦氣體激光器（如氦- -氖氣體激光器、二氧化碳激光器）氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。液體激光器。4 4、激光器、激光器激光是激光是2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有具有高方向性高方向性、高單色性高單色性和和高亮度高亮度三個重要特性。激光波

9、三個重要特性。激光波長從長從0.24m0.24m到遠(yuǎn)紅外整個光頻波段范圍。到遠(yuǎn)紅外整個光頻波段范圍。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)1 1、光具有粒子性，能量是一份一份的。、光具有粒子性，能量是一份一份的。5 5、光電效應(yīng)具有瞬、光電效應(yīng)具有瞬時性時性. .從從“光子光子”撞撞擊擊“電子電子”，到，到“電電子子”飛出滑道所需要飛出滑道所需要的時間相對較短。的時間相對較短。4 4、每種金屬都有特定的逸出功。、每種金屬都有特定的逸出功。3 3、電子的最大初動能與入射光的強度、

10、電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨入射光的頻率的增大而增無關(guān)，只隨入射光的頻率的增大而增大。大。2 2、任何金屬都有截止頻率，入射光的、任何金屬都有截止頻率，入射光的頻率必須大于這個截止頻率，才會發(fā)頻率必須大于這個截止頻率，才會發(fā)生光電效應(yīng)，否則，即使增加光強生光電效應(yīng)，否則，即使增加光強( (增增加光子的個數(shù)加光子的個數(shù)) )也無濟(jì)于事。也無濟(jì)于事。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原子的能量，從而產(chǎn)生的

11、電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。效應(yīng)兩大類。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)當(dāng)入射光當(dāng)入射光很微弱時，普通很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有電流很小，只有零點幾零點幾AA，不，不容易探測，需要容易探測，需要用光電倍增管對用光電倍增管對電流進(jìn)行放大。電流進(jìn)行放大。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用1 1、外光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)Company Logo3.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表在光線的作用下，物體內(nèi)的電

12、子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的向外發(fā)射的電子叫做光電子。電子叫做光電子。 入射光發(fā)生外光電效應(yīng)的波長限由下式確入射光發(fā)生外光電效應(yīng)的波長限由下式確定：定：01.239hcmAAc為光速，為光速，h為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，A為物體的表面逸為物體的表面逸出功。出功。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)

13、效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電基于這種效應(yīng)的光電元件有光敏電阻。元件有光敏電阻。2 2、內(nèi)光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)兩類：兩類：（1 1）光電導(dǎo)效應(yīng)）光電導(dǎo)效應(yīng)傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)過程：過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量

14、大當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶禁帶禁帶自由電子所占能帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶價電子所占能帶Eg傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電

15、導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限在一個照射光波長限0 0，只有波長小于，只有波長小于0 0的光照射在光電導(dǎo)的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。增加。式中式中、分別為入射光的頻率和波長。分別為入射光的頻率和波長。 Eg24. 1hch 為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度的禁帶寬度E Eg g，即，即傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.1光電效應(yīng)光電效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電在光線作用下能夠

16、使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。（2 2）光生伏特效應(yīng)）光生伏特效應(yīng)傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用 基于該效應(yīng)的光電元件有光電池和光電二基于該效應(yīng)的光電元件有光電池和光電二極管、光電晶體管。極管、光電晶體管。勢壘效應(yīng)勢壘效應(yīng)( (結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng)) )側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng)Company Logo3.2光敏電阻光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強而作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強而減小。減小。優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、優(yōu)點：靈敏度高

17、，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。能力強和壽命長等。不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。 光敏電阻光敏電阻傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.2光敏電阻光敏電阻 光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線電極引線光電導(dǎo)體光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生

18、的光電效光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案，結(jié)構(gòu)見圖。極一般采用硫狀圖案，結(jié)構(gòu)見圖。1. 1. 光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu)傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.2光敏電阻光敏電阻1-1-光導(dǎo)層光導(dǎo)層; ; 2-2-玻璃窗口玻璃窗口; ; 3-3-金屬外殼金屬外殼; ; 4-4-電極電

19、極; ;5-5-陶瓷基座陶瓷基座; ; 6-6-黑色絕緣玻璃黑色絕緣玻璃; ; 7-7-電阻引線。電阻引線。RG1234567(a)結(jié)構(gòu) (b)電極 (c)符號它是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。它是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種硫狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈這種硫狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。圖（敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。圖（c c）是光敏電阻）是光敏電阻的代表符號。的代表符號。CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Comp

20、any Logo3.2光敏電阻光敏電阻光敏電阻具有光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。因此應(yīng)用比較廣泛。 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連

21、線電路如圖所示。改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。 RGRLEI傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.2光敏電阻光敏電阻（1 1）暗電流、亮電流、光電流）暗電流、亮電流、光電流暗電流：暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流。給定電壓下流過的電流。亮電流：亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時流過的電流。下的亮電阻，此時流過的電流。光電流：光電流：亮

22、電流與暗電流之差。亮電流與暗電流之差。2. 2. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.2光敏電阻光敏電阻（2）光敏電阻的電阻特性光敏電阻的電阻特性如教材66頁圖3-2所示，圖中曲線斜率 也稱為照度指數(shù)， （3）光敏電阻的電壓光電流特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為電壓-光電流特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的電壓-光電流特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。10100lg(/)lg(10 /100)RR傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company L

23、ogo3.2光敏電阻光敏電阻501001502001220I/ A在一定的光照度下，所加的電在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無限飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。U/V40傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.2光敏電阻光敏電阻（4 4）光敏電阻的穩(wěn)定性光敏電阻

24、的穩(wěn)定性初制成的光敏電阻，由于初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及體內(nèi)機構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡，所以性能是不夠所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個穩(wěn)定值后就值上升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點。不再變了。這就是光敏電

25、阻的主要優(yōu)點。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是幾乎是無限長無限長的。的。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.3光電二極管光電二極管 光電二極管符號如圖。鍺光電二極管有光電二極管符號如圖。鍺光電二極管有A A，B B，C C，D D四類；四類；硅光電二極管有硅光電二極管有2CU1A2CU1AD D系列、系列、2DU12DU14 4系列。系列。 光電二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外光電二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其殼中，其PNPN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光電二極

26、管在電結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光電二極管在電路中一般是處于路中一般是處于反向工作狀態(tài)反向工作狀態(tài)，如圖所示。，如圖所示。光電二極管符號光電二極管符號RL 光PN光電二極管接線光電二極管接線 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.3光電二極管光電二極管光電二極管在沒有光照射時，反向電阻很光電二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流暗電流。受光照射時，受光照射時，PNPN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子量而產(chǎn)生電子- -空穴對，從而使空穴對，從而使P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的少數(shù)區(qū)

27、的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，內(nèi)電場的作用下， P P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入層進(jìn)入N N區(qū)，區(qū)， N N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入?yún)^(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P P區(qū)，從而使通過區(qū)，從而使通過PNPN結(jié)的反向電流大為增加，這結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。就形成了光電流。光電二極管的光電流與照度光電二極管的光電流與照度之間呈線性關(guān)系。光電二極管的光照特性是線之間呈線性關(guān)系。光電二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)

28、及應(yīng)用1 1、光電二極管的工作原理、光電二極管的工作原理PN光Company Logo3.3光電二極管光電二極管2 2、光電二極管的優(yōu)缺點、光電二極管的優(yōu)缺點 優(yōu)點：線性度好，響應(yīng)速度快，靈敏度較高，優(yōu)點：線性度好，響應(yīng)速度快，靈敏度較高，噪聲低，適用范圍廣。噪聲低，適用范圍廣。 缺點：輸出電流小。缺點：輸出電流小。3 3、光電二極管的檢測、光電二極管的檢測根據(jù)外觀標(biāo)記判斷極性根據(jù)外觀標(biāo)記判斷極性使用萬用表的歐姆檔判斷極性使用萬用表的歐姆檔判斷極性傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.4光電晶體管光電晶體管光電晶體管光電晶體管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三

29、極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時,會產(chǎn)生電子-空穴對,在內(nèi)電場的作用下,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倍。 PPNNNPe b bc RL Eec傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.4光電晶體管光電晶體管3 3、光照特性、光照特性當(dāng)光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。 傳感器

30、技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用光電晶體管的幾個主要特性：光電晶體管的幾個主要特性：1 1、光譜特性、光譜特性存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。2 2、伏安特性、伏安特性基本上與三極管相同。Company Logo3.4光電晶體管光電晶體管暗電流/mA光電流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶體管的溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變

31、化對光及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大所以電子線路中應(yīng)電流的影響很小，而對暗電流的影響很大所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。該對暗電流進(jìn)行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用4 4、溫度特性、溫度特性Company Logo3.4光電晶體管光電晶體管 光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率

32、響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在射光的調(diào)制頻率要求在5 5k kHzHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調(diào)制頻率 / HZ相對靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用5 5、光敏三極管的頻率特性、光敏三極管的頻率特性Company Logo3.5其他光電傳感器其他光電傳感器光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件

33、。又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的。件。又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的。它有較大面積的它有較大面積的PNPN結(jié)，當(dāng)光照射在結(jié)，當(dāng)光照射在PNPN結(jié)上時，在結(jié)的兩端結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。出現(xiàn)電動勢。命名方式：把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池命名方式：把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前目前, ,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。 硅光硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接

34、受紅外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02(0.02) )、壽命短，適于接收可、壽命短，適于接收可見光見光( (響應(yīng)峰值波長響應(yīng)峰值波長0.56m)0.56m)，最適宜制造照度計。砷化，最適宜制造照度計。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它主要用于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源。因此，它主要用于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源。光電池光電池 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company

35、Logo3.5其他光電傳感器其他光電傳感器 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個直流交流變換器。個直流交流變換器。 調(diào)節(jié)控制器逆變器 交流負(fù)載太陽電池方陣 直流負(fù)載太陽能電池電源系統(tǒng)太陽能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管1、太陽電池電源、太陽電池電源傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.5其他光電傳感器其他光電傳感器(a) 光電追蹤電路光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 圖圖(a)(a)

36、為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時，執(zhí)行機構(gòu)類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時，執(zhí)行機構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。差動信號帶動執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。2、光電池在檢測和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路、光電池在檢測和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.5其他光電傳感器其他光電傳感器BG2BG1

37、+12VC J R1 R2(b) 光電開關(guān)光電開關(guān) 圖圖(b)(b)所示電路為光電開關(guān)，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光所示電路為光電開關(guān)，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)射時，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開關(guān)目的。就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開關(guān)目的。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.5其他光電傳感器其他光電傳感器色敏光電傳感器色敏光電傳感器P+NPSiO2電極電極1 電極電極2

38、電極3123色敏光電傳感器和等效電路色敏光電傳感器和等效電路 色敏光電傳色敏光電傳感器實際上是光感器實際上是光電傳感器的一種電傳感器的一種特殊類型。它是特殊類型。它是兩只結(jié)深不同的兩只結(jié)深不同的的光電二極管組的光電二極管組合體，其結(jié)構(gòu)和合體，其結(jié)構(gòu)和工作原理的等效工作原理的等效電路如圖所示。電路如圖所示。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.5其他光電傳感器其他光電傳感器 光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD(Charge Transfer Devic

39、e),CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件最常用的是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)CCD(Charge Coupled Device)。CCDCCD自自19701970年問世以后，由于它的低噪聲等特點，被廣泛應(yīng)用在年問世以后，由于它的低噪聲等特點，被廣泛應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面。微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面。光固態(tài)圖象傳感器光固態(tài)圖象傳感器傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo3.5其他光電傳感器其他光電傳感器1 1CCDCCD的結(jié)構(gòu)和基本原理的結(jié)構(gòu)和基本原理P型Si耗盡區(qū)耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向電荷轉(zhuǎn)移方向123輸出柵輸出柵輸入柵輸入柵輸入二極管輸入二極管輸出二極管輸出二極管 SiO2CCD的的MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) CCD CCD是由若干個電荷耦合單元組成，該單元的結(jié)構(gòu)如圖所是由若干個電荷耦合單元組成，該單元的結(jié)構(gòu)如圖所示。示。CCDCCD的最小單元是在的最小單元是在P P型（或型（或N N型）硅襯底上生長一層厚度型）硅襯底上生長一層厚度約