第6章磁場(chǎng)與成分參數(shù)測(cè)量傳感器

實(shí)用傳感器技術(shù)教程2023/2/51磁敏電阻傳感器1.2第6章磁場(chǎng)與成分參數(shù)測(cè)量傳感器6.1磁敏二極管和磁敏三極管6.3氣敏傳感器6.4集成磁場(chǎng)傳感器1.26.2濕敏傳感器6.42磁場(chǎng)以及成分參數(shù)的測(cè)量在日常生活以及工業(yè)中占據(jù)重要的地位。磁場(chǎng)的測(cè)量主要是磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁場(chǎng)方向的測(cè)量，成分參數(shù)測(cè)量主要是指氣體參數(shù)與濕度參數(shù)的測(cè)量。在本章中，磁場(chǎng)主要是通過磁敏電阻器、集成磁場(chǎng)傳感器、磁敏二極管和磁敏三極管進(jìn)行測(cè)量的，而氣體參數(shù)和濕度參數(shù)是通過氣敏傳感器和濕敏傳感器進(jìn)行測(cè)量的。

36.1磁敏電阻傳感器磁敏式傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型兩大類，前者有霍爾傳感器（其材料主要有InSb，InAs，Ge，Si，GaAs等）和磁敏電阻（1nSb，InAs），后者有磁敏二極管（Ge，Si）、磁敏晶體管（Si等）。它們都是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子或空穴隨磁場(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)方向這一特性而制成的一種磁敏傳感器。46.1.1磁敏傳感器原理與結(jié)構(gòu)磁敏電阻器是基于磁阻效應(yīng)的磁敏元件。

當(dāng)長方形半導(dǎo)體片受到與電流方向垂直的磁場(chǎng)作用時(shí)，不但產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，而且還會(huì)出現(xiàn)電流密度下降、電阻率增大的現(xiàn)象。若適當(dāng)?shù)剡x幾何尺寸，還會(huì)出現(xiàn)電阻值增大的現(xiàn)象。前一種現(xiàn)象稱為物理磁阻效應(yīng)，后一種現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應(yīng)。半導(dǎo)體磁阻器件就是綜合利用這樣兩種效應(yīng)而制成的磁敏器件。56.1.1磁敏傳感器原理與結(jié)構(gòu)1.磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)是指將一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中，其電阻率會(huì)發(fā)生變化（增大），它是伴隨霍爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生的一種物理效應(yīng)。

當(dāng)溫度恒定時(shí)，在弱磁場(chǎng)范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。如果器件只有在電子參與導(dǎo)電的簡(jiǎn)單情況下，理論推導(dǎo)出來的磁阻效應(yīng)方程為66.1.1磁敏傳感器原理與結(jié)構(gòu)1.磁阻效應(yīng)當(dāng)電阻率變化為時(shí)，則電阻率的相對(duì)變化率為半導(dǎo)體中僅存在一種載流子時(shí)，磁阻效應(yīng)很弱。若同時(shí)存在兩種載流子，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)，此時(shí)76.1.1磁敏傳感器原理與結(jié)構(gòu)2.磁敏電阻的結(jié)構(gòu)

常見的磁敏電阻有如下三種結(jié)構(gòu)，如圖6-1所示。圖6-1常見磁敏電阻結(jié)構(gòu)86.1.2磁敏電阻常用型號(hào)1.FCC/MC系列磁性傳感器

該傳感器是一種磁電轉(zhuǎn)換器件，它利用磁敏材料的固有特性，通過不同的特殊電路將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

參數(shù)型號(hào)表6-1FCC/MC磁性傳感器型號(hào)及參數(shù)磁靈敏度

V/nT）分辨能力（nT）測(cè)量范圍（mT）工作溫度（℃）頻率范圍（Hz）電源（V）功耗（mW）尺寸（mm）非晶態(tài)FCC-1200.50.2-35~400~16982×62×31FCC-21050.2-35~400~2061082×56×31FCC-3500.20.04-35~400~16982×56×31FCC-4600020.3-35~400.01~161580×90磁膜mc-1550.3-30~500~25004.5382×56×31mc-2500020.3-30~500.01~16580×9096.1.2磁敏電阻常用型號(hào)2.CGC系列磁傳感器

該傳感器可用于地磁脈動(dòng)觀測(cè)，它是大地磁法或電磁法勘探儀器的磁場(chǎng)信息接收器。

參數(shù)型號(hào)表6-2CGC磁傳感器型號(hào)及參數(shù)直流電阻（Ω）電感量（H）分布電容（pF）外殼等效電阻

（kΩ）工作靈敏度(V/Hz·t）開路靈敏度（V/r）總長度（mm）重量（kg）CGC-A4306505505514080215036CGC-B13501050200300693012002010發(fā)光二極管常用的材料與發(fā)光波長114、激光器激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長從0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。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）氣體激光器（如氦-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）液體激光器12所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后把光能轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。

光電效應(yīng)按原理又分為以下3種：

1、外光電效應(yīng)：在光線照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。其中，向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料。

2、內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。

7.2光電效應(yīng)13

在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）外光電效應(yīng)14根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。15光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。16內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類：1）光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用下，電子吸收光子能量后引起物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管等。2）光生伏特效應(yīng)

在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。基于該效應(yīng)的光電器件有光電池等。

177.3光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是利用半導(dǎo)體光敏材料制成的一類光電器件，其作用原理基于光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻具有極高的阻值；當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照射時(shí)，其電阻阻值降低，光線越強(qiáng)，電阻值越低，當(dāng)光照停止后，其電阻阻值在一段時(shí)間后恢復(fù)原值。18

1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是利用半導(dǎo)體光敏材料制成的一類光電器件，其作用原理基于光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻具有極高的阻值；當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照射時(shí)，其電阻阻值降低，光線越強(qiáng)，電阻值越低，當(dāng)光照停止后，其電阻阻值在一段時(shí)間后恢復(fù)原值。7.3光敏電阻197.3光敏電阻當(dāng)在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻是一個(gè)純電阻器件，沒有極性，因而使用時(shí)既可加直流電壓,也可以加交流電壓。制造光敏電阻的材料一般由金屬的硫化物、硒化物、碲化物等組成。由于光電導(dǎo)效應(yīng)只限于光照的表面薄層，因此光敏材料一般都做成薄層。同時(shí)為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，如圖7-2a所示：為了避免外來干擾，光敏電阻外殼的入射孔上蓋有一種能透過所要求光譜范圍光的透明保護(hù)窗（如玻璃），同時(shí)為了避免光敏電阻的靈敏度受潮濕等因素的影響，通常將光敏材料嚴(yán)密封裝在金屬殼中。20光敏電阻外觀符號(hào)及接線圖

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2.光敏電阻的主要參數(shù)

1）亮電阻：是指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。2）暗電阻：是指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時(shí)的電阻值。3）最高工作電壓：是指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。4）亮電流：是指在有光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。7.3光敏電阻225）暗電流：是指在無光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。6）光電流：在一定外加電壓下亮電流與暗電流之差。7）時(shí)間常數(shù)：是指光敏電阻器的光電流從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63%時(shí)所需的時(shí)間。8）溫度系數(shù)：是指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1℃時(shí)，其電阻值的相對(duì)變化。9）靈敏度：是指光敏電阻器在有光照射和無光照射時(shí)電阻值的相對(duì)變化。23

3.光敏電阻的基本特性

(1)在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。圖7-3為硫化鎘光敏電阻在不同照度下的伏安特性曲線。24圖7-3硫化鎘光敏電阻的伏安特性251）光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U曲線為斜率不同的直線，說明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓電流無關(guān)。2）光敏電阻兩端電壓不能過高，因?yàn)楣饷綦娮栌凶畲箢~定功率（如圖7-3中的500mW功率曲線）限制，當(dāng)光敏電阻兩端的電壓和電流超過最大允許工作電壓和最大額定電流時(shí)，可能導(dǎo)致光敏電阻的永久性損壞。26（2）光照特性在一定的外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量之間的關(guān)系稱為光敏電阻的光照特性。材料不同，光照特性也不同，絕大多數(shù)光敏電阻的光照特性都是非線性的，這也決定了光敏電阻作為定量檢測(cè)元件使用的機(jī)會(huì)不多，這是光敏電阻的不足之處，一般常用作自動(dòng)控制系統(tǒng)中的光電開關(guān)。圖7-4為硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線。27圖7-4硫化鎘光敏電阻的光照特性28（3）光譜特性光敏電阻的相對(duì)靈敏度與入射光波長的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。光敏電阻對(duì)不同波長的入射光有著不同的靈敏度。圖7-5為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性，可以看出：對(duì)應(yīng)于不同的入射光波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。

29圖7-5光敏電阻的光譜特性30

（4）頻率特性

實(shí)驗(yàn)證明：光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)的改變而立刻變化，稱為光電馳豫現(xiàn)象，這是它的缺點(diǎn)之一。不同材料的光敏電阻具有不同的時(shí)間常數(shù)（從幾十毫秒到幾百毫秒），因而它們的頻率特性也各不相同。當(dāng)光敏電阻在光照快速變化的場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，要考慮其頻率特性的影響。圖7-6為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性，縱軸S表示相對(duì)靈敏度，從圖中可以看出，硫化鉛的使用頻率范圍相對(duì)較大。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間除了與元件的材料有關(guān)，還與光照的強(qiáng)弱有關(guān)，光照越強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間越短。31圖7-6光敏電阻的頻率特性32（5）溫度特性光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大。當(dāng)使用環(huán)境溫度變化較大時(shí)，會(huì)影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，同時(shí)光敏電阻的靈敏度和暗電阻也會(huì)隨之改變，尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。圖7-7為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線，其峰值響應(yīng)隨著溫度的上升而向波長短的方向移動(dòng)。故硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用，而對(duì)于可見光范圍的光敏電阻，溫度對(duì)其影響相對(duì)要小一些。

33圖7-7硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性34光敏電阻器的分類和常用型號(hào)（1）按光敏電阻器的制作材料分類光敏電阻按其制作材料不同分為多晶光敏電阻和單晶光敏電阻，還可細(xì)分為硫化鎘光敏電阻、硒化鎘光敏電阻、硫化鉛光敏電阻、硒化鉛光敏電阻、銻化銦光敏電阻等。35（2）按光譜特性分類

光敏電阻按其光譜特性可分為可見光光敏電阻、紫外光光敏電阻和紅外光光敏電阻?？梢姽夤饷綦娮杵髦饕獙?duì)可見光敏感：常見的有硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于可見光范圍的各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開關(guān)門，光控?zé)艉推渌彰飨到y(tǒng)的自動(dòng)亮滅控制等，洗手間自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝置和“位置檢測(cè)器”，照相機(jī)的自動(dòng)測(cè)光裝置等方面。紫外光光敏電阻器主要對(duì)紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘等光敏電阻器，主要用于紫外線的探測(cè)。紅外光光敏電阻器主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測(cè)、非接觸測(cè)量、人體病變探測(cè)等國防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。36常用光敏電阻器的命名規(guī)則及型號(hào)37常用光敏電阻器的命名規(guī)則及型號(hào)38光敏電阻器性能檢測(cè)首先把萬用表撥到R×1kΩ檔，把光敏電阻的受光面與入射光線保持垂直，這時(shí)在萬用表上測(cè)得的電阻就是亮阻。再把光敏電阻置于完全黑暗的場(chǎng)所，此時(shí)用萬用表所測(cè)出的電阻就是暗阻。如果亮阻為幾千歐至幾十千歐，暗阻為幾兆歐至幾十兆歐，則說明光敏電阻性能良好。亮阻與暗阻阻值相差越大，則光敏電阻器靈敏度越高。39光敏電阻器的應(yīng)用1.簡(jiǎn)易光控?zé)羝涔ぷ髟頌椋汉仙祥_關(guān)S1，當(dāng)有一定強(qiáng)度的光照射光敏電阻時(shí)，其阻值迅速減?。s幾十千歐），三極管VT1的基極電壓被拉低而處于截止?fàn)顟B(tài)，而此時(shí)VT2的基極電壓升高，VT2截止，此時(shí)LED熄滅；當(dāng)光敏電阻所受光照小于一定值時(shí)，其阻值增大（約幾兆歐），此時(shí)VT1的基極電壓升高并使其導(dǎo)通，而VT2的基極電壓降低，VT2導(dǎo)通，LED發(fā)光。40光敏電阻器的應(yīng)用2.照相機(jī)電子快門41光敏電阻器的應(yīng)用3.光控閃爍安全警示燈42光敏電阻器的應(yīng)用4.心臟跳動(dòng)次數(shù)的光電傳感器測(cè)量43445.煤氣爐熄火檢測(cè)報(bào)警裝置45光敏電阻特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)1.光敏電阻優(yōu)點(diǎn)1）光譜響應(yīng)范圍寬。根據(jù)光電導(dǎo)材料的不同，光譜響應(yīng)可從紫外光、可見光、近紅外擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外，尤其對(duì)紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度。2）工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。3）所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光也可測(cè)弱光。4）靈敏度高，光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小則性能越好，即靈敏度越高。5）無極性之分，使用方便。46光敏電阻特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)2.光敏電阻缺點(diǎn)1）光電馳豫過程較長，頻率響應(yīng)很低。2）型號(hào)相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測(cè)量要求線性的場(chǎng)合，常用作開關(guān)式光電信號(hào)的傳感元件。47光敏電阻特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)3.光敏電阻使用注意事項(xiàng)1）使用中不要超過最大光電流和最高功率，必要時(shí)要控制入射光的輻射通量以限制光電流，尤其在高溫下使用時(shí)更要注意限制光電流大小，防止燒壞器件。2）高溫環(huán)境下盡量選擇玻璃和金屬封裝的光敏電阻。3）新光敏電阻的光電性能如果不穩(wěn)定，可以進(jìn)行人工老化處理，使其性能更加穩(wěn)定。487.4光敏晶體管光敏晶體管指的是光敏二極管和光敏三極管，都是電子電路中常用的光敏器件，文字符號(hào)分別為“VD”和“VT”，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏二極管和光敏三極管都是很好的光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，與前面講過的光敏電阻相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。497.4.1光敏晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理1.光敏二極管結(jié)構(gòu)和工作原理502.光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理517.4.2光敏晶體管參數(shù)和特性1.光敏二極管主要參數(shù)1）最高反向工作電壓VRM：是指光敏二極管在無光照的條件下，反向漏電流不大于0.1μA時(shí)所能承受的最高反向電壓值。2）暗電流ID：是指光敏二極管在無光照及最高反向工作電壓條件下的漏電流。暗電流越小，光敏二極管的性能越穩(wěn)定，檢測(cè)弱光的能力越強(qiáng)。3）光電流IL：是指光敏二極管在受到一定光照時(shí)，在最高反向工作電壓下產(chǎn)生的電流。其測(cè)量的一般條件是：2856K色溫的鎢絲光源，照度為10001x。524）光電靈敏度：是反映光敏二極管對(duì)光敏感程度的一個(gè)參數(shù)，用在每微瓦的入射光能量下所產(chǎn)生的光電流來表示，單位為μA/μW。5）響應(yīng)時(shí)間：是指光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)所需要的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，說明光敏二極管頻率特性越好。6）正向壓降VF：是指光敏二極管中通過一定大小正向電流時(shí)，其兩端產(chǎn)生的壓降。7）結(jié)電容Cj：指光敏二極管PN結(jié)的電容。結(jié)電容是影響光電響應(yīng)速度的主要因素。結(jié)面積越小，結(jié)電容也就越小，工作頻率也越高。532.光敏三極管主要參數(shù)

1）最高工作電壓Umax：最高工作電壓是指在無光照狀態(tài)下，e、c極間漏電流不超過規(guī)定值（約0.5）時(shí)，光敏三極管所允許施加的最高工作電壓，一般在10V-50V之間。

2）暗電流：在無光照的情況下，集電極與發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時(shí)，流過集電極的反向漏電流稱為光敏三極管的暗電流，通常小于1。

3）光電流：在規(guī)定光照下，當(dāng)施加規(guī)定的工作電壓時(shí)，流過光敏三極管的電流稱為光電流，光電流越大，說明光敏三極管的靈敏度越高，通常能達(dá)到幾個(gè)mA。

4）最大允許功耗：指光敏三極管在不損壞的前提下所能承受的最大功耗。545）集電極-發(fā)射極擊穿電壓VCE：在無光照下，集電極電流IC為規(guī)定值時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的電壓降稱為集電極-發(fā)射極擊穿電壓。6）峰值波長λp：當(dāng)光敏三極管的光譜響應(yīng)為最大時(shí)對(duì)應(yīng)的波長稱為峰值波長。7）光電靈敏度：在給定波長的入射光輸入單位光功率時(shí)，光敏三極管管芯單位面積輸出光電流的強(qiáng)度稱為光電靈敏度。8）響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間指光敏三極管對(duì)入射光信號(hào)的反應(yīng)速度，一般為S。553.光敏晶體管的特性（1）光譜特性光敏晶體管的光譜特性是指在一定照度時(shí)，輸出的光電流（或用相對(duì)靈敏度S表示）與入射光波長的關(guān)系。硅和鍺光敏二（三）極管的光譜特性曲線如圖7-18所示。

5657（2）伏安特性圖7-19a為硅光敏二極管的伏安特性曲線，橫坐標(biāo)表示所加的反向偏壓。當(dāng)有光照時(shí)，反向電流隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，在不同的照度下，其伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒達(dá)到飽和值，它的輸出實(shí)際上不受偏壓大小的影響。圖7-19b為硅光敏三級(jí)管的伏安特性曲線，縱坐標(biāo)為光電流，橫坐標(biāo)為集電極-發(fā)射極電壓。從圖7-19可見，由于晶體管的放大作用，在同樣照度下，其光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍。

5859（3）頻率特性光敏晶體管的頻率特性是指光敏晶體管輸出的光電流（或相對(duì)靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，普通光敏二極管頻率響應(yīng)時(shí)間達(dá)10μs。光敏三級(jí)管的頻率特性主要受負(fù)載電阻的影響，響應(yīng)速度比光敏二極管低一個(gè)數(shù)量級(jí)，圖7-20為硅光敏三級(jí)管的頻率特性，通過減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)范圍，但輸出電壓大小同時(shí)也變小。

60圖7-20光敏晶體管的頻率特性61（4）溫度特性溫度特性是指光敏晶體管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。溫度變化不僅影響光敏晶體管的靈敏度，同時(shí)對(duì)其光譜特性也有影響，光敏晶體管溫度特性曲線如圖7-21所示：從特性曲線可以看出，溫度變化對(duì)光電流影響較小(圖b)，而對(duì)暗電流影響很大(圖a)。

62637.4.3常用光敏晶體管型號(hào)和參數(shù)6465667.4.4光敏晶體管好壞及引腳判斷方法1.光敏二極管和光敏三極管的區(qū)分光敏二極管和大部分光敏三極管外殼形狀基本相同，顏色為黑色，判別管子類型時(shí)可以用黑布遮住感光窗口，選擇指針式萬用表“R×1k”檔測(cè)量?jī)晒苣_引線間的正反向電阻，均為無窮大的是光敏三極管，一大一小的是光敏二極管。672.管腳極性及性能檢測(cè)（1）光敏二極管檢測(cè)方法1)從外觀上識(shí)別：光敏二極管外觀顏色為黑色，管腳較長的是正極，較短的是負(fù)極，另外，在光敏二極管的管體頂端有一個(gè)小斜切平面，通常帶有此斜切平面的一端為負(fù)極。2)電阻測(cè)量法：選擇指針式萬用表“R×1k”檔測(cè)量光敏二極管正反向電阻，正常時(shí)阻值一大一小，以阻值較小一次為準(zhǔn)，紅表筆所接管腳為負(fù)極，黑表筆為正極。683)數(shù)字萬用表測(cè)量法：用數(shù)字萬用表檢測(cè)紅外線接收管是很方便的。將擋位開關(guān)置于“二極管擋”，黑表筆接負(fù)極、紅表筆接正極時(shí)的壓降值應(yīng)為0.45～0.65V，對(duì)調(diào)表筆后，屏幕顯示的數(shù)字應(yīng)為溢出符號(hào)“OL”或“1”。69（2）光敏三極管檢測(cè)方法1）光敏三極管管腳較長的是發(fā)射極，較短的是集電極?；蛘哂眉t黑表筆測(cè)量光敏三極管的兩根引腳，然后把紅黑表筆對(duì)調(diào)繼續(xù)測(cè)量，兩次測(cè)量中阻值較小的那次，黑表筆接的是光敏三極管的“C”極，紅表筆接的是“E”極。2）電阻測(cè)量法用萬用表“R×1K”檔，紅表筆接光敏三極管的發(fā)射極，黑表筆接集電極。無光照時(shí)，指針微動(dòng)并接近∞；有光照時(shí)，應(yīng)隨光照的增強(qiáng)，其電阻變小，可達(dá)1kΩ以下。若黑表筆接光敏三極管的發(fā)射極，紅表筆接集電極，無光照時(shí)，電阻為∞；有光照時(shí)，電阻為∞或指針微動(dòng)。703）數(shù)字萬用表法將數(shù)字萬用表檔位開關(guān)置于“R×20K”擋（或電阻自動(dòng)擋），紅表筆接集電極，黑表筆接發(fā)射極，有光照時(shí)，屏幕顯示的壓降值應(yīng)在10kΩ以下；無光照時(shí)，屏幕顯示的數(shù)字應(yīng)為溢出符號(hào)“OL”或“1”。717.4.5光敏晶體管的應(yīng)用1.光敏二極管的應(yīng)用（1）光敏二極管反偏壓狀態(tài)（光導(dǎo)模式）

72（2）光敏二極管零偏壓狀態(tài)（光伏模式）732.光敏三級(jí)管的應(yīng)用74757.4.6光敏晶體管的特點(diǎn)及應(yīng)用注意事項(xiàng)光敏二極管的光電流小，輸出特性線性度好，響應(yīng)時(shí)間快；可與可見光、遠(yuǎn)紅外光光源配合使用。光敏三極管的光電流大，輸出特性線性度較差，響應(yīng)時(shí)間慢。一般要求靈敏度高，工作頻率低的開關(guān)電路，選用光敏三極管，而要求光電流與照度成線性關(guān)系或要求在高頻率下工作時(shí)，應(yīng)采用光敏二極管。無論光敏二極管或光敏三極管，它們不僅對(duì)紅外線敏感，對(duì)較強(qiáng)的日光和燈光也有作用，當(dāng)光照過強(qiáng)時(shí)會(huì)使放大電路輸出飽和而失控，應(yīng)加紅色有機(jī)玻璃濾光，以減少環(huán)境光所造成的影響。同時(shí)光敏晶體管的工作條件不要超過規(guī)定的最大極限參數(shù)，使用中要控制光照強(qiáng)度，以使通過光敏晶體管的光電流不超過最大限額。此外由于光敏晶體管的靈敏度與入射光的方向有關(guān)，應(yīng)盡量保持光源和光敏晶體管的位置不變。767.5光電耦合器

光電耦合器OC(opticalcoupler)，亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦，它是把發(fā)光器件和光敏器件同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，以光為媒介把輸入端的電信號(hào)耦合到輸出端的一種器件。光電耦合器大致分為兩類：一類是光隔離器，它是把發(fā)光器件和光敏器件對(duì)置在一起構(gòu)成的，能夠完成電信號(hào)的耦合、放大和傳遞。77光隔離器的結(jié)構(gòu)原理如圖7-28所示。當(dāng)輸入電信號(hào)加到輸入端發(fā)光器件上時(shí)，發(fā)光器件在電信號(hào)的作用下發(fā)光，光敏器件接收到該光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后將電信號(hào)直接輸出（如圖a），或者將電信號(hào)放大處理成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電平輸出（如圖中b、c、d），這樣就實(shí)現(xiàn)了“電－光－電的轉(zhuǎn)換及傳輸，因?yàn)楣馐钦麄€(gè)電路傳輸?shù)拿浇?，因而輸入端與輸出端在電氣上是絕緣的，也稱為電隔離。

78另一類是光傳感器，有反光式和遮光式兩種，圖7-29所示的光電耦合器即屬于此類。用光傳感器可以測(cè)量物體的有無、個(gè)數(shù)和距離等物理量。797.5.2光電耦合器主要參數(shù)1）正向壓降VF：二極管通過的正向電流為規(guī)定值時(shí)，正負(fù)極之間所產(chǎn)生的電壓降。2）正向電流IF：在被測(cè)管兩端加一定的正向電壓時(shí)二極管中流過的電流。3）反向電流IR：在被測(cè)管兩端加規(guī)定反向工作電壓VR時(shí)，二極管中流過的電流。4）反向擊穿電壓VBR：被測(cè)管通過的反向電流IR為規(guī)定值時(shí)，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。5）結(jié)電容CJ：在規(guī)定偏壓下，被測(cè)管兩端的電容值。6）反向擊穿電壓V(BR)CEO：發(fā)光二極管開路，集電極電流IC為規(guī)定值時(shí)集電極與發(fā)射極間的電壓降。

807）輸出飽和壓降VCE(sat)：發(fā)光二極管工作電流IF和集電極電流IC為規(guī)定值時(shí)，并保持IC/IF≤CTRmin時(shí)（CTRmin在被測(cè)管技術(shù)條件中規(guī)定）集電極與發(fā)射極之間的電壓降。8）反向截止電流ICEO：發(fā)光二極管開路，集電極至發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時(shí)，流過集電極的電流為反向截止電流。9）電流傳輸比CTR：輸出管的工作電壓為規(guī)定值時(shí)，輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之比為電流傳輸比CTR。10）脈沖上升時(shí)間tr、下降時(shí)間tf：光電耦合器在規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流IF大小的脈沖波，輸出端管則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸出脈沖前沿幅度的10%到90%所需時(shí)間為脈沖上升時(shí)間tr，從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%所需時(shí)間為脈沖下降時(shí)間tf。8111）傳輸延遲時(shí)間tPHL、tPLH：光耦合器在規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流IF的脈沖波，輸出端則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸入脈沖前沿幅度的50%到輸出脈沖電平下降到1.5V時(shí)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)間tPHL。從輸入脈沖后沿幅度的50%到輸出脈沖電平上升到1.5V時(shí)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)間tPLH。12）入出間隔離電容CIO：光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值。13）入出間隔離電阻RIO：光耦合器輸入端和輸出端之間的絕緣電阻值。14）入出間隔離電壓VIO：光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。

827.5.3常用光電耦合器型號(hào)及參數(shù)83847.5.4光電耦合器好壞及性能檢測(cè)1.指針式萬用表法利用指針式萬用表R×100或R×1K檔測(cè)量發(fā)光二極管的正反向電阻，通常正向電阻為幾百歐姆，反向電阻為幾千歐姆或幾十千歐姆，如果測(cè)量的正反向電阻阻值非常接近，則表明發(fā)光二極管性能欠佳或者已損壞。檢查時(shí)要注意不要用R×10K電阻檔測(cè)量，因?yàn)榇藭r(shí)萬用表電池電壓為9V～15V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)光二極管1.5V～2.3V

的工作電壓，從而導(dǎo)致發(fā)光二極管被擊穿。然后分別測(cè)量接收光敏三極管的集電極和發(fā)射極的正反向電阻，其阻值均應(yīng)是無窮大，否則說明光敏三極管已經(jīng)損壞。再用R×10K檔檢查發(fā)射管與接收管之間的絕緣電阻，應(yīng)為無窮大。857.5.4光電耦合器好壞及性能檢測(cè)２.數(shù)字萬用表檢測(cè)法

867.5.4光電耦合器好壞及性能檢測(cè)３.光電效應(yīng)判斷法

877.5.5光電耦合器件的應(yīng)用1.在邏輯電路上的應(yīng)用

光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此，由它構(gòu)成的邏輯電路更為可靠。圖7-32電路為“與門”邏輯電路，其邏輯表達(dá)式為L=AB，圖中兩只光敏三級(jí)管串聯(lián)，只有當(dāng)輸入邏輯電平A=1、B=1時(shí)，輸出L=1，同理，還可以組成“或門”、“與非門”、“或非門”等邏輯電路。887.5.5光電耦合器件的應(yīng)用2.作為固體開關(guān)應(yīng)用

897.5.5光電耦合器件的應(yīng)用3．起隔離作用

907.5.5光電耦合器件的應(yīng)用使用光耦隔離需注意以下幾個(gè)問題：1）光耦直接用于隔離傳輸模擬量時(shí)，要考慮光耦的非線性問題。2）光耦隔離傳輸數(shù)字量時(shí)，要考慮光耦的響應(yīng)速度問題。3）如果輸出有功率要求的話，還要考慮光耦的功率接口設(shè)計(jì)問題。4）在光耦的輸入輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端公用一個(gè)電源，則光耦的隔離作用將失去意義。5）當(dāng)用光耦來隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)進(jìn)行全部隔離，使得被隔離的兩端沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離沒有意義。917.5.5光電耦合器件的應(yīng)用4.在脈沖放大電路中的應(yīng)用光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路，可以將脈沖信號(hào)進(jìn)行放大。如圖7-35所示為光耦組成的電壓反饋脈沖放大器的原理圖，其輸出脈沖與輸入脈沖同頻率，脈沖幅值放大倍數(shù)取決于R2和R1的比值和電源電壓。927.5.5光電耦合器件的應(yīng)用5.電平轉(zhuǎn)換

各種集成電路所用的電源電壓是不同的，如在一個(gè)系統(tǒng)中用二種材料的集成電路芯片，一起使用時(shí)需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。另外各種傳感器的電源電壓有時(shí)也難于與集成電路相同，故也需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。圖7-36是CMOS電路電平轉(zhuǎn)到TTL電路電平的電路圖。該電路中輸入的是－20V到0V的脈沖，輸出的是0V到5V的脈沖，前后電路完全隔離的，實(shí)現(xiàn)了不同電平標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換。937.6光電池光電池是一種用途很廣的光敏器件，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、壽命長、性能穩(wěn)定、光照靈敏度較高、光譜響應(yīng)頻帶較寬且本身不耗能，是小型化、微功耗儀器中常用的換能器件。當(dāng)光電池受到光照時(shí)不需要外加其它形式的能量即可產(chǎn)生電流輸出，電流大小反應(yīng)了光照強(qiáng)度大小。947.6.1光電池原理與結(jié)構(gòu)1.光電池原理952.光電池結(jié)構(gòu)光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積的PN結(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖7-37a所示，上電極為柵狀受光電極，柵狀電極下涂有抗反射膜，用以增加透光，減小反射，下電極是一層襯底鋁。當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，由此產(chǎn)生的電子空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)，一般可產(chǎn)生0.2V～0.6V電壓，約50mA左右大小電流。963.光電池電路符號(hào)與外觀

977.6.2光電池特性及參數(shù)1.光譜特性圖7-40可見，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，在人眼的視覺范圍內(nèi)，因此適宜測(cè)量可見光。硅光電池應(yīng)用的光譜范圍是400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，其光譜應(yīng)用范圍比硒光電池的更寬。

982.光照特性991003.頻率特性光電池的頻率特性是指其輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。從光電池的頻率響應(yīng)曲線（圖7-43）可知，硅光電池頻率響應(yīng)較好而硒光電池較差。1014.溫度特性光電池的溫度特性是指其開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖7-44可見，開路電壓與短路電流均隨溫度的變化而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)。1027.6.3部分常用光電池的型號(hào)參數(shù)1037.6.4光電池的應(yīng)用1.太陽能電池電源1042．光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用（1）光探測(cè)器105（2）光電池作為控制元件的應(yīng)用106107光纖——光導(dǎo)纖維，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介質(zhì)材料制成的極細(xì)的纖維，是一種理想的光傳輸線路。光纖傳感器（FiberOpticSensor，F(xiàn)OS）興起于20世紀(jì)70年代，是一類較新的光敏器件，它是利用被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使光波的一些參數(shù)，如強(qiáng)度、頻率、波長、相位、偏振態(tài)等特性產(chǎn)生變化來工作?？梢詼y(cè)量位移、加速度、壓力、溫度、磁、聲、電等物理量。7.7光纖傳感器1087.7.1光纖傳感器基本理論1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖通常由纖芯、包層及護(hù)套組成。纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體，直徑約為5～150μm。包層的材料也是玻璃或塑料等，但纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2。外套起保護(hù)光纖的作用。較長的光纖又稱為光纜。2.光纖波導(dǎo)的原理109

2.光纖波導(dǎo)的原理

光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)光線以較小的入射角θ1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(即n1＞n2)時(shí)(見圖9.2)，則一部分入射光將以折射角θ2折射入介質(zhì)2，其余部分仍以θ1反射回介質(zhì)1。圖7-49光在兩介質(zhì)界面上的折射和反射110依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有

(7-6)當(dāng)θ1角逐漸增大，直至θ1=θc時(shí)，透射入介質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?θ2=90°)。對(duì)應(yīng)于θ2=90°時(shí)的入射角θ1稱為臨界角θc；由式(7-7)則有

(7-7)

由圖(7-48)和圖(7-49)可見，當(dāng)θ1＞θc時(shí)，光線將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)(纖芯)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ)。111

同理，由圖7-49和Snell定律可導(dǎo)出光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為

(9-3)上式的sinθi0即為光纖的“數(shù)值孔徑”NA(Numerical

Aperture)，它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無論光源發(fā)射功率多大，只有2θc張角內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖的集光能力愈強(qiáng)。產(chǎn)品光纖通常不給出折射率，而只給出NA。石英光纖的NA=0.2～0.4。1127.7.2光纖傳感器分類1137.7.3光纖傳感器應(yīng)用1反射式光纖位移傳感器1147.7.