页数：60页文件大小：4.30 MB来源： 检测技术与自动化仪表ppt课件
本课件可查阅外光电效应与内光电效应的基础说明、光电器件工作原理的实现方式与CCD图像传感器的典型应用，收录原理示意、结构框图与对比数据，配合逐页图示与完整文字版，便于按知识点检索复习。
检测技术与自动化仪表第十章光电传感器1
1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖
概述光的特性光波是波长为10~106nm的电磁波。
其中可见光的波长范围在380~780nm，紫外线的波长范围是10~380nm，红外线的波长范围是780~106nm
101410121010108106104102110-210-410-610-810-10/m声频电磁振荡无线电波毫米波红外光紫外光X射线射线宇宙射线/nm1×1064×1046×1031.5×10677062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远可见光电磁辐射波谱概述
光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。
由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为ν的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为h——普朗克常数，6.626×10-34J·s；
ν——光的频率（单位s-1）。
可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。
概述
光源（发光器件）1.白炽光源用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。
发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。
特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。
概述
2.气体放电光源定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。
气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。
改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。
光源（发光器件）概述
3.发光二极管（LED—LightEmittingDiode）由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。
半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。
当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。
所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。
光源（发光器件）概述
光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，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。
在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。
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、光电耦合器、光纤等等。
光信号光电传感器电信号概述
指纹锁指纹门禁光电鼠标概述
料位自动控制电动扶梯自动启停光电开关概述
(1)外光电效应在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。
每个光子具有的能量是：——普朗克常数()——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大J.S入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比。
由能量守恒定律有：爱因斯坦光电效应方程A—电子的逸出功；
一个电子逸出的动能（能量）；
光照射物体时，物体中电子吸收入射光子的能量E，当物体吸入的能量超出逸出功A时电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。
超出的能量就表现在电子逸出的动能上。
能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管(1)外光电效应
紫外管外形当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。
紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。
紫外线(1)外光电效应
光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。
导带价带电子吸收光子能量禁带光E0自由状态Eg〈E0电子(1)内光电效应
光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。
下面分两种情况讨论：•不加偏压时的PN结•处于反偏时的PN结PN电子空穴---+++-+光源(1)内光电效应
•不加偏压时的PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0＞Eg）,可激发出电子——空穴对在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.基于这种效应的器件有光电池PN电子空穴---+++-+光源(1)内光电效应
•处于反偏时的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；
有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，电子N，空穴P运动，形成光电流；
光电二极管一般反向连接。
电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。
具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管从原理上讲，不加偏压的光电二极管就是光电池。
EPN电子空穴---+++-+光源I(1)内光电效应
第二节光电器件（1）光电管光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。
电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。
入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比
真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性（1）光电管
主要用于：分光光度计、光电比色计等分析仪器和各种自动装置。
（1）光电管
（2）光电倍增管光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。
如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。
光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大
光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（10个左右），在阳极和阴极之间加有几百～上千伏的高压，每个倍增极间有100～200V高压；
光电倍增管的电流增益在105数量极。
倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为：式中：——常数——倍增极数光电倍增管外形及工作原理示意图（2）光电倍增管
入射光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A（2）光电倍增管
（3）光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于光电导效应.结构：在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。
光敏电阻工作原理示意图
当在黑暗的环境下，光敏电阻的阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小。
当受到光照，并且光辐射能量足够大时、光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度的光子激发，由价带越过禁带而跃迁到导带，便使导带的电子和价带的空穴增加，电导率变大，电路中电流迅速增加，用电流表可以测量出电流。
根据电流值的变化，即可推算出照射光强的大小。
光敏电阻工作原理示意图（3）光敏电阻
当光敏电阻受到光照时，阻值减小。
（3）光敏电阻
光敏电阻光照特性•无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；
•有光照时，电阻值随光强增加而降低；
•光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。
光敏电阻主要参数•暗电阻——无光照时的电阻；
•暗电流——无光照时的电流；
•亮电阻、亮电流——受光照时的阻值、电流；
•光电流——亮电流与暗电流之差称光电流。
（3）光敏电阻
光敏电阻演示当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。
暗电流（越小越好）（3）光敏电阻
伏安特性•给定偏压光照越大光电流越大；
•给定光照度电压越大光电流越大；
•光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。
•光照度单位面积的光通量
温度特性温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。
温度T，波长λ变短。
光敏电阻温度特性（3）光敏电阻
应用：溶液浓度检测系统溶液浓度检测系统（3）光敏电阻
工作原理溶液浓度检测系统的光电式传感器部分，变压器的两个副边绕组以及两只光敏电阻作为检测电桥的四个个桥臂。
用相同强度的光通过被测溶液和标准溶液，分别照射在两只光敏电阻上，当两只光敏电阻上所感受到的光的强度一致时，两只光敏电阻呈现同样的阻值，电桥平衡，光电传感器无信号输出，这时被测溶液和标准溶液浓度是相同的。
如被测溶液浓度变化时，透过溶液的两束光强度不一样，两只光敏电阻呈现不同的阻值，使电桥不平衡，有输出信号，该信号经晶体管放大后，送给指示仪表显示，或带动伺服电机进行自动调整。
（3）光敏电阻
(4)光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。
特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、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。
电梯平层用光电开关光电开关器件
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。
注：发光二极管与光敏二极管不同，发光二极管利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色不同，是一种将电能光能的器件，加正向电压时，在N-P的电子、空穴结合过程中发射一定频率的光信号。
工作时加正向电压。
PN光RL光PN(4)光敏二极管和光敏三极管
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。
(4)光敏二极管和光敏三极管
工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，•无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；
•有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；
•在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；
•光电流方向与反向电流一致。
REDg(4)光敏二极管和光敏三极管
光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。
当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。
光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照(4)光敏二极管和光敏三极管
伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。
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。
(4)光敏二极管和光敏三极管
与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极—集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外集电极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。
大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般集电结加反偏。
玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。
NNPcbe(4)光敏二极管和光敏三极管
(4)光敏二极管和光敏三极管
硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。
在负载电阻RL上的输出电压为：—晶体管电流放大系数NNPcbe(4)光敏二极管和光敏三极管
光敏三极管有两个PN结。
与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。
多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。
(4)光敏二极管和光敏三极管
(5)光电池（有源器件）光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。
有光线作用时就是电源，太阳能电池，所以广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。
光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。
硒、硅光电池转换效率高、价廉；
砷化镓材料的光谱响应与太阳光谱吻合、耐高温和宇宙射线。
光电池符号
光电池外形光敏面(5)光电池（有源器件）
①光照特性开路电压—光生电动势与照度之间关系；
开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压在照度2000lx趋于饱和，非线性。
短路电流—光电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光电流。
实验证明，RL小线性范围好，具体根据光照大小而定，通常RL≈100Ω作控制元件时当电流源使用。
光电池光照与负载的关系光电池光照特性(5)光电池（有源器件）
光电池作为能源来使用(5)光电池（有源器件）
光电池的基本光控电路(5)光电池（有源器件）
用可调电阻来调节附加电压(5)光电池（有源器件）
光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板(5)光电池（有源器件）
太阳能发电(5)光电池（有源器件）
CCD数码摄像机(5)光电池（有源器件）
光电池在人造卫星上的应用(5)光电池（有源器件）
CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片(5)光电池（有源器件）
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