第8章光電效應(yīng)及光電器件傳感器原理與應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第8章光電效應(yīng)及光電器件主要內(nèi)容：

8.1光電效應(yīng)

8.2光電器件

光電管、光敏電阻、光電晶體管、

光電池、色敏器件、其他光電器件

8.3

光電器件應(yīng)用實(shí)例

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件概述

光敏器件種類很多，在自動(dòng)檢測(cè)及控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。普通的光電器件包括：光電管、光敏二極管、光敏三極管、光敏電阻、光電池、光電倍增管、光電耦合器等。光信號(hào)光電傳感器電信號(hào)光電傳感器是將被測(cè)量的變化通過(guò)光信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。光電傳感器是物性型傳感器。被測(cè)量

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件概述

料位自動(dòng)控制電動(dòng)扶梯自動(dòng)啟停光電開(kāi)關(guān)

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件概述

光柵光電開(kāi)關(guān)光敏電阻光電鼠標(biāo)光敏管

8.1光電效應(yīng)

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

光敏器件主要利用各種光電效應(yīng)光電效應(yīng)可分為：

外光電效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)

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光電效應(yīng)及光電器件

8.1.1外光電效應(yīng)

在光線作用下電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)?！绽士顺?shù)()

——光的頻率（Hz）

每個(gè)光子具有能量

J.S波長(zhǎng)短，頻率高，能量大。式中：

入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比。

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光電效應(yīng)及光電器件光照射物體時(shí)電子吸收入射光子的能量，當(dāng)物體吸入的能量超出物體逸出功A時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。超出的能量就表現(xiàn)在電子逸出的動(dòng)能上。能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。

每個(gè)光子具有的能量可由能量守恒定律表示為

為一個(gè)電子逸出的動(dòng)能（能量）；m為電子質(zhì)量，ν0電子逸出物體表面時(shí)的速度；

A為電子的逸出功。

(愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程)8.1.1外光電效應(yīng)光電子光照射e

傳感器原理及應(yīng)用入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有：入射光作用下電子吸收光子能量，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶過(guò)度到自由狀態(tài)，同時(shí)價(jià)帶也因此形成自由空穴，使導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴濃度增大引起電阻率減小。8.1.2內(nèi)光電效應(yīng)

第8章

光電效應(yīng)及光電器件為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量應(yīng)大于禁帶寬度的能量E0＞Eg基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。1）光電導(dǎo)效應(yīng)

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光電效應(yīng)及光電器件

為什么PN結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？PN---+++-+光源下面分兩種情況討論：不加偏壓時(shí)的PN結(jié)處于反偏時(shí)的PN結(jié)2）光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。

傳感器原理及應(yīng)用當(dāng)光照射在P-N結(jié)時(shí)，如果光電子能量足夠大，就可激發(fā)出電子——空穴對(duì)，在P-N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向P區(qū)，而電子移向N區(qū)，使P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)勢(shì).基于這種效應(yīng)的器件有光電池。

不加偏壓P-N結(jié)

二極管PN結(jié)開(kāi)路電壓有第8章

光電效應(yīng)及光電器件PN電子空穴---+++-+光源2）光生伏特效應(yīng)

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光電效應(yīng)及光電器件無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；有光照時(shí)，產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，在外電場(chǎng)作用下，光生電子→N，空穴→P

運(yùn)動(dòng)，形成光電流Ig。-+

處于反偏時(shí)的P-N結(jié)（給P-N結(jié)加電場(chǎng)）

電流方向與反向電流一致，光照強(qiáng)光電流越大。具有這種性能的器件有：

光敏二極管、光敏晶體管從原理上講，不加偏壓的光電二極管就是光電池。

光敏二極管通常加反向電壓。PN電子空穴---+++光源IgE2）光生伏特效應(yīng)

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光電效應(yīng)及光電器件8.2光電器件

8.2.1光電管光電管是一個(gè)抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內(nèi)有光陰極K、陽(yáng)極A，光陰極涂有光敏材料；當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（E＞A），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生光電子發(fā)射.電子被帶有正電的陽(yáng)極吸引在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻RL上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。

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光電效應(yīng)及光電器件光電管主要用于：分析儀器和各種自動(dòng)控制裝置；如，分光光度計(jì)、光電比色計(jì)等8.2.1光電管電子管光電管外殼不透明

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光電效應(yīng)及光電器件8.2.1光電管

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光電效應(yīng)及光電器件光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。8.2.2光電倍增管

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光電效應(yīng)及光電器件光電倍增管與普通光電管不同，在光陰極和陽(yáng)極之間加了許多倍增極（10級(jí)左右），在陽(yáng)極和陰極之間加有幾百～上千伏的高壓，每個(gè)倍增極間分壓有100～200V；光電倍增管的電流增益很大在105～106之間。倍增極外加電壓Ud與增益G的關(guān)系近似為：8.2.2光電倍增管光電倍增管不能直接受強(qiáng)光照射,否則會(huì)損壞.通常密封使用。式中：——常數(shù)

——倍增極數(shù)

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光電效應(yīng)及光電器件上式可見(jiàn)，倍增級(jí)外加電壓Ud的變化將引起光電倍增管增益的變化，因此對(duì)供給光電倍增管的電源電壓要求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。射線儀器的電源穩(wěn)定性要求較高，為減少光電倍增管受溫度影響，也可以采用穩(wěn)譜裝置，在核探測(cè)技術(shù)中“穩(wěn)譜”是數(shù)據(jù)分析的一個(gè)重要內(nèi)容。

增益變化與外加電壓（電源）有關(guān)8.2.2光電倍增管

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光電效應(yīng)及光電器件譜線漂移曲線可見(jiàn)，儀器穩(wěn)定性與光電倍增管的性能指標(biāo)、參數(shù)密切相關(guān)。光電倍增管受溫度的影響是比較復(fù)雜的,溫度影響程度與入射光線的波長(zhǎng)有關(guān),同一只管子波長(zhǎng)不同,同樣溫度條件下影響不同.核探測(cè)器的溫度影響和譜線漂移8.2.2光電倍增管陽(yáng)極電流溫度(℃)紅光藍(lán)光

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光電效應(yīng)及光電器件基于光電倍增管的輸入設(shè)備滾筒掃描儀X射線熒光儀閃爍探測(cè)器8.2.2光電倍增管光電倍增管的陰極前面放一塊閃爍體就可構(gòu)成閃爍計(jì)數(shù)器.能譜儀、X射線熒光儀等核儀器中的閃爍探測(cè)器使用的光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。

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光電效應(yīng)及光電器件8.2.2光電倍增管

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光電效應(yīng)及光電器件

光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。光敏電阻結(jié)構(gòu)8.2.3光敏電阻光敏電阻符號(hào)光導(dǎo)體

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光電效應(yīng)及光電器件8.2.3光敏電阻演示

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光電效應(yīng)及光電器件

光敏電阻光照特性

無(wú)光照時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；

有光照時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低；光照停止時(shí)，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光敏電阻主要參數(shù)暗電阻、暗電流,無(wú)光照時(shí)的電阻、電流；

亮電阻、亮電流,受光照時(shí)的阻值、電流；亮電流與暗電流之差稱光電流。8.2.3光敏電阻

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光電效應(yīng)及光電器件1.伏安特性

給定光照度，電壓越大光電流越大；

給定偏壓，光照越大光電流越大；光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、無(wú)飽和，但受最大功耗限制。光敏電阻伏安特性8.2.3光敏電阻

基本特性

光照度為單位面積的光通量

Lx=lm（流明）/s

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光電效應(yīng)及光電器件

光敏電阻靈敏度與入射波長(zhǎng)有關(guān);

靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)，圖例中材料與相對(duì)靈敏度峰位波長(zhǎng)硫化鎘（CdS）0.3～0.8(μm)硫化鉛（PbS）1.0～3.5(μm)硫化鉈（TlS）1.0～7.3(μm)

光敏電阻的光譜特性與波長(zhǎng)和材料8.2.3光敏電阻2.光譜特性

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光電效應(yīng)及光電器件溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應(yīng)。溫度T上升，波長(zhǎng)λ變短，曲線向左移動(dòng)。光敏電阻溫度特性8.2.3光敏電阻3.溫度特性幾種光敏電阻的特性參數(shù)

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光電效應(yīng)及光電器件有光照時(shí)，光敏電阻Rg下降,繼電器斷開(kāi);無(wú)光照時(shí)，光敏電阻Rg上升,VDW1反向飽和導(dǎo)通,繼電器閉合.光敏電阻開(kāi)關(guān)控制電路Rg磁電式繼電器8.2.3光敏電阻——應(yīng)用

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光電效應(yīng)及光電器件

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件白天Rg小，VT2導(dǎo)通VT3截止VT4導(dǎo)通，晶閘管VS截止H滅；晚上Rg大，VT2截止失去對(duì)VT3控制，VT3由VT1控制，待機(jī);晚上壓電陶瓷片B接收聲音觸發(fā)信號(hào)，VT3導(dǎo)通VT4截止，晶閘管VS導(dǎo)通燈亮；同時(shí)整流壓降突然下降，VT3集電極保持低電壓，使VS處于導(dǎo)通狀態(tài);HVSB

光敏電阻在聲光控開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用H點(diǎn)亮后，C3經(jīng)電阻緩慢放電，直到不再維持VT4截止。調(diào)節(jié)C3可調(diào)節(jié)燈亮?xí)r間.

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光電效應(yīng)及光電器件HVSB光敏電阻在聲光控開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用

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光電效應(yīng)及光電器件光敏晶體管包括光敏二極管和光敏三極管，其工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏晶體管特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高;廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。8.2.4光敏晶體管

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光電效應(yīng)及光電器件結(jié)構(gòu)：與一般二極管相似，它們都有一個(gè)PN結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率有大面積受光，光敏二極管P-N結(jié)面積比一般二極管大。硅光敏二極管結(jié)構(gòu)

+

-+-光敏二極管電路符號(hào)1）光敏二極管

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光電效應(yīng)及光電器件1）光敏二極管

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光電效應(yīng)及光電器件

光敏二極管工作原理：光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，

無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；

有光照時(shí)，P-N結(jié)處產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)；在電場(chǎng)作用下形成光電流，光照越強(qiáng)光電流越大；

光電流方向與反向電流一致。

光敏二極管基本電路

REDgI8.2.4光敏晶體管+

-

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光電效應(yīng)及光電器件發(fā)光二極管與光敏二極管工作原理不同，發(fā)光二極管是利用固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），加正向電壓時(shí)，P-N結(jié)的電子和空穴在結(jié)合過(guò)程中發(fā)射一定頻率的光信號(hào)。材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將電能→光能的器件；+--+光敏二極管符號(hào)發(fā)光二極管符號(hào)8.2.4光敏晶體管

發(fā)光二極管（LED）與光敏二極管發(fā)光二極管工作時(shí)加正向電壓，光敏二極管工作時(shí)加反向電壓。

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光電效應(yīng)及光電器件

光敏二極管基本特性1.光照特性硅光敏二極管在小負(fù)載電阻情況下，光電流與照度成線性關(guān)系。

2.光譜特性（硅光敏管為例)當(dāng)入射波長(zhǎng)＜0.9μm時(shí)，響應(yīng)逐漸下降，其波長(zhǎng)短能量大，但光穿透深度小，使光電流減?。划?dāng)入射波長(zhǎng)＞0.9μm時(shí)，響應(yīng)下降是因波長(zhǎng)長(zhǎng)光子能量小，當(dāng)小于禁帶寬度時(shí)不產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。8.2.4光敏晶體管

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光電效應(yīng)及光電器件3.伏安特性當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無(wú)關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。4.溫度特性由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對(duì)溫度變化很敏感。

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光電效應(yīng)及光電器件5.頻率響應(yīng)光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。光敏二極管頻率響應(yīng)曲線

8.2.4光敏晶體管圖中硅光敏二極管頻率響應(yīng)曲線說(shuō)明，調(diào)制頻率高于1000Hz時(shí)，光敏晶體管靈敏度急劇下降。硅光敏二極管基本參數(shù)

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光電效應(yīng)及光電器件結(jié)構(gòu)：與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極—集電極(集電結(jié))作為光敏二極管（控制結(jié)），集電結(jié)做受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做的很大，以擴(kuò)大光照面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引線，無(wú)論NPN、PNP一般集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)。光敏三極管結(jié)構(gòu)

NNPcbe電路符號(hào)2）光敏三極管

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光電效應(yīng)及光電器件2）光敏三極管

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光電效應(yīng)及光電器件

硅（Si）光敏三極管—晶體管電流放大系數(shù)電流ig與光強(qiáng)有關(guān)NNPcbe+-光敏三極管等效電路

在負(fù)載電阻上的輸出電壓為光敏晶體極管一般是NPN結(jié)構(gòu)；光照射在集電結(jié)的基區(qū)產(chǎn)生光生電子-空穴，在電場(chǎng)作用下，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高；同時(shí)發(fā)射極大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。

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光電效應(yīng)及光電器件由伏安特性曲線可見(jiàn)光敏晶體管對(duì)光信號(hào)具有放大作用光敏晶體管伏安特性曲線8.2.4光敏晶體管

光敏晶體管伏安特性

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光電效應(yīng)及光電器件光敏晶體管的光譜特性硅材料的光敏管峰值波長(zhǎng)在0.9μm附近（可見(jiàn)光）靈敏度最大；探測(cè)可見(jiàn)光或赤熱狀物體時(shí)波長(zhǎng)短，一般用硅管<0.9μm；鍺管的峰值波長(zhǎng)約為1.5μm（紅外光）對(duì)紅外進(jìn)行探測(cè)時(shí)用鍺管較適宜。光敏晶體管光譜特性硅光敏三極管基本參數(shù)

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光電效應(yīng)及光電器件遙控器檢測(cè)電路:100Ω電阻限流在15mA，無(wú)光照時(shí)復(fù)合管截止，LED不發(fā)光；用遙控器對(duì)準(zhǔn)光敏管按鍵，LED點(diǎn)亮?xí)r說(shuō)明遙控器有紅外線發(fā)射。電視遙控器檢測(cè)電路3）應(yīng)用——光電轉(zhuǎn)換電路8.2.4光敏晶體管硅管壓降0.7V（兩只1.5V）10K紅外光敏管100Ω復(fù)合管LED壓降1.5V3VK1.5V遙控器

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光電效應(yīng)及光電器件紅外光敏二極管檢測(cè)方法用電視遙控器發(fā)射光信號(hào)檢測(cè)光敏二極管時(shí)，當(dāng)有紅外線光照射在光敏管時(shí)，光敏管的電流增加電阻值減小。數(shù)字式萬(wàn)用表應(yīng)表筆正極接光敏管負(fù)極，表筆負(fù)極接光敏管正極。指針式萬(wàn)用表表筆內(nèi)電池極性相反。3）應(yīng)用——光敏管檢測(cè)8.2.4光敏晶體管

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光電效應(yīng)及光電器件光電器件檢測(cè)

煙霧報(bào)警演示

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光電效應(yīng)及光電器件光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，是直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時(shí)就是電源(太陽(yáng)能電池)光電池主要兩個(gè)作用：

利用太陽(yáng)能做電源；

用于自動(dòng)控制和檢測(cè)。8.2.5光電池光信號(hào)光電池電信號(hào)太陽(yáng)能手機(jī)充電器

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光電效應(yīng)及光電器件太陽(yáng)能電池8.2.5光電池光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。目前我國(guó)是全世界光伏產(chǎn)業(yè)最發(fā)達(dá)的國(guó)家。硒、硅光電池轉(zhuǎn)換效率高、價(jià)廉；砷化鎵材料的光譜響應(yīng)與太陽(yáng)光譜吻合、耐高溫和宇宙射線，用于航天器。

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.5光電池

太陽(yáng)能交通標(biāo)志有助于降低成本和減少二氧化碳排放

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.5光電池

太空宇航用電池

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.5光電池用于自動(dòng)控制和檢測(cè)的光電池器件

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電池結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PN結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下面有一抗反射膜，下電極是一層襯底鋁。原理：當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，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)。一般用于控制的普通光電池可產(chǎn)生0.2V～0.6V電壓，50mA電流。光電池結(jié)構(gòu)電路符號(hào)

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件開(kāi)路電壓—光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系；開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系是非線性關(guān)系，開(kāi)路電壓在照度2000lx趨于飽和。短路電流—光電流與照度之間關(guān)系稱短路電流曲線，短路電流是指外接負(fù)載相對(duì)內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。光電池光照與負(fù)載的關(guān)系

光電池光照特性

1）光電池光照特性PN電子空穴---+++-+光源

實(shí)驗(yàn)證明，RL小線性范圍好，具體根據(jù)光照大小而定，通常RL≈100Ω光電池工作原理示意圖

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件2）光譜特性硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在0.8μm附近，波長(zhǎng)范圍0.4～1.2μm。硅光電池可在很寬的波長(zhǎng)范圍應(yīng)用。硒光電池光譜響應(yīng)峰值在0.5μm附近，波長(zhǎng)范圍0.38～0.75μm。光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光靈敏度不同，不同材料光靈敏度峰值不同。

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件3）頻率特性

指光電池相對(duì)輸出電流與光的調(diào)制頻率之間關(guān)系。硅光電池頻率響應(yīng)較好，硒光電池較差。所以高速計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換電路一般采用硅光電池作為傳感器元件。

4）溫度特性硅光電池特性參數(shù)

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電池作為控制元件，通常接非線性負(fù)載，若控制鍺管，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.2V～0.3V；若控制硅管，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.6V～0.7V，光電池的0.5V電壓不能起到控制作用。

光電池電路連接

光電池做電源時(shí)當(dāng)電壓源使用;

用做控制元件時(shí)當(dāng)電流源使用。光電池電路符號(hào)

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電池電路連接

可將兩個(gè)光電池串聯(lián)后接入基極，或用偏壓電阻、二極管產(chǎn)生附加電壓。有光照度變化時(shí)，引起基極電流Ib變化，集電極電流發(fā)生β倍的變化。電流Ic與光照近似線性關(guān)系。光電池作為電源使用，需要電壓高時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)使用；需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。

光電池電路連接

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

光電池應(yīng)用——作檢測(cè)控制元件

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

光電池應(yīng)用——作檢測(cè)控制元件

傳感器原理及應(yīng)用紅外反射式色差傳感器（DRSC-12-A），它的工作原理是依據(jù)不同顏色的物體表面對(duì)紅外線的吸收率和反射率。在相同的測(cè)試距離上，黑色的吸收率最高，白色的吸收率最低。因此，可以根據(jù)物體對(duì)紅外線的反射率來(lái)判斷物體的表面顏色。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試距離上，隨輸送線提供的三種測(cè)試顏色樣品在色差傳感器的測(cè)試結(jié)果如下。第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.6色敏傳感器物體表面顏色識(shí)別原理反射光物體吸收率低吸收率高發(fā)射接收

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.6色敏傳感器光電檢測(cè)方式主要是通過(guò)光強(qiáng)和顏色；色敏傳感器是一種半導(dǎo)體光敏器件，工作原理基于光電效應(yīng)，該器件可將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同電流信號(hào)的輸出，視為光輻射探測(cè)器。光信號(hào)在半導(dǎo)體中傳播時(shí)的衰減是由于電子吸收光子，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果，該過(guò)程稱為本征吸收，吸收系數(shù)隨入射波長(zhǎng)變化。本征吸收導(dǎo)帶價(jià)帶電子吸收光子能量

禁帶自由狀態(tài)半導(dǎo)體色敏傳感器光的波長(zhǎng)電信號(hào)

傳感器原理及應(yīng)用

半導(dǎo)體色敏傳感器類似晶體管的P-N-P結(jié)構(gòu)但P+-N-P結(jié)構(gòu)不是三極管，而是深、淺不同的兩個(gè)P-N結(jié)二極管，又稱光電雙結(jié)二極管。色敏器件結(jié)構(gòu)及等效電路第8章

光電效應(yīng)及光電器件波長(zhǎng)短的光子衰減快，

穿透深度較淺，淺結(jié)的光電二極管對(duì)

紫外光（短波）靈敏度高，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光子衰減較慢，

穿透較深區(qū)域。深結(jié)的光電二極管對(duì)

紅外光（長(zhǎng)波）靈敏度高；深結(jié)淺結(jié)這一測(cè)波長(zhǎng)特征為色敏器件提供了識(shí)別顏色的可能。

傳感器原理及應(yīng)用

當(dāng)有光照射時(shí)，P+、N、P三個(gè)區(qū)域光子吸收效果不同，構(gòu)成可以測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。對(duì)紫外光吸收系數(shù)大穿透距離短；對(duì)紅外光吸收系數(shù)小穿透距離長(zhǎng)。第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.6色敏傳感器深結(jié)淺結(jié)一般光電器件是檢測(cè)在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光強(qiáng)度或光子數(shù)目。而半導(dǎo)體色敏傳感器可以直接測(cè)量從可見(jiàn)光到近遠(yuǎn)紅外波段內(nèi)單色輻射波長(zhǎng)。

傳感器原理及應(yīng)用UiU0I1UDIDR1R2-+

檢測(cè)光波長(zhǎng)（顏色）處理電路

——彩色信號(hào)處理電路第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.6色敏傳感器用二極管P-N結(jié)做反饋元件，利用二極管正向?qū)ǖ姆蔡匦猿芍笖?shù)規(guī)律變化的特征，構(gòu)成對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器電路。

傳感器原理及應(yīng)用

色彩識(shí)別須獲得兩個(gè)光電二極管的短路電流比，由此確定二者比值與入射波長(zhǎng)關(guān)系。色敏傳感器檢測(cè)電路示意圖

對(duì)數(shù)運(yùn)算電路

檢測(cè)電路組成：對(duì)數(shù)電路OP1、OP2，差放OP3；第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.6色敏傳感器I1是淺結(jié)二極管的短路電流，它在短波（紫外）區(qū)電流較大；I2是深結(jié)二極管的短路電流，它在長(zhǎng)波（紅外）區(qū)電流較大。

傳感器原理及應(yīng)用

C為比例常數(shù)色敏傳感器檢測(cè)電路示意圖

對(duì)數(shù)運(yùn)算電路

電流較小時(shí)，二極管兩端電壓存在近似對(duì)數(shù)關(guān)系；

OP1、OP2輸出分別與lnI1、lnI2成比例，由OP3取出差值；最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路處理后輸出。第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.6色敏傳感器輸出電壓為短路電流比值

傳感器原理及應(yīng)用兩色敏管的光譜特性短路電流比—波長(zhǎng)特性相對(duì)靈敏度%λ/μmVD1VD2淺結(jié)深結(jié)色敏器件是測(cè)定不同波長(zhǎng)時(shí)兩只光電二極管的短路電流比值，具體應(yīng)用時(shí)需要的對(duì)器件進(jìn)行標(biāo)定；通過(guò)判別兩只光電二極管光電流的大小判別顏色。第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.6色敏傳感器λ/μm1001010.10.40.81.2Cln(I2/I1)U0

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件8.2.6色敏傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件①PIN型硅光電二極管，高速光電二極管，響應(yīng)時(shí)間達(dá)1nS，適用于遙控裝置。②雪崩式光電二極管，具有高速響應(yīng)和放大功能，高電流增益，可有效讀取微弱光線，用于0.8μm范圍的光纖通信、光磁盤受光元件裝置。8.2.7其他光電管③光電閘流晶體管（光激可控硅），由入射光線觸發(fā)導(dǎo)通的可控硅。

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件④光敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有靈敏度高、線性動(dòng)態(tài)范圍大、光譜響應(yīng)范圍寬、輸出阻抗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于對(duì)微弱信號(hào)和紫外光的檢測(cè)。8.2.7其他光電管復(fù)合管I1I2IV+⑤達(dá)林頓光電三極管（光電復(fù)合晶體管）輸入是光電三極管，輸出是普通晶體管，增益大，由I=Ig×I1I2

作驅(qū)動(dòng)。

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件⑥光電耦合器件光電耦合器又稱光電隔離器（簡(jiǎn)稱“光耦”

）由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏晶體管等）集成在一起；器件的光信號(hào)封閉在器件內(nèi)，發(fā)光管輻射可見(jiàn)光或紅外光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。器件通過(guò)電—光、光—電兩次轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入輸出耦合。8.2.7其他光電管

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件輸入輸出完全隔離，有獨(dú)立的輸入輸出阻抗，絕緣電阻在1萬(wàn)兆以上。器件有很強(qiáng)的抗干擾能力和隔離性能，可避免振動(dòng)、噪聲干擾。特別適宜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)做數(shù)字電路開(kāi)關(guān)信號(hào)傳輸；可作邏輯電路隔離器、計(jì)算機(jī)測(cè)量、控制系統(tǒng)中做無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等?！肮怦睢奔善骷奶攸c(diǎn)：

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

光電耦合器件結(jié)構(gòu)形式

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電耦合器用于天然氣高壓點(diǎn)火器確認(rèn)電路可避免失火時(shí)明火打開(kāi)點(diǎn)燃天然氣。

光電耦合器件

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電耦合器應(yīng)用

光電耦合器件

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

⑦

光電開(kāi)關(guān)（光電斷續(xù)器）透射式，當(dāng)不透明物質(zhì)位于中間時(shí)會(huì)阻斷光路，接受器件無(wú)光電信號(hào)輸出。反射式，光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射與接受器件光軸在同一平面上，并以某一角度相交，交點(diǎn)處為待測(cè)點(diǎn)，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)待測(cè)點(diǎn)時(shí)，接受元件接收到物體表面反射的光線。器件由發(fā)光元件和接收光敏元件組成，分為透射式和反射式；光路信號(hào)由外部光信號(hào)控制，光敏器件是光敏電阻或光敏管。

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電開(kāi)關(guān)基本電路RxRL+VCC8.2.7其他光電管光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與外形限流電阻ID=100mA,VCC=5V,RX=50Ω

傳感器原理及應(yīng)用第8章光電效應(yīng)及光電器件⑦

光電開(kāi)關(guān)RxRL+VCC限流電阻光電開(kāi)關(guān)基本電路ID=100mA,VCC=5V,RX=50Ω

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)方法電梯平層用光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)器件

光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電開(kāi)關(guān)反射式檢測(cè)方法

光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)方法

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件運(yùn)動(dòng)物體

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件透射式反射式

反射式、透射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體方法

光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體BUD-30S傳感器

光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)BUD-30S傳感器特性參數(shù)尺寸[W52XH20,L72mm]探測(cè)距離30mm探測(cè)物體不小于直徑1.5mm的不透明物體應(yīng)答時(shí)間最大1毫秒額定電源12to24VDC±10%（RippleP-P:Max.10%)電流消耗最大30mA使用光源紅外發(fā)光二極管(調(diào)制）靈敏度可調(diào)動(dòng)作方式通過(guò)控制線選擇DarkON

和LightON方式控制輸出NPNopencollectoroutput:-->負(fù)載電壓：30V,負(fù)載電流：最大200mA，殘留電壓：最大1V連接電纜連接保護(hù)電路反極性保護(hù),短路保護(hù)環(huán)境濕度使用時(shí)

:35to85%RH存儲(chǔ)時(shí)

:35to90%RH環(huán)境溫度使用時(shí):-20to+65℃(未結(jié)冰狀態(tài)下)儲(chǔ)存時(shí):-35to+70℃(未結(jié)冰狀態(tài)下)

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件計(jì)數(shù)與標(biāo)記位置檢測(cè)方法

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

目標(biāo)位置檢測(cè)方法

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件

工件檢測(cè)方法

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件遙控器光電轉(zhuǎn)換電路:100Ω電阻限流在15mA，無(wú)光照時(shí)復(fù)合管截止，LED不發(fā)光；用遙控器對(duì)準(zhǔn)光敏管按鍵，LED點(diǎn)亮?xí)r說(shuō)明遙控器有紅外線發(fā)射。電視遙控器檢測(cè)電路硅管壓降0.7V（兩只1.5V）10K紅外光敏管100Ω復(fù)合管LED壓降1.5V3VK1.5V遙控器8.3.1遙控器檢測(cè)電路8.3光電器件的應(yīng)用實(shí)例

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件紅外光敏二極管檢測(cè)方法用電視遙控器發(fā)射光信號(hào)檢測(cè)光敏二極管時(shí)，當(dāng)有紅外線光照射在光敏管時(shí)，光敏管的電流增加電阻值減小。數(shù)字式萬(wàn)用表應(yīng)表筆正極接光敏管負(fù)極，表筆負(fù)極接光敏管正極。指針式萬(wàn)用表表筆內(nèi)電池極性相反。光敏管檢測(cè)8.3.1遙控器檢測(cè)電路

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件當(dāng)心臟跳動(dòng)時(shí)，一個(gè)壓力波會(huì)沿著動(dòng)脈血管以每秒幾米的速度傳遞。這個(gè)壓力波會(huì)引起人體組織毛細(xì)血管中血流量的變化，可記錄出脈波。光學(xué)測(cè)量法是，在一個(gè)夾子的兩邊分別裝一個(gè)紅外發(fā)光管和一個(gè)光敏電阻，然后夾在耳垂上。心臟壓力波引起的毛細(xì)血管中血流量的變化導(dǎo)致耳垂的透光率不同，使光敏電阻的阻值變化，阻值的變化周期就是每秒心跳的次數(shù)。心臟跳動(dòng)測(cè)量傳感器（光敏電阻受光）8.3.2光敏電阻脈搏測(cè)量

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件按照電路圖接測(cè)量電路，制作出簡(jiǎn)易傳感器，經(jīng)采樣、波形和頻譜分析，然后可以用它測(cè)量自己的心臟跳動(dòng)頻率。

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件心臟跳動(dòng)測(cè)量傳感器（光電晶體管受光）

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件煙霧測(cè)量傳感器（光電晶體管受光）原理類同

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光學(xué)鼠標(biāo)主要由四部分的核心組件構(gòu)成：分別是發(fā)光二極管、透鏡組件、光學(xué)引擎（OpticalEngine）以及控制芯片和（PS/2或USB）接口組成。激光鼠標(biāo)其實(shí)也是光電鼠標(biāo)，只是用激光代替了普通的LED光。8.3.3光電鼠標(biāo)激光鼠標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)更多更大的表面，因?yàn)長(zhǎng)ED光是非相干光（IncoherentLight），而激光則是相干光（CoherentLight），幾乎是單一波長(zhǎng)，即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳播依然能保持其強(qiáng)度和波形。

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電效應(yīng)及光電器件光學(xué)鼠標(biāo)LED燈位于鼠標(biāo)的底部，燈光以30度角射向桌面，照射出粗糙的表面所產(chǎn)生的陰影，然后再通過(guò)平面的折射透過(guò)另外一塊透鏡反饋到傳感器上。當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)的時(shí)候，成像傳感器錄得連續(xù)的圖案，然后通過(guò)“數(shù)字信號(hào)處理器”（DSP）對(duì)每張圖片的前后對(duì)比分析處理，以判斷鼠標(biāo)移動(dòng)的方向以及位移，從而得出鼠標(biāo)x,y方向的移動(dòng)數(shù)值。再通過(guò)SPI傳給鼠標(biāo)的微型控制單元（MicroControllerUnit）。鼠標(biāo)的處理器對(duì)這些數(shù)值處理之后，通過(guò)接口傳給電腦主機(jī)。傳統(tǒng)的光電鼠標(biāo)采樣頻率約為