第六章 光电式传感器第六章 光电式传感器第一节 光电效应与光电器件第二节 光电传感器与光电检测第三节 光导纤维传感器第六章 光电式传感器利用 光电效应 将非电量转变为电量一、光电效应光具有粒子性，能量为 hγ 。光照射物体时,物体即受到能量为 hγ的光子的轰击，其吸收光子能量后产生的电效应称 光电效应 。
h,普朗克常量 SJ 341063.6 γ:光波频率第一节 光电效应与光电器件本章目录第六章 光电式传感器
1、外光电效应
2、内光电效应 （ 光电导效应,光敏电阻、光导管、光敏二级管,光敏三级管、光敏晶闸管 ）
（光电管、光电倍增管、光电摄像管）
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象。
在光线作用下，电子吸收能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化的现象。
3、光生伏特效应 （阻挡层光电效应：光电池）
在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。
第六章 光电式传感器二、光电元件
（一）光电管和光电倍增管
1、光电管由阴极和阳极构成，阳极电位高于阴极。
入射光照射阴极，自由电子获得光子的能量，当大于阴极材料的溢出功 A时，自由电子脱离阴极材料的束缚而溢出，形成电子发射，这种电子称为光电子。
Ahmv221
第六章 光电式传感器
2、光电倍增管红限,
K?
对每一种阴极材料，入射光都有一个频率限，低于这个频率，无论光强多大，也不会产生光电子发射。
具有光电流放大的能力。
在阴极和阳极之间，设置若干个二次发射电极，电位逐级升高，能对进行二次电子发射。
第六章 光电式传感器
（二）光敏电阻
1、工作原理光敏电阻又称光导管，利用内光电效应原理制成。
主要 材料 是用半导体。
2、结构 ↗
金属电极 半导体玻璃底板塑料盒
第六章 光电式传感器
3、光敏电阻的主要参数和特性暗电阻（室温，全暗条件下测得） 暗电流亮电阻（室温，一定条件下测得） 亮电流
（ 1） 光电流（亮电流与暗电流之差）
（ 2） 伏安特性在一定光照强度下，
光敏电阻两端所加电压与流过光敏电阻的光电流的关系曲线称伏安特性曲线。 1
2
3
4
5
50 100
100 lx
无光照允许功耗曲线
I（ μA）
U（ V）
第六章 光电式传感器
（ 3） 光照特性（曲线）
光敏电阻的光电流 I
与光通量 Φ（光照度）的关系曲线。
50
100
150
200
250
0.4 0.8
I（ μA）
Φ（ lx）
I=f（ Φ）是非线性的，故不宜做检测元件，常用作开关量 元件 。
第六章 光电式传感器
（ 4） 光谱特性（曲线）
光敏电阻的相对灵敏度 Kr与光照波长 λ的关系
50
100
5000 10000
Kr（ %）
λ（ A）15000 20000 25000
0.5μm 2.5μm
硫化镉 硫化铅硫化铊第六章 光电式传感器
（ 5） 频率特性（曲线）
50
100
10 100
Kr（ %）
f（ Hz）
1000 1× 104
硫化铅硫化铊动态响应差，不适合用于要求快速响应的动态测量第六章 光电式传感器
（ 6） 光谱温度特性（曲线）
光敏电阻的光学和电学性质受温度的影响较大。
硫化铅光敏电阻的光谱特性
50
100
1.0 2.0
Kr（ %）
λ（ μm）3.0
20℃
-20℃
第六章 光电式传感器
（三）光敏二极管
ICB
结构与一般二极管相似，
PN结装在管的顶部可直接受到光照射，在电路中一般处于反向工作 状态。
第六章 光电式传感器
（四）光敏三极管
NPN型
b
c
e
ICE
第六章 光电式传感器
1、光谱特性在入射光的照度一定的情况下，光敏晶体管的相对灵敏度 Kr随光波波长的变化而变化。
一种材料的光敏晶体管只对一定波长范围的入射光敏感。（ P102 图 8-13）
2、伏安特性不同光照度下的输出特性 UCE~IC
（ P103 图 8-14）
第六章 光电式传感器
3、光电特性外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流与光照度的关系。
4、温度特性温度的变化对亮电流影响较小，
对暗电流影响十分显著。
（ P103 图 8-15）
5、频率特性光敏晶体管相对灵敏度 Kr与入射光调制频率的关系。
（ P103 图 8-16）
第六章 光电式传感器
（五）光电池利用光生伏特效应，是一种自发电式的光电元件。
P
NPN结
E
第六章 光电式传感器
1、光谱特性光电池的相对灵敏度 Kr与入射光波长的关系。
（ P105 图 8-18）
2、光电特性入射关的照度与光生电动势及光电流的关系。
（ P105 图 8-19）
光照度与开路电压的关系是非线性的；
与短路电流的关系在很大范围内是线性关系。
第六章 光电式传感器本节首页
3、温度特性开路电压与短路电流随温度变化的情况 。
（ P105 图 8-20）
4、频率特性输出电流与入射光调制频率的关系。
第六章 光电式传感器第二节 光电传感器与光电检测光源 光学通路 光电元件1? 2?
1x 2x
I
x1,x2,被测量，能够造成光源或光学通路的变化，
从而改变光电元件所接收到的光照的强度，从而改变其输出的电信号 I的大小。
本章目录第六章 光电式传感器
（一）模拟量光电传感器光电元件接收的光信号随被测量是 连续变化 的，
因此光电元件的输出也是连续变化的。
常见形式,? 被测物是光源
被测物吸收光通量
被测物具有反射能力
被测物遮挡光通量第六章 光电式传感器
1、测量物体温度 (辐射式，光源本身是被测物）
物体 t,λ 变化光强变化光电元件电信号
2、测量物体透明度（吸收式）
本章目录光电元件被测物体电信号恒定光源 吸收部分光通量第六章 光电式传感器
3、测量物体表面的光洁度（反射式）
被测物体光电元件反射光的强度取决于被测物体表面的性质和状态。
第六章 光电式传感器
4、测量物体位移量（遮光式）
被测物体 光电元件由于被测物的遮挡，使照射到光电元件上的光通量减弱，从而输出产生变化，即光电元件的输出可反映被测物的尺寸或位置。
第六章 光电式传感器
5、测量溶液的颜色（光电比色计）
第六章 光电式传感器
（二）数字量光电传感器
VC
C
频率计
VTO1 VT
2 VT
3
VT4
VA V
B VC
VD
光电元件接收的光信号是 断续变化 的，光电元件工作于 开关状态,输出通常是只有两种稳定状态的脉冲信号。
光电式转速仪第六章 光电式传感器
（三）光电传感器常用光源
1、发光二极管
2、钨丝灯泡：具有丰富的红外线
3、激光：能力集中度高本节首页第六章 光电式传感器本章结束
h,普朗克常量 SJ 341063.6 γ:光波频率第一节 光电效应与光电器件本章目录第六章 光电式传感器
1、外光电效应
2、内光电效应 （ 光电导效应,光敏电阻、光导管、光敏二级管,光敏三级管、光敏晶闸管 ）
（光电管、光电倍增管、光电摄像管）
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象。
在光线作用下，电子吸收能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化的现象。
3、光生伏特效应 （阻挡层光电效应：光电池）
在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。
第六章 光电式传感器二、光电元件
（一）光电管和光电倍增管
1、光电管由阴极和阳极构成，阳极电位高于阴极。
入射光照射阴极，自由电子获得光子的能量，当大于阴极材料的溢出功 A时，自由电子脱离阴极材料的束缚而溢出，形成电子发射，这种电子称为光电子。
Ahmv221
第六章 光电式传感器
2、光电倍增管红限,
K?
对每一种阴极材料，入射光都有一个频率限，低于这个频率，无论光强多大，也不会产生光电子发射。
具有光电流放大的能力。
在阴极和阳极之间，设置若干个二次发射电极，电位逐级升高，能对进行二次电子发射。
第六章 光电式传感器
（二）光敏电阻
1、工作原理光敏电阻又称光导管，利用内光电效应原理制成。
主要 材料 是用半导体。
2、结构 ↗
金属电极 半导体玻璃底板塑料盒
第六章 光电式传感器
3、光敏电阻的主要参数和特性暗电阻（室温，全暗条件下测得） 暗电流亮电阻（室温，一定条件下测得） 亮电流
（ 1） 光电流（亮电流与暗电流之差）
（ 2） 伏安特性在一定光照强度下，
光敏电阻两端所加电压与流过光敏电阻的光电流的关系曲线称伏安特性曲线。 1
2
3
4
5
50 100
100 lx
无光照允许功耗曲线
I（ μA）
U（ V）
第六章 光电式传感器
（ 3） 光照特性（曲线）
光敏电阻的光电流 I
与光通量 Φ（光照度）的关系曲线。
50
100
150
200
250
0.4 0.8
I（ μA）
Φ（ lx）
I=f（ Φ）是非线性的，故不宜做检测元件，常用作开关量 元件 。
第六章 光电式传感器
（ 4） 光谱特性（曲线）
光敏电阻的相对灵敏度 Kr与光照波长 λ的关系
50
100
5000 10000
Kr（ %）
λ（ A）15000 20000 25000
0.5μm 2.5μm
硫化镉 硫化铅硫化铊第六章 光电式传感器
（ 5） 频率特性（曲线）
50
100
10 100
Kr（ %）
f（ Hz）
1000 1× 104
硫化铅硫化铊动态响应差，不适合用于要求快速响应的动态测量第六章 光电式传感器
（ 6） 光谱温度特性（曲线）
光敏电阻的光学和电学性质受温度的影响较大。
硫化铅光敏电阻的光谱特性
50
100
1.0 2.0
Kr（ %）
λ（ μm）3.0
20℃
-20℃
第六章 光电式传感器
（三）光敏二极管
ICB
结构与一般二极管相似，
PN结装在管的顶部可直接受到光照射，在电路中一般处于反向工作 状态。
第六章 光电式传感器
（四）光敏三极管
NPN型
b
c
e
ICE
第六章 光电式传感器
1、光谱特性在入射光的照度一定的情况下，光敏晶体管的相对灵敏度 Kr随光波波长的变化而变化。
一种材料的光敏晶体管只对一定波长范围的入射光敏感。（ P102 图 8-13）
2、伏安特性不同光照度下的输出特性 UCE~IC
（ P103 图 8-14）
第六章 光电式传感器
3、光电特性外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流与光照度的关系。
4、温度特性温度的变化对亮电流影响较小，
对暗电流影响十分显著。
（ P103 图 8-15）
5、频率特性光敏晶体管相对灵敏度 Kr与入射光调制频率的关系。
（ P103 图 8-16）
第六章 光电式传感器
（五）光电池利用光生伏特效应，是一种自发电式的光电元件。
P
NPN结
E
第六章 光电式传感器
1、光谱特性光电池的相对灵敏度 Kr与入射光波长的关系。
（ P105 图 8-18）
2、光电特性入射关的照度与光生电动势及光电流的关系。
（ P105 图 8-19）
光照度与开路电压的关系是非线性的；
与短路电流的关系在很大范围内是线性关系。
第六章 光电式传感器本节首页
3、温度特性开路电压与短路电流随温度变化的情况 。
（ P105 图 8-20）
4、频率特性输出电流与入射光调制频率的关系。
第六章 光电式传感器第二节 光电传感器与光电检测光源 光学通路 光电元件1? 2?
1x 2x
I
x1,x2,被测量，能够造成光源或光学通路的变化，
从而改变光电元件所接收到的光照的强度，从而改变其输出的电信号 I的大小。
本章目录第六章 光电式传感器
（一）模拟量光电传感器光电元件接收的光信号随被测量是 连续变化 的，
因此光电元件的输出也是连续变化的。
常见形式,? 被测物是光源
被测物吸收光通量
被测物具有反射能力
被测物遮挡光通量第六章 光电式传感器
1、测量物体温度 (辐射式，光源本身是被测物）
物体 t,λ 变化光强变化光电元件电信号
2、测量物体透明度（吸收式）
本章目录光电元件被测物体电信号恒定光源 吸收部分光通量第六章 光电式传感器
3、测量物体表面的光洁度（反射式）
被测物体光电元件反射光的强度取决于被测物体表面的性质和状态。
第六章 光电式传感器
4、测量物体位移量（遮光式）
被测物体 光电元件由于被测物的遮挡，使照射到光电元件上的光通量减弱，从而输出产生变化，即光电元件的输出可反映被测物的尺寸或位置。
第六章 光电式传感器
5、测量溶液的颜色（光电比色计）
第六章 光电式传感器
（二）数字量光电传感器
VC
C
频率计
VTO1 VT
2 VT
3
VT4
VA V
B VC
VD
光电元件接收的光信号是 断续变化 的，光电元件工作于 开关状态,输出通常是只有两种稳定状态的脉冲信号。
光电式转速仪第六章 光电式传感器
（三）光电传感器常用光源
1、发光二极管
2、钨丝灯泡：具有丰富的红外线
3、激光：能力集中度高本节首页第六章 光电式传感器本章结束
