常用傳感器光電

1、學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及光電傳學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及光電傳感器的各種應(yīng)用，掌握光電開關(guān)及光電斷續(xù)器的使用方法。感器的各種應(yīng)用，掌握光電開關(guān)及光電斷續(xù)器的使用方法。2 2、3 3 光電傳感器光電傳感器目錄目錄41.1傳感器概述12351.2壓電傳感器1.3光電傳感器1.4電渦流傳感器1.5微波傳感器671.6超聲波傳感器1.7圖像傳感器 1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獎(jiǎng)。 可見光波長（可見光波長（4

2、 4* *10-7m-710-7m-7* *10-7m10-7m） 光色光色- - 波長波長（nm)- nm)- 代表波代表波紅外線紅外線紅（紅（RedRed）- 780- 780630 - 700 630 - 700 橙（橙（OrangeOrange）- 630- 630600 - 620 600 - 620 黃（黃（YellowYellow）- 600- 600570 - 580 570 - 580 綠（綠（GreenGreen） - 570- 570500 - 550 500 - 550 青（青（CyanCyan） - 500- 500470 - 500 470 - 500 藍(lán)（藍(lán)（Bl

3、ueBlue） - 470- 470420 - 470 420 - 470 紫（紫（VioletViolet） - 420- 420380 - 420 380 - 420 紫外線紫外線 頻率頻率波長波長= =光速光速 可見光通常指波長范圍為可見光通常指波長范圍為:390nm - 780nm :390nm - 780nm 的電磁波。的電磁波。人眼可見范圍為人眼可見范圍為:312nm - 1050nm:312nm - 1050nm 光照強(qiáng)度光照強(qiáng)度: :是物體被照明的程度是物體被照明的程度, ,以單位面積上所接受可以單位面積上所接受可見光的能量來量度。簡稱照度，單位勒克斯（見光的能量來量度。簡稱照

4、度，單位勒克斯（LuxLux或或LxLx）。）。被光均勻照射的物體，在被光均勻照射的物體，在1 1平方米面積上所得的光通量是平方米面積上所得的光通量是1 1流明時(shí)，它的照度是流明時(shí)，它的照度是1 1勒克斯。勒克斯。 流明是光通量的單位。流明是光通量的單位。發(fā)光強(qiáng)度為發(fā)光強(qiáng)度為1 1燭光的點(diǎn)光源，在單燭光的點(diǎn)光源，在單位立體角（位立體角（1 1球面度）內(nèi)發(fā)出的光通量為球面度）內(nèi)發(fā)出的光通量為“1 1流明流明”。 光源射出光線的亮度為發(fā)光強(qiáng)度（光源射出光線的亮度為發(fā)光強(qiáng)度（Luminous intensitLuminous intensity y），即光源所具有的光能大小，單位是燭光（），即光源所

5、具有的光能大小，單位是燭光（CandelCandela a），音譯），音譯“坎德拉坎德拉”。 220V220V白熾燈泡瓦數(shù)與流明的換算白熾燈泡瓦數(shù)與流明的換算 10 W 10 W 65 lm 65 lm 15 W 15 W 101 lm 101 lm 25 W 25 W 198 lm 198 lm 40 W 40 W 340 lm 340 lm 60 W 60 W 540 lm 540 lm 100 W 100 W 1050 lm 1050 lm 150 W 150 W 1845 lm 1845 lm 200 W 200 W 2660 lm 2660 lm 300 W 300 W 4350 l

6、m 4350 lm 500 W 500 W 7700 lm 7700 lm 1000 W 1000 W 17000 lm 17000 lm 日光燈管的換算日光燈管的換算 15 W 15 W 490 lm 490 lm 560 lm 560 lm 20 W 20 W 700 lm 700 lm 800 lm 800 lm 30 W 30 W 1160 lm 1160 lm 1400 lm 1400 lm 40 W 40 W 1700 lm 1700 lm 1920 lm 1920 lm 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)： 在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。 如如

7、光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)： 在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象， 如如光敏電阻光敏電阻等屬于這類光電器件。等屬于這類光電器件。阻擋層光電效應(yīng)阻擋層光電效應(yīng)( (光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)) )： 在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象。在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象。如如光電池、光敏晶體管光電池、光敏晶體管等等 一、光電效應(yīng)及光電元件一、光電效應(yīng)及光電元件 用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為能量為hf 的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收的光子的轟擊，

8、組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。應(yīng)。 外光電效應(yīng)：在光線的作用下能外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。像管等。 紫外管外形 當(dāng)入射紫外當(dāng)入射紫外線照射在紫外管線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面子克服金屬表面對它的束縛而逸對它的束縛而逸出金屬表面，形出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外外

9、管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)線測量、火焰監(jiān)測等。測等。 紫外線紫外線光敏電阻 當(dāng)光敏電阻受到當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光照時(shí)， 阻值減小。阻值減小。光敏電阻演示 當(dāng)光敏當(dāng)光敏電阻受到光電阻受到光照時(shí)，照時(shí)，光生光生電子電子空穴空穴對增加，對增加，阻阻值減小，電值減小，電流增大。流增大。暗電流（越小越好）暗電流（越小越好）光敏二極管 將光敏二極管的將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)置在透明管殼結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照頂部的正下方，光照射到光敏二極管的射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子結(jié)時(shí)，電子-空穴對數(shù)空穴對數(shù)量增加，光電流與照量增加，光電流與照度成正比。度成正比。 光敏二極管外形 光敏二極管陣列光敏二極

10、管陣列 包含包含1024個(gè)個(gè)InGaAs元件元件的線性光電二極管陣列，可用的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。于分光鏡。紅外發(fā)射、接收對管外形 紅外發(fā)射管紅外發(fā)射管紅外接收管紅外接收管PIN光電二極管 PIN光電二極管是在光電二極管是在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，層，從而減小了從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫，可用作各種比

11、普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF 頻帶小信號(hào)開關(guān)頻帶小信號(hào)開關(guān)、中波頻帶中波頻帶到到1000MHZ之間電流控制、可變之間電流控制、可變衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開關(guān)切換和高頻功率開關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高領(lǐng)域的高速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極二極 管還可用于測量紫外線或射線等管還可用于測量紫外線或射線等。APD光敏二極管（雪崩光敏二極管） 硅雪崩光電二極管是采用硅雪崩光電二極管是采用n+p

12、-p+型結(jié)構(gòu)的可見型結(jié)構(gòu)的可見光和近紅外探測器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，光和近紅外探測器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測、高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導(dǎo)等光電信息長距離光纖通信、激光測距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。傳輸和光電對抗系統(tǒng)。GD3250系列硅雪崩光電二極管的特性參數(shù) 參數(shù)參數(shù)單位單位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直徑光敏面直徑mm0.20.50.8工作電壓工作電壓V100150100150150250暗電流暗電流nA152535響應(yīng)度響應(yīng)度V/w606060上升

13、時(shí)間上升時(shí)間ns134噪聲等效功率噪聲等效功率 Pw/Hz1/20.050.070.09結(jié)電容結(jié)電容pF11.52使用溫度范圍使用溫度范圍 -20+40-20+40-20+40封裝形式封裝形式 TO型型 光纖型光纖型TO型型TO型型光敏二極管的反向偏置接法 在沒有光照時(shí)，由在沒有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，于二極管反向偏置，所以反向電流很小，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱為暗電這時(shí)的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的當(dāng)光照射在二極管的P PN N結(jié)（又稱耗盡層）上結(jié)（又稱耗盡層）上時(shí)，在時(shí)，在PNPN結(jié)附近產(chǎn)生結(jié)附近產(chǎn)生的

14、電子的電子- -空穴對數(shù)量也空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。照度成正比。 光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁圖）及光電特性演示 在沒有光照時(shí)，由于二在沒有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。（暗電流）很小。 當(dāng)當(dāng)光照增加光照增加時(shí)，時(shí)，光電流光電流I與光照度成正與光照度成正比關(guān)系。比關(guān)系。 光敏光敏二二極管的極管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照光敏三極管 光敏三極管有兩光敏三極管有兩個(gè)個(gè)PN結(jié)結(jié)。與普通。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管

15、高。多數(shù)光敏三極管的基極沒敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，有引出線，只有正負(fù)（只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。上很難區(qū)別。 光敏三極管外形 光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu) a) 內(nèi)部組成內(nèi)部組成 b)管芯結(jié)構(gòu)管芯結(jié)構(gòu) c）結(jié)構(gòu)簡化圖結(jié)構(gòu)簡化圖 1集電極引腳集電極引腳 2管芯管芯 3外殼外殼 4玻璃聚光鏡玻璃聚光鏡 5發(fā)射極引腳發(fā)射極引腳 6N+ 襯底襯底 7N型集電區(qū)型集電區(qū) 8SiO2保護(hù)圈保護(hù)圈 9集電結(jié)集電結(jié) 10P型基區(qū)型基區(qū) 11N型發(fā)射區(qū)型發(fā)射區(qū) 12發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié) 硅光敏晶體管的光譜特性 電磁波頻

16、譜電磁波頻譜光電特性 0光照光照 光光電電流流光敏光敏 三極管三極管光敏光敏 二極管二極管3000lx4mA請判斷靈敏度的高低請判斷靈敏度的高低0.3mA請計(jì)算當(dāng)請計(jì)算當(dāng)E=100lx時(shí)，光敏二極管的光電流時(shí)，光敏二極管的光電流I IE光敏晶閘管 光敏晶閘管有三個(gè)引出電極，即陽極光敏晶閘管有三個(gè)引出電極，即陽極a、陰極、陰極k和門極和門極g 。它。它的頂部有一個(gè)玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽極與負(fù)載串聯(lián)后接電的頂部有一個(gè)玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽極與負(fù)載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負(fù)極，門極可懸空。源正極，陰極接電源負(fù)極，門極可懸空。 當(dāng)有一定照度的光信號(hào)通過玻璃窗口照射到正向阻斷的當(dāng)有一定照度的光信

17、號(hào)通過玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時(shí)，將產(chǎn)生門極電流，從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變結(jié)上時(shí)，將產(chǎn)生門極電流，從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。為導(dǎo)通狀態(tài)。 導(dǎo)通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。要切導(dǎo)通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。要切斷已觸發(fā)導(dǎo)通的光敏晶閘管，必須使陽極與陰極的電壓反向，斷已觸發(fā)導(dǎo)通的光敏晶閘管，必須使陽極與陰極的電壓反向，或使負(fù)載電流小于其維持電流?；蚴关?fù)載電流小于其維持電流。 光敏晶閘管的特點(diǎn)是：導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，光敏晶閘管的特點(diǎn)是：導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動(dòng)工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，

18、因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動(dòng)檢測控制。檢測控制。光敏晶閘管外形光敏面光敏面基于光生伏特效應(yīng)的光電元件 光電池 在在N型襯底上制造一薄層型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對光生電子型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對光生電子空穴對，空穴對， 光生光生 電子電子空穴對的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過漂移運(yùn)動(dòng)空穴對的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過漂移運(yùn)動(dòng)被拉到被拉到N型區(qū)，空穴留在型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)

19、間，正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢輸出。就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢輸出。 光電池外形光敏面光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池柔光罩下面為圓形光電池光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能賽車太陽能電動(dòng)機(jī)模型太陽能電動(dòng)機(jī)模型太陽能太陽能 硅光電池板硅光電池板光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用光電池的光電特性 一個(gè)典型的硅光電池的光電特性一個(gè)典型的硅光電池的光電特性 1 1開路電壓曲線開路電壓曲線 2 2短路電流曲線短路電流曲線 開路電壓為開路電壓為 對數(shù)特性對數(shù)特性短路電流為短路電流為 線性特性線性特性光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 模擬式傳感器 脈沖式傳感器1 模擬式光電傳感器 基于光電器件的光電流隨光通量而