第8章 光电式传感器

概述 光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。 由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。

光电式传感器可分三大类： 1 .输出端为“有”或“无”电信号两种状态 2 .产生的光电流是光通量的函数 3 .反映被测体的形状 原理： 输出 光源 光学通路 光电器件 被测量 光电式传感器可分三大类： 1 .输出端为“有”或“无”电信号两种状态 2 .产生的光电流是光通量的函数 3 .反映被测体的形状

光电效应 1．外光电效应 ◆光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 ◆在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。

光电器件 光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电式传感器的工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。

光电器件的基本特性： （1）光电流：光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。 （2）暗电流：光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。 （3）光照特性：当光敏元件加一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E之间的关系，称为光照特性。一般可表示为 。

（4）光谱特性：当光敏元件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射光功率不变时，光电流随入射光波长变化而变化的关系 ，称为光谱特性。 光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。 在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。

（5）伏安特性：在一定照度下，光电流I与光敏元件两端的电压U的关系 称为伏安特性。 （6）频率特性： 在相同的电压和相同幅值的光强度下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S随调制频率f变化的关系： 、 称为频率特性。 （7）温度特性： 环境温度变化后，光敏元件的光学性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。

物理基础 物理本质：高于绝对零度 热辐射，发热，吸热

依波长的不同，可见光可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种彩色光。 可见光的光谱特性 可见光是波长为: ----380nm—780nm的电磁波。 依波长的不同，可见光可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种彩色光。

（1）光敏电阻 1．光敏电阻的结构与工作原理 ◆光敏电阻又称光导管，是内光电效应（光电导效应）器件，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为CDS。 ◆光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。

◆当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小 越好，此时光敏电阻 的灵敏度高。实际 光敏电阻的暗电 阻值一般在兆欧级， 亮电阻在几千欧以下。 光敏电阻结构

◆光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。 （2）亮电阻 2．光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻 ◆光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。 （2）亮电阻 ◆光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流 ◆亮电流与暗电流之差称为光电流。

3．光敏电阻的基本特性 （1） 伏安特性 ◆在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。 图为硫化镉光敏电阻 的伏安特性曲线。由图 可见，光敏电阻在一定 的电压范围内，其I-U曲 线为直线，说明其阻值与 入射光量有关，而与电 压、电流无关。 图8-5 硫化镉光敏电阻的伏安特性

（2）光谱特性 ◆光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。 图8-4为几种不同材料 光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长，光 敏电阻的灵敏度是不 同的。 图8-4 光敏电阻的光谱特性

（3）光照特性 ◆光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光强之间的关系，如图8-3所示。 ◆由于光敏电阻的光照 特性呈非线性，因此 不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统 中常用作开关式光电 信号传感元件。 图8-3 光敏电阻的光照特性

（4）温度特性 ◆光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。 ◆温度变化影响光敏电 阻的光谱响应，尤其 是响应于红外区的硫 化铅光敏电阻受温度 影响更大。图为 硫化铅光敏电阻的光 谱温度特性曲线。 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线

（5）光敏电阻的响应时间和频率特性 ◆实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停 止光照起到电流下降到原来 的63%所需的时间，因此，t 越小，响应越迅速，但大多 数光敏电阻的时间常数都较 大,这是它的缺点之一。 光敏电阻的频率特性

光敏二极管和光敏三极管

图8-7 光敏二极管的结构原理 ◆光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透 明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图a）。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图b），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。

图8-9 NPN型光敏三极管结构简图和基本电路