第6章 光电式传感器

6.1 光电效应及光电器件 6.1.1 光电效应 光照射在物体表面上就可看成是物体受到一连串能量为E的光子轰击，而光电效应就是由于该物体吸收到光子能量为E的光后产生的电效应。 通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类： （1）外光电效应。在光线作用下能使电子逸出物体表面的称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 （2）内光电效应。在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应，又称光电导效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻等。 （3）半导体光生伏特效应。在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称为半导体光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏晶体管等。 基于外光电效应的光电器件属于真空光电器件，基于内光电效应和半导体光生伏特效应的光电器件属于半导体光电器件。 第6章 光电式传感器

6.1.2 光电管 光电管由一个阴极和一个阳极构成，并密封在一支真空玻璃管内。光电管的特性主要取决于光电管阴极材料。 光电管基本特性： （1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性。 图6.1 光电管的结构 图6.2 光电管的伏安特性 图6.3 光电管的光照特性 第6章 光电式传感器

6.1.3 光敏电阻 光敏电阻是由具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻器件。 1．光敏电阻的基本特性 （1）光电流：光敏电阻在不受光照射时流过光敏电阻的电流称为暗电流；在受光照射时流过光敏电阻的电流称为亮电流；亮电流与暗电流之差称为光电流。 （2）伏安特性:在一定的照度下，加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性曲线。 （3）光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性 。 图6.4 光敏电阻的伏安特性曲线 图6.5 光敏电阻的光照特性曲线 第6章 光电式传感器

（4）光谱特性：光敏电阻对于不同波长l 的入射光，其相对灵敏度Kr是不同的。 （5）频率特性：相对灵敏度Kr与光强度变化频率f之间的关系曲线 。 （6）光谱温度特性：在不同温度下的相对灵敏度Kr与入射光波长l 之间的关系曲线。 图6.7 光敏电阻的频率特性 图6.6 光敏电阻的光谱特性 图6.8 光敏电阻的光谱温度特性 第6章 光电式传感器

6.1.4 光敏晶体管 1．光敏二极管 （1）工作原理。 光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件。在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。 （2）光敏二极管的检测方法。 图6.9 光敏二极管 第6章 光电式传感器

① 光谱特性 ② 伏安特性 ③ 光照特性 ④ 温度特性 ⑤ 时间常数 2．光敏三极管 （1）工作原理 （2）基本特性 ① 光谱特性 ② 伏安特性 ③ 光照特性 ④ 温度特性 ⑤ 时间常数 图6.10 光敏三极管 第6章 光电式传感器

（3）光敏三极管的检测方法。 图6.11 光敏三极管的光谱特性曲线 图6.12 光敏三极管的光照特性曲线 图6.11 光敏三极管的光谱特性曲线 图6.12 光敏三极管的光照特性曲线 图6.13 光敏三极管的温度特性曲线 （3）光敏三极管的检测方法。 第6章 光电式传感器

6.1.5 光电池 1．光谱特性 光电池的相对灵敏度Kr与入射光波长l之间的关系称为光谱特性。 2．光照特性 6.1.5 光电池 1．光谱特性 光电池的相对灵敏度Kr与入射光波长l之间的关系称为光谱特性。 2．光照特性 光生电动势U与照度Ee之间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee之间的特性曲线称为短路电流曲线。如图6.15所示为硅光电池的光照特性曲线。 图6.14 光电池的光谱特性曲线 图6.15 硅光电池的光照特性曲线 第6章 光电式传感器

光电池的频率特性是光的调制频率f与光电池的相对输出电流Ir（相对输出电流=高频输出电流/低频最大输出电流）之间的关系曲线。 3．频率特性 光电池的频率特性是光的调制频率f与光电池的相对输出电流Ir（相对输出电流=高频输出电流/低频最大输出电流）之间的关系曲线。 4．温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压U、短路电流I随温度t变化的曲线，如图6.17所示。 图6.16 光电池的频率特性 图6.17 光电池的温度特性 第6章 光电式传感器

6.2 红外传感器 6.2.1 红外辐射 图6.18 电磁波谱图 第6章 光电式传感器

6.2.2 红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。红外探测器是红外传感器的核心。 1．热探测器 6.2.2 红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。红外探测器是红外传感器的核心。 1．热探测器 热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定探测器所吸收的红外辐射。 2．光子探测器 光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学现象（这一过程也称为光子效应）。通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。 第6章 光电式传感器

1—光源；2、3—透镜；4—光敏电阻R1；5—被测带材；6—遮光罩 6.3 光电式传感器应用举例 6.3.1 光敏电阻传感器的应用 1—光源；2、3—透镜；4—光敏电阻R1；5—被测带材；6—遮光罩 图6.19 带材跑偏检测装置 第6章 光电式传感器

6.3.2 光敏晶体管的应用 1．光电耦合器 2．脉冲编码器 图6.20 光电耦合器组成形式 图6.21 脉冲编码器工作原理图 6.3.2 光敏晶体管的应用 1．光电耦合器 2．脉冲编码器 图6.20 光电耦合器组成形式 图6.21 脉冲编码器工作原理图 第6章 光电式传感器

3．光电转速传感器 转速n与脉冲频 率 f 的关系式为： n = 60 f / N 图6.22 光电转速表原理图 图6.22 光电转速表原理图 图6.23 光电脉冲转换电路 第6章 光电式传感器

6.3.3 光电池的应用 1．太阳能电池电源 2．光电报警电路 图6.24 太阳能电池电源系统方框图 图6.25 光电报警电路 6.3.3 光电池的应用 1．太阳能电池电源 2．光电报警电路 图6.24 太阳能电池电源系统方框图 图6.25 光电报警电路 第6章 光电式传感器

6.3.4 红外测温仪 红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。 图6.26 红外测温仪方框图 第6章 光电式传感器

6.4 光电开关和光电断续器 6.4.1 光电开关 光电开关器件是以光电元件、三极管为核心，配以继电器组成的一种电子开关。当开关中的光敏元件受到一定强度的光照射时就会产生开关动作。 图6.27 基本光电开关电路 第6章 光电式传感器

光电开关可分为两类：遮断型和反射型。如图6. 28（a）所示为遮断型；反射型分为两种情况：反射镜反射型和被测物体反射型（简称散射型），如图6 光电开关可分为两类：遮断型和反射型。如图6.28（a）所示为遮断型；反射型分为两种情况：反射镜反射型和被测物体反射型（简称散射型），如图6.28（b）、（c）所示。 1—发射器；2—接收器；3—被测物；4—反射镜 图6.28 光电开关类型及应用 第6章 光电式传感器

1—发光二极管；2—红外光；3—光电元件；4—槽；5—被测物 6.4.2 光电断续器 光电断续器的工作原理与光电开关的相同，但其光电发射器、接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以两者能可靠地对准，其外形如图6.29所示。光电断续器也可分为遮断型和反射型两种。 1—发光二极管；2—红外光；3—光电元件；4—槽；5—被测物 图6.29 光电断续器 第6章 光电式传感器

小 结 光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，它的基础是光电转换元件的光电效应。光电测量方法一般具有结构简单、非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点。光电效应可分为内光电效应、外光电效应和光生电动势效应等。 本章还详细介绍了光电管、光敏电阻、光电池等光电元件的工作原理及其基本特性，以及红外传感器的基本原理和红外探测器及光电式传感器的一些典型应用。 返回目录 第6章 光电式传感器