一、光电传感器概述

　　1.定义 1.定义 通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量， 通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并 能将光能转化成电信号的器件。 2.结构 2.结构 光源、 光源、光学元件和光电变换器三部分组成。 3.工作原理 3.工作原理 被测量使光源发射的光通量变化→ 被测量使光源发射的光通量变化→光电变换器接受到 的光通量相应变化→输出电量也作相应地变化。 的光通量相应变化→输出电量也作相应地变化。 4.优点 4.优点 结构简单、体积小、响应快，可靠性高、抗干扰能力强。 结构简单、体积小、响应快，可靠性高、抗干扰能力强。

　　传感器与检测技术

　　二、光电效应

　　定义

　　光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物 体的轰击， 体的轰击，物体吸收光子能量产生相应的电效应。

　　光子能量

　　E = h⋅ f = h⋅

　　光的 频率

　　C

　　光速

　　λ

　　光的 波长

　　式中h=6.626× 式中h=6.626×10-34 J·S，为普朗克常数。 h=6.626 S 为普朗克常数。

　　传感器与检测技术

　　三、光电效应的分类

　　通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为 外光电效应和内光电效应。 外光电效应和内光电效应。

　　1.外光电效应 1.外光电效应

　　外光电效应(1887/赫兹/德国)：光照射固体而从 外光电效应(1887/赫兹/德国)：光照射固体而从 赫兹 )： 表面逸出电子的现象，称为外光电效应( 表面逸出电子的现象，称为外光电效应(光电发射效 应); 基于外光电效应 的光电器件属于光电 发射型器件, 发射型器件,有光电 光电倍增管等。 管、光电倍增管等。

　　传感器与检测技术

　　光电倍增管工作原理图

　　光电 阳极

　　K

　　光电 阴极

　　D1～D6光电 倍增极

　　(1)组成 光电阴极：由半导体材料锑-铯制造，入射光在它上面打出光电子。 光电阴极：由半导体材料锑-铯制造，入射光在它上面打出光电子。 光电倍增极：数目在4 14个不等 个不等。 光电倍增极：数目在4～14个不等。 光电阳极：收集电子，外电路形成电流输出。 光电阳极：收集电子，外电路形成电流输出。 在工作时,这些电极的电位是

　　逐级增高的。 在工作时,这些电极的电位是逐级增高的。

　　阴极K电位*低，阳极A电位*高。各电极之间保持上百伏的电压差。 阴极 电位*低，阳极A电位*高。各电极之间保持上百伏的电压差。 电位*低

　　传感器与检测技术

　　光电倍增管工作原理图

　　(2)工作原理： 工作原理： 光电倍增极→ 光 → 阴极 → 光电倍增极→ 阳极 → 光电流 光线→光电阴极( 正电位作用)→ )→加速并打在**倍增极 光线→光电阴极(D1正电位作用)→加速并打在**倍增极D1上,产生二

　　次发射; 次发射; 的二次发射电子( 正电位作用)→ )→加速入射到电极 D1的二次发射电子(D2正电位作用)→加速入射到电极D2上; …这样逐级前进,一直到达阳极A为止。由上述的工作过程可见,光电 这样逐级前进, 为止。由上述的工作过程可见, 这样逐级前进 流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。 流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。

　　传感器与检测技术

　　特点：产生光电流，对光电流有放大作用。 特点：产生光电流，对光电流有放大作用。

　　如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子， 如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被 **倍增极的正电压所加速而轰击**倍增极，设这时**倍增极有σ **倍增极的正电压所加速而轰击**倍增极，设这时**倍增极有σ个 二次电子， 个电子又轰击**倍增极，而其产生的二次电子又增加σ 二次电子，这σ个电子又轰击**倍增极，而其产生的二次电子又增加σ 经过n个倍增极后，原先的1个电子将变成σ 个电子， 倍，经过n个倍增极后，原先的1个电子将变成σn个电子，这些电子*后被 阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。 阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。 构成倍增极材料的σ>1， 构成倍增极材料的σ>1，设σ=4，n=10，放大倍数为σ=410≈ 106 10，放大倍数为σ 可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。 可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。

　　传感器与检测技术

　　2、内光电效应

　　受光照物体(通常为半导体材料) 受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产 生光电动势的效应称为内光电效应。 生光电动势的效应称为内光电效应。 内光电效应按其工作原理分为两种： 内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光 生伏特效应。 生伏特效应。

　　(1)光电导效应

　　原理： 原理：光 → 半导体 → 电子吸收能 电子-空穴对→ 量 → 跃迁 → 电子-空穴对→导电 性能→电阻值。 性能→电阻值。 基于这种效应的光电器件有光敏电 光电导型) 阻(光电导型)和反

　　向工作的光敏二极 光敏三极管(光电导结型) 管、光敏三极管(光电导结型)。

　　传感器与检测技术

　　导带 禁带 价带 半导体能带图

　　a.光敏电阻(光导管) a.光敏电阻(光导管) 光敏电阻

　　特点：灵敏度高,体积 特点：灵敏度高, 重量轻, 小,重量轻,光谱响应 范围宽,机械强度高, 范围宽,机械强度高, 耐冲击和振动, 耐冲击和振动,寿命长 等优点。 等优点。

　　原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 原理：电阻器件，加直流偏压， 无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻)---暗电流很小 ---电子 ---电阻大 无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻)---暗电流很小 有光照---电子-空穴对增多---电阻小(亮电阻)---亮电流很大 ---电子 ---电阻小 有光照---电子-空穴对增多---电阻小(亮电阻)---亮电流很大

　　传感器与检测技术

　　主要参数： 主要参数：

　　暗电流：光照时，通过光敏电阻的电流; 暗电流：光照时，通过光敏电阻的电流; 亮电流：有光照时，通过光敏电阻的电流; 亮电流：有光照时，通过光敏电阻的电流; 光电流=亮电流- 光电流=亮电流-暗电流

　　传感器与检测技术

　　4. 基本特性

　　部分光敏元件的光谱特性 光谱特性 光照特性 伏安特性 频率特性 温度特性

　　光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波 长单色光的相对灵敏度。 长单色光的相对灵敏度。

　　传感器与检测技术

　　部分光敏元件的光谱特性

　　光敏电阻的光谱特性是指光电流对不 同波长单色光的相对灵敏度。 同波长单色光的相对灵敏度。

　　传感器与检测技术

　　光敏电阻的光照特性

　　光敏电阻的光照特性是指在一定的电压 光电流I与光照强度E 下，光电流I与光照强度E的关系 。

　　传感器与检测技术

　　光敏电阻的伏安特性

　　光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光 照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。 照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。

　　传感器与检测技术

　　光敏电阻的频率特性

　　频率特性系指光敏电阻上的光电流对入 射光调制频率的响应特性 。

　　传感器与检测技术

　　硫光铅光谱温度特性

　　温度特性系指光敏电阻工作特性受温度的影响。 温度特性系指光敏电阻工作特性受温度的影响。

　　传感器与检测技术

　　b.光敏二极管和光敏三极管 b.光敏二极管和光敏三极管

　　光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的, 光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是 光照在半导体结上而已。 光照在半导体结上而已。

　　(a)光敏二极管

　　(b)光敏三极管

　　传感器与检测技术

　　2.光生伏特效应 2.光生伏特效应

　　光生伏特效应指半导体材料P 光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产 生一定方向的电动势的效应。 生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器 件是自发电式的,属有源器件。 件是自发电式的,属有源器件。以可见光作光源的光 电池是常用的光生伏特型器件, 电池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常用 的材料,也可以使用锗。 的材料,也可以使用锗。

　　硅光电池：在N型 硅光电池： 硅片上掺入P 硅片上掺入P型杂 质，形成一个大 面积的PN PN结 面积的PN结。

　　传感器与检测技术

　　硅光电池光照特性

　　光电池在不同光照强度下， 光电池在不同光照强度下，有不同的光生电 势或光生电流 。

　　传感器与检测技术

　　四、光电传感器的应用实例

　　由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多， 由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多， 又具有非接触、高精度、高分辨率、 又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和 响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、 响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、 CCD器件 光导纤维等的相继出现和成功应用， 器件、 CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用， 使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的 应用。 应用。

　　按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传 感器。 感器。 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、 反射式、辐射式四种基本形式。 反射式、辐射式四种基本形式。

　　传感器与检测技术

　　下图表明了四种形式的工作方式。 下图表明了四种形式的工作方式。

　　传感器与检测技术

　　下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。直射式光电转 下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。 速传感器的结构见下图。 速传感器的结构见下图。

　　开孔圆盘

　　工作原理： 工作原理：开孔圆盘上 有许多小孔， 有许多小孔，开孔圆盘 旋转一周， 旋转一周，光敏元件输 出的电脉冲个数等于圆 盘的开孔数，因此， 盘的开孔数，因此，可 通过测量光敏元件输出 的脉冲频率， 的脉冲频率，得知被测 转速。 转速。

　　传感器与检测技术

　　直射式光电转速传感器

　　开孔圆盘

　　60 f n= r / min m

　　转速; 式中n——转速; 转速 f——脉冲频率; 脉冲频率; 脉冲频率 。m——圆盘开孔数。 圆盘开孔数。 圆盘开孔数

　　传感器与检测技术

　　比色温度计 ：通过测量热辐射体在两个以上波长 的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表。 的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表。

　　被测对象经物镜1成像经光栏3与光导棒4投射到分光镜6 被测对象经物镜1成像经光栏3与光导棒4投射到分光镜6上，它使长波 红外线)辐射线透过，而使短波(可见光)部分反射。 (

　　红外线)辐射线透过，而使短波(可见光)部分反射。透过分光镜的辐射 线再经滤光片9将残余的短波滤去， 后被红外光电元件硅光电池10接收， 10接收 线再经滤光片9将残余的短波滤去，之后被红外光电元件硅光电池10接收， 转换成电量输出;由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去， 转换成电量输出;由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去，而被 可见光硅光电池8接收， 可见光硅光电池8接收，转换成与波长亮度成函数关系的电量输出。

　　传感器与检测技术

　　将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比， 将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比， 即可读出被测对象的温度值。 即可读出被测对象的温度值。 光栏3前的平行平面玻璃2将一部分光线反射到瞄准反射镜5 光栏3前的平行平面玻璃2将一部分光线反射到瞄准反射镜5上，在经 反射镜11 目镜12和棱镜13 11、 12和棱镜13， 反射镜11、目镜12和棱镜13，便能从观察系统中看到被观测对象的状 以便校准仪器的位置。 态，以便校准仪器的位置。

　　传感器与检测技术

　　下图为光纤流速传感器，主要由多模光纤、 下图为光纤流速传感器，主要由多模光纤、 光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。 光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。

　　测流速的工作原理: 测流速的工作原理: 多模光纤插入顺流 而置的铜管中， 而置的铜管中，由 于流体流动而使光 纤发生机械变形， 纤发生机械变形， 从而使光纤中传播 的各模式光的相位 发生变化， 发生变化，光纤的 发射光强出现强弱 变化， 变化，其振幅的变 化与流速成正比。 化与流速成正比。

　　光电二极管在流速测量中的应用

　　传感器与检测技术