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传感器与检测技术传感器与检测技术项目教程项目教程学习单元一光电效应和光电器件学习单元二CCD图像传感器学习单元三红外传感器 学习单元四光纤传感器学习单元五光敏传感器的其他应用模块五模块五 光敏传感器光敏传感器模块五模块五 光敏传感器光敏传感器模块导读模块导读光敏传感器的种类繁多，主要有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长模块五模块五 光敏传感器光敏传感器模块导读模块导读光敏传感器不局限于对光的探测，还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可光敏传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量检测技术中占有非常重要的地位本模块针对常见的光敏传感器进行教学，使学生掌握光敏传感器的工作原理和测量方法模块五模块五 光敏传感器光敏传感器光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器光敏传感器主要应用于太阳能草坪灯、光控小夜灯、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音乐蜡烛、音乐杯、人体感应灯、人体感应开关等电子产品光自动控制领域。

光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻，它能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过简单电子线路放大处理，可以控制LED灯具的自动开关对于远程的照明灯具，如街灯、庭院灯、草坪灯等，都可经济而简单地实现节能自动控制模块五模块五 光敏传感器光敏传感器太阳能路灯本身就是利用太阳光发电、储能的LED照明灯具，它不需要电网供电，也就无须架设成本不菲的输电线路，因此使用光敏传感器可以实现极低成本、自动开启关闭的节能管理 常见的光敏传感器如图51所示图51 常见的光敏传感器学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件 光电效应一、一、光可以被看成是由具有一定能量的光子所组成的，而每个光子所具有的能量E与其频率成正比光射到物体上就可以看成是一连串具有能量E的光子轰击到物体所谓光电效应，就是指由于物体吸收了能量为E的光子后所产生的电效应 光电式传感器是将光信号转换成电量的一种变换器，其工作的理论基础就是光电效应从传感器本身来看，光电效应可以分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件外光电效应外光电效应1.在光线作用下，使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，或称光电发射效应。

下面简要介绍外光电效应产生的物理过程学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件根据爱因斯坦的假说，一个光子的能量只能给一个电子所以，如果一个电子要从物体表面逸出，必须使传递给电子能量的光子本身的能量E大于电子从物体表面的逸出功A，这时，逸出表面的电子可称为光电子光电子逸出物体表面时，具有的初始动能与光的频率有关，频率越高则动能越大而不同材料具有不同的逸出功，因此对某种特定的材料而言将有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论它有多强，也不能激发电子当入射光的频率高于此频率限时，不论它有多弱，也会使被照射的物质激发出电子当入射光的频谱成分不变时，发射的光电子数正比于光强，即光强越大，入射光子数目越多，逸出的电子数也越多学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件内光电效应内光电效应2.在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应，或称光电导效应内光电效应的物理过程是：光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，使其由价带越过禁带进入导带，使材料中导带的电子和价带的空穴浓度增大，从而使电导率增大显然，材料的光电导性能决定于禁带宽度，光子能量hv应大于禁带宽度。

学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光生伏特效应光生伏特效应3.光射到半导体PN结后，能使PN结产生一定方向的电动势，或使PN结的光电流增加的现象称为光生伏特效应，或称PN结的光电效应学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电管光电管1. 光电器件二、二、光电管是一种具有悠久历史的光传感器它是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管，其种类有很多种，如图5-2所示图5-2（a）中，光电阴极是在玻璃管内壁涂上阴极涂料构成的；图5-2（b）中，光电阴极是在玻璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形极板构成的图5-2 光电管的结构学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电管的光照特性是指光电管两端所加电压不变时，光能量与光电流之间的关系如图5-3所示，对于氧铯阴极的光电管，I与成线性关系；但对于锑铯阴极的光电管，当光通量较大时，I与成非线性关系图5-3 光电管的光照特性学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电管的光谱特性主要取决于光电阴极的材料不同的阴极材料对同一种波长的光有不同的灵敏度；同一种阴极材料对不同波长的光也具有不同的灵敏度。

这可用光谱特性来描述光谱特性又称频谱特性，图5-4所示为光电管的光谱特性图5-4 光电管的光谱特性学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，光电流与光电管两端的电压关系如图5-5所示，在不同的光通量照射下，伏安特性是几条相似的曲线当极间电压高于50 V时，光电流开始饱和，所有的光电子都达到了阳极真空光电管一般工作于饱和部分，内阻高达几百兆欧 图5-5 光电管的伏安特性学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电倍增管光电倍增管2.在光照很弱时，光电管所产生的光电流很小，为了提高灵敏度，常应用光电倍增管，其积分灵敏度可达每流明几安培光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上，光电倍增管的结构如图5-6所示图5-6 光电倍增管的结构学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增极光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料，光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极，在每个倍增极间均依次增大加速电压。

光电倍增管的主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪声小；缺点是结构复杂，工作电压高，体积大它是电流放大元件，具有较高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测其倍增率为n，其中为单极倍增率，大小一般为36；n为倍增极数，一般为414学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光敏电阻光敏电阻3.光敏电阻的工作原理是基于内光电效应在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻为了增加灵敏度，两电极常做成梳状用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降光照越强，阻值越低入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。

在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光敏电阻根据其光谱特性，可分为以下三种： （1）紫外光敏电阻紫外光敏电阻对紫外线较灵敏，包括硫化镉光敏电阻、硒化镉光敏电阻等，用于探测紫外线 （2）红外光敏电阻红外光敏电阻主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中 （3）可见光光敏电阻可见光光敏电阻包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌等光敏电阻，如图5-7所示为硫化镉光敏电阻的结构和符号学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光敏电阻主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门窗，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和位置检测器，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

图5-7 硫化镉光敏电阻的结构和符号1光导层； 2玻璃窗口； 3金属外壳； 4电极； 5陶瓷绝缘玻璃； 6绝缘玻璃； 7电极引线 学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电池光电池4.光电池是一种利用光生伏特效应把光直接转换成电能的半导体光电器件，如图5-8所示它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子和空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势图5-8 硅光电池原理图学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源由于光电池广泛用于把太阳能直接变成电能，因此又称为太阳能电池通常，把光电池的半导体材料的名称放在光电池（或太阳能电池）名称之前以示区别，如硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、锗光电池等 光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8 m附近，硒光电池波长在0.5 m附近硅光电池的光谱响应波长为0.41.2 m，而硒光电池的光谱响应波长仅为0.380.75 m。

可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系，开路电压（即负载电阻RL为无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2 000 lx时就趋于饱和了因此，用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源 学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施 光电池是形式最简单的光电器件，它能在几伏的偏置电压下工作，具有稳定性好、光谱范围宽、频率特性好、换能效率高、耐高温辐射等优点学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电式烟雾报警器光电式烟雾报警器1. 光电传感器应用实例三、三、光电式烟雾报警器由光源、光电元件和电子开关组成。

利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号按照光源不同，光电式烟雾报警器可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件（1）一般光电式烟雾报警器根据其结构特点可分为遮光型和散射型两种遮光型光电式烟雾报警器由一个光源（灯泡或发光二极管）和一个光电元件对应装在小暗室内构成。