光電傳感器元件：光電傳感器元件.ppt

第十章  光電傳感器        本章學習光電效應、光電元件的結構、工作原理、特性以及光電傳感器的各種應用，掌握光電開關及光電斷續器的使用方法。          1905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發射效應，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。   第一節   光電效應及光電元件        用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf 的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發生相應電效應的物理現象稱為光電效應。   紫外管外形       當入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監測等。  光敏電阻         當光敏電阻受到光照時， 阻值減小。 光敏電阻演示         當光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。 光敏二極管            將光敏二極管的PN 結設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結時，電子-空穴對數量增加，光電流與照度成正比。  光敏二極管外形  紅外發射、接收對管外形  PIN光電二極管                PIN光電二極管是在P區和N區之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結的電容，提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應頻率可達數十兆赫，可用作各種數字與模擬光纖傳輸系統，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF 頻帶小信號開關、中波頻帶 APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）             硅雪崩光電二極管是采用n+p-πp+型結構的可見光和近紅外探測器，它具有高響應度，高信噪比，高響應速度等特點，可廣泛應用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導等光電信息傳輸和光電對抗系統。 GD3250系列硅雪崩光電二極管的特性參數   光敏二極管的反向偏置接法      在沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時的電流稱為暗電流，相當于普通二極管的反向飽和漏電流。當光照射在二極管的PN結（又稱耗盡層）上時，在PN結附近產生的電子-空穴對數量也隨之增加，光電流也相應增大，光電流與照度成正比。      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，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。 光敏三極管        光敏三極管有兩個PN結。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區別。   光敏三極管外形  光敏三極管內部結構  a)?內部組成     b)管芯結構     c）結構簡化圖      1—集電極引腳  2—管芯  3—外殼  4—玻璃聚光鏡            5—發射極引腳  6—N+ 襯底 7—N型集電區  8—SiO2保護圈         9—集電結   10—P型基區   11—N型發射區   12—發射結       硅光敏晶體管的光譜特性   電磁波頻譜 光電特性     光電流 光敏晶閘管            光敏晶閘管有三個引出電極，即陽極a、陰極k和門極g 。它的頂部有一個玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽極與負載串聯后接電源正極，陰極接電源負極，門極可懸空。當有一定照度的光信號通過玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結上時，將產生門極電流，從而使光敏晶閘管從阻斷狀態變為導通狀態。導通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導通。要切斷已觸發導通的光敏晶閘管，必須使陽極與陰極的電壓反向，或使負載電流小于其維持電流。光敏晶閘管的特點是：導通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達數百伏，因此輸出功率大，可用于工業自動檢測控制。 光敏晶閘管外形 光敏面 基于光生伏特效應的光電元件         ——光電池       在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射光子的能量足夠大時，P型區每吸收一個光子就產生一對光生電子—空穴對， 光生 電子—空穴對的的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到N型區，空穴留在P區，所以N區帶負電，P區帶正電。如果光照是連續的，經短暫的時間，PN結兩側就有一個穩定的光生電動勢輸出。  光電池外形 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用 光電池在動力方面的應用 光電池在動力方面的應用（續） 光電池在動力方面的應用（續） 光電池的光電特性        一個典型的硅光電池的光電特性            1—開路電壓曲線    2—短路電流曲線    休 息 一 下 第

光電傳感器元件：光電傳感器工作原理

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光電傳感器工作原理
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光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。
[1]
中文名
光電傳感器工作原理
外文名
The working principle of photoelectric sensor
類    別
科學技術
屬    性
光電類
作    用
將光信號轉換成電信號
構    成
光源、光學通路和光電元件
目錄
1
工作原理
2
分類和工作方式
光電傳感器工作原理工作原理
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光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的
[1]
。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路。發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管(LED)、激光二極管及紅外發射二極管。光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電開關的結構元件中還有發射板和光導纖維。三角反射板是結構牢固的發射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發射角，使光束幾乎是從一根發射線，經過反射后，還是從這根反射線返回。
[1]
光電傳感器工作原理分類和工作方式
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⑴槽型光電傳感器把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發光器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。⑵對射型光電傳感器若把發光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發光器和一個收光器組成的光電開關就稱為對射分離式光電開關，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。⑶反光板型光電開關把發光器和收光器裝入同一個裝置內，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關。正常情況下，發光器發出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。⑷擴散反射型光電開關它的檢測頭里也裝有一個發光器和一個收光器，但前方沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關信號。
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參考資料
1.

光電傳感器的工作原理
．半導體器件網[引用日期2013-06-06]

光電傳感器元件：光電傳感器的工作原理與光電元件的介紹

　　光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。
　　由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統是多種多樣的，按光電元件（光學測控系統）輸出量性質可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關）式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續變化的光電流，它與被測量間呈單值關系。模擬式光電傳感器按被測量（檢測目標物體）方法可分為透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻檔）三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恒光源發出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當光源發出的光通量經被測物光遮其中一部份，使投射剄光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關。
　　
　　陰極材料不同的光電管，具有不同的紅限，因此適用于不同的光譜范圍。此外，即使入射光的頻率大于紅限，并保持其強度不變，但陰極發射的光電子數量還會隨入射光頻率的變化而改變，即同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不相同。光電管的這種光譜特性，要求人們應當根據檢測對象是紫外光、可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管，以便獲得滿意的靈敏度。

光電傳感器元件：光電傳感器的組成及分類

　　光電傳感器一般由處理通路和處理元件2 部分組成。其基本原理是以光電效應為基礎，把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將非電信號轉換成電信號。光電效應是指用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態就會發生變化，從而使受光照射的物體產生相應的電效應。通常把光電效應分為3 類：
　　（1 ）在光線作用下能使電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應，如光電管、光電倍增管等；
　　（2 ）在光線作用下能使物體的電阻率改變的現象稱為內光電效應，如光敏電阻、光敏晶體管等；
　　（3 ）在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應，如光電池等。
　　光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。
　　光電傳感器是各種光電檢測系統中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（可見及紫外鐳射光）轉變成為電信號的器件。
　　光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電物理量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。新的光電器件不斷涌現，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應用開創了新的一頁。
　　

　　光電傳感器
　　光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。 把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。
　　

　　光電效應原理
　　光電元件是光電傳感器中最重要的組成部分，它的核心工作原理是不同類型的光電效應。根據波粒二象性，光是由光速運動的光子所組成， 當物體受到光線照射時，其內部的電子吸收了光子的能量后改變狀態，自身的電性質也會發生改變，這樣的現象稱為光電效應。
　　根據電屬性狀態的不同變化，將光電效應分為以下三種：
　　1）外光電效應
　　在光線作用下使電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應。基于外光電效應的光電元件有光電管，光電倍增管等
　　

　　2）光電導效應
　　半導體內的電子吸收光子后不能躍出半導體，使物體的電導率發生變化，或產生光生電動勢的現象稱為內光電效應。內光電效應按其工作原理可分為光電導效應和光生伏特效應。基于光電導效應的光電元件有光敏電阻，光敏晶體管等
　　

　　3）光生伏特效應
　　在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應。基于光生伏特效應的光電元件有光電池和光敏二極管、三極管等
　　

　　光電元件工作原理
　　基于不同的光電效應，我們來看一下他們分別是如何工作的：
　　外光電效應器件
　　利用物質在光的照射下發射電子的外光電效應而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。
　　以光電管為例，當入射光照射在陰極上時，單個光子把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發射，這種電子稱為光電子。 只有當入射光的頻率高于極限頻率時，才會產生光電子。
　　

　　光電子產生之后，被真空管中的陽極所吸收，從而產生電流。若此時增加光照強度，更多的光子將會照射到陰極材料，從而產生更多光電子，光電流也會相應增加。在電阻R值確定的情況下，回路中的光電流與入射光的光照強度成函數關系，從而實現光電轉化，通過測量電路讀取電流數，即可算出光照強度。