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第2章 光电式传感器 主要内容 光电元件 （光敏二极管、光敏三极管、 光敏电阻、光电池） 红外光传感器 光纤传感器 光栅传感器 激光传感器 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。 光电器件的作用是将光信号转变为电电信号。 其工作的物理基础是光电效应。 光电效应：在光照射下，物体中的电子吸 收了入射光子的能量，发生电学效应的现象 光电效应的分类：外光电效应、内光电效应、 光生伏特效应。 外光电效应：在光作用下电子逸出物体表面 的现象。光电效应方程 发生光电效应入射光的最小频率： 对应的最大波长（称红限频率）： 要发生光电效应，入射光频率或波长应该满足： 内光电效应：光作用使光电器件的电阻率发 生变化的现象。如：光敏电阻。 光生伏特效应：光作用使物体产生一定方向 电动势的现象。如光电池，光敏二极管、光敏 三极管。 2.1 光电元件 光电元件通常分为半导体光电元件和真空 光电元件。 半导体光电元件有：光敏二极管、光敏三极 管、光电池、光敏电阻等； 真空光电元件有：光电倍增管等。 一、光敏二极管 1、工作原理：利用光子引起的电子跃迁将光 信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。 用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、 光电检测等 光敏二极管在在电路中通常处于反向偏置状态，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。二极管处于截止状态。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生电子-空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。二极管处于导通状态。光的照度越大, 光电流越大。 2、光敏二极管的基本特性： 光谱特性：光敏二极管在一定照度时， 输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。 伏安特性： 当光照时，反向电流随着光照强度的变化。 在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行。 光的颜色会随着温度的升高而变化，这种光源的温度就叫该光源的色温。 光照特性：光电流与照度的关系，线性关系 温度特性：暗电流及光电流与温度的关系。温度变化 对光电流影响很小，而对暗电流影响很大 频率特性：光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种。 响应特性：硅光敏二极管的上升时间不超过5纳秒，适合用于快速响应或高频调制。 3、光敏二极管的应用 光电路灯控制电路：无光照时，光敏二极管反向截 止，R1上的压降VA很小，T1和T2截止，继电器J不动 作，路灯保持亮； 有光照时，光敏二极管 反向电阻下降， VA上升 T1和T2导通，J动作常闭 端打开，路灯保持亮。 白天灯灭，晚上灯亮，起 到自动控制的作用。 光强测量电路：由稳压管、光敏二极管和电桥组成测 量电路。 无光照时，VA很大，FET导通，调整RW使电桥平衡， 即指针为0。 有光照时，VA下降， R2上电流下降， VB减小；光照 不同， VA不同， R2上压降不同，光强可以通过电流计 读数显示出来。 二、光敏三极管 结构与工作原理：大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，会产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。 光敏三极管的基本特性：类似光敏二极管。 光敏三极管的应用 脉冲编码器：Vi是电源，V0是输出电压，A和B是光 敏二极管的发射端和光敏三极管的接收端。转轴以转 速n转动时，辐条树为N的光栅转盘也转动，输出电信 号为频率f = nN的脉冲 光电数字转速传感器：原理如下图，接收光信号的是 光敏二极管或三极管。由脉冲编码器原理， n= f / N， 用频率计测出f，就可得到转速n。 光电脉冲转换电路如下图 其中BG3和BG4组成射极耦合触发器，有光照BG1时 使U0为高电位，反之U0为低电位 光电式烟尘浓度计：光敏三极管6和7输出电压U1和U2 由远算器8算出U1和U2的比值，进一步算出浓度。 电子蜡烛：接通电源后，当光敏三极管3DU无光照时 可控硅VS触发端G因无触发电流而关断，灯ZD不亮。 当点燃火柴并靠近3DU时，其c、e极间电阻迅速降低， VS导通，灯亮。当火柴熄灭后，由于VS有自锁