照射时处于截止状态， 受光照射时处于导通 状态。
应用：光亮度测量、光耦合器件、非接触测量转速
光敏三极管
光敏三极管有两个PN结。与普通 三极管相似，有电流增益，灵敏度比光 敏二极管高。多数光敏三极管的基极没 有引出线，只有正负（c、e）两个引脚 ，所以其外型与光敏二极管相似，从外 观上很难区别。
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第七章 光电式传感器
光敏电阻演示
当光敏 电阻受到光 照时，光生 电子—空穴 对增加，阻 值减小，电 流增大。
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暗电流（越小越好）
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第七章 光电式传感器
光敏晶体管（二极管、三极管），有极性：
光照射——光电子空穴对——光生载流子 ——内建电场作用——光电流——PN结反向导通
在没有光照射时，反向电
信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅，信号电荷转移到移位 寄存器，奇数光敏单元的电荷转移到A寄存器，偶数光敏单元的 电荷转移到B寄存器。双通道线阵总的转移效率比单通道高。
转移栅
A寄存器
光积分区
输出
X
B寄存器
第七章 光电式传感器
面阵：光敏元排列成矩阵
光敏元面阵、 存储器面阵、 读出移位寄存 器线阵。
光照
第七章 光电式传感器
第七章 光电式传感器
• 原理
首先把被测量的变化转换成光信号的变化， 然后通过光电器件变换成电信号。
辐射源
光学通路
光电器件
输出
被测量
被测量
• 特性
频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等
第七章 光电式传感器
§7-1 光源
光源是光电式传感器的一个组成部分，大多 数光电传感器都离不开光源。
电电流的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体
• 代表：日光灯
第七章 光电致发光器件
• 原理：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象
称为电致发光
• 特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快 • 代表：发光二极管
第七章 光电式传感器
四、激光器
• 定义：能够产生光受激辐射放大现象的器件 • 特点：单色性好、方向性好、亮度高 • 分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、
二、光电器件
光信号→电信号
1、外光电效应应用器件
光电管
A
A
A——阳极，K——阴极
K
K
金属底层光电管
光透明光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时发射电子，中央带正 电的阳极吸引从阴极上逸出的电子，这样在光电管内就有电 子流，在外电路中便产生电流。
伏安特性
第七章 光电式传感器
入射光的频谱及光通量一定时，阳极 电流与阳极电压之间的关系。
逸出物体表面电子具有的动能
m——电子质量； v0——电子逸出速度； A0——物体的表面电子逸出功。
不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率限，
当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发
电子，此频率限成为“红限”，其临界波长λK为：
K hc/ A0
c ——光在真空中的速度。
第七章 光电式传感器
第八章 光电式传感器
太阳能电池片
光敏二极管应用电路
利用反相 器可将光敏二 极管的输出电 压转换成TTL 电平。
当光照增 加，Ui<（1/2） VDD时，反相器 翻转,输出变为
什么电平？
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光敏三极管光控继电器电路
当无光照时，V1截止，IΦ =0，则V2 处于什么状态？继电器KA吸合还是释放
外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。
2、内光电效应：又称光导电效应， 在光照作用下， 物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现
象。典型的光电元件有光敏电阻等。
3、光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生
一定方向的电动势的现象。典型光电元件有光电池、 光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。
第七章 光电式传感器
驱动电路 CCD
分类箱 3
2 1
细化二值化 处理
透镜
计算机
传送带
分类机构
第七章 光电式传感器
例3： 汽车信息无线传送系统
传回信号
汽车车牌
CCD
後端電腦
拍照 收发信号
触发
通过API传送
存取資料
RFID Tag
RFID Reader
後端資料庫
第七章 光电式传感器
§7-3 光电码盘
一、概述
脉冲式：需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感 元件给出一系列脉冲，它在计数器中对某个基数 进行加或减，从而记录了旋转的位移量。
Mn
所以
I in
式中，i为光电阴极的光电流
第七章 光电式传感器
几种光电倍增管的外形
第七章 光电式传感器
2、内光电效应应用器件：
光敏电阻 • 结构
一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越 好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏 电值阻在的几暗千电欧阻以值下用一。半般导在体兆材欧料量制级成， 亮电阻
暗电阻 暗电流 亮电阻 亮电流 光电流
• 热辐射光源 • 气体放电光源 • 电致发光器件 • 激光器
第七章 光电式传感器
一、热辐射光源
• 原理：热物体都会向空间发出一定的光辐射 • 特点：物体温度越高，辐射能量越大 • 代表：白炽灯、卤钨灯
第七章 光电式传感器
第七章 光电式传感器
二、气体放电光源
• 原理：电流通过气体会产生发光现象 • 特点：改变气体成分、压力、电流、阴极材料和放
黑色不透光区和白色透光 区分别代表二进制的“0” 和“1”。在一个六位光电 码盘上，有四六圈数字码 道，每一个码道表示二进 制的一位，里侧是高位， 外侧是低位，在360°范 围内可编数码数为26=64 个。
第七章 光电式传感器
2、误差问题 1） 编码器的精度取决于码盘的精度，分辨率则
决定于码道的数目。 措施：需要增大码盘的尺寸以容纳更多的码道 （对工艺提出很高要求）
阻很大，反向电流很小，
这光反敏向二电极流管称的为结暗构电与流一， 当般光二照极射管在相PN似结、上光，敏光
子二打极在管PN在结电附路近中，一使般PN是 结处附于近反产向生工光作生状电态子。和光
R U>0
生空穴对，它们在PN结
光
处的内电场作用下作定向
光敏二极管在不受光
运动，形成光电流。光的 照度越大，光电流越大。
硅光敏晶体管的光谱特性
电磁波频谱
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IΦ
4mA
光 电 流
光电特请判性断灵敏度的高低
光敏 三极 管
0.3mA
光敏 二极 管
光照
0
3000lx
E
2021/2/13 请计算当E=100lx时，光敏二极管的光25电流IΦ
第七章 光电式传感器
3、光生伏特效应应用器件：
+
P
P
----+++++
？如果将V1与R b2位置上下对调，其结果
2021如/2/13何？
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光电池的应用电路 ——光电池短路电流测量电路
I/U 转换电路的输出电压Uo与光电流 IΦ成正比。若光电池用于微光测量时，IΦ 可能较小，则应增加一级放大电路，并在
第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。
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第七章 光电式传感器
光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相 应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。
第七章 光电式传感器
光电效应按原理又分为以下3种：
1、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出 物体表面，形成光电流。
光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功
A0和动能，即：
Ek 12mv02 hf A0
单通道线阵 传输区：由转移栅及一系列移位寄存器组成。
光积分单元
转移栅
输出
不透光
移位寄存器
原理：光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏单元中，
接通转移栅后，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以 防因光生噪声电荷干扰导致图像模糊。
第七章 光电式传感器
双通道线阵
原理：有两个移位寄存器平行地配置在感光区的两侧。当光生
V3沟=1阻5V
少数载流子 P－Si
耗尽区
V2=10V（势阱）
衬底
V1=5V
(a) 剖面图
SiO2
VG 栅极
金属
P-Si
SiO2
表面势
电极
信号电荷 势阱
(b) 结构
P型或N型衬底(c) 有信号电荷势阱图
光
施加正电压于电极上——P型区形成势阱——产生 电子和空穴——势阱俘获电子（与光强成正 比）——形成MOS光敏元（象素）
第七章 光电式传感器
光电倍增管
• 由光电阴极、若干倍增极和阳极三
K
部分组成。
• 倍增极上的涂料在电子轰击下能发射 更多电子；
• 倍增极之间有依次增大的加速电压。
A • 二次发射系数
第七章 光电式传感器
• 倍增系数M
等于各倍增电极的二次发射系数σi 的乘积。如果
n个倍增电极的σi 都一样（ i ），则
2）同步困难：相邻两码之间若有一个码道提前 或延后，会造成读码误差。
解决措施 ：a、编码技术； b、扫描技术
第七章 光电式传感器
3、循环码盘
右图为6位循环码码盘。 （1）n位循环码有2n种不同
编码； （2）循环码为无权码； （3）循环码码盘相邻区域
的编码只有一位变化。
液体激光器
第七章 光电式传感器
§7-2 光电效应与光电器件