1、光电效应

光电传感器通常是指能敏感感受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。光电传感器的工作原理主要是基于光电效应。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、内光电效应、光生伏特效应。在光线的作用下使电子逸出物体表面的现象称为光电效应。半导体材料受到光照时，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为捏光电效应。在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象，称为光生伏特效应。

2、光电元件

（1）基于外光电效应的光电元件

 ① 光电管

        图4-19 光电管的结构            图4-20 光电管的符号及测量电路

当入射紫外线照射在紫外管阴极上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出，被阳极所吸引，形成电子流，外电路就会产生电流。

② 光电倍增管

光电管输出较小，实际应用中常采用光电倍增管，其结构与光电管相似，如图4-21所示，在阳极和阴极之   间有若干个光电倍增极（又称二次发射极），涂有光敏   物质。

  当光线照射到光电阴极后，它产生的光电子受第一   级倍增极正电位作用，加速并打在这个倍增极上，产生   二次发射；由第一倍增极产生的二次发射电子，在更高   电位的倍增极作用下，又将加速入射到第二倍增极上，   在第二倍增极上又将产生二次发射…，这样逐级前进，   一直到达阳极A为止，这样的话输出信号要比光电管大   很多。

图4-21 光电倍增管的结构和工作原理

（2）基于内光电效应的光电元件

① 光敏电阻

光敏电阻的结构是在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，做成梳状金属电极，引出两根导线，然后在半导体上覆盖一层漆膜，并封装在玻璃管壳中就构成了光敏电阻。

            （a）外形                        （b）图形符号

图4-22   光敏电阻的外形和图形符号

当无光照时，光敏电阻阻值很大，可以达到兆欧级，此时的电阻称为暗电阻，所以电路中电流很小，这时的电流称为暗电流；有光照时，光敏电阻阻值迅速减小，变成几千欧以下，电路中的电流增大，此时的阻值称为亮电阻，对应的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之间称为光电流。

② 光敏二极管

光敏二极管与一般的二极管不同之处在于光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，以便接受光线照射。

        (a)结构示意图           （b）图形符号          （c）外形

图4-23   光敏二极管的结构、图形符号和外形

目前市场上采用特殊结构构成的光敏二极管， PIN光敏二极管和APD光敏二极管。比普通的光敏二极管相比，这两种光敏二极管具有光电转换速度快，响应频率高等特点。

图4-24   光敏二极管的基本应用电路

③ 光敏三极管

光敏三极管与普通三极管结构相似，但是大部分光敏三极管基极没有引出线，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，需要用万用表判别。

            （a）结构             （b）等效电路         （c）图形符号   

图4-25    光敏三极管的结构、等效电路和图形符号

当光线照射在集电结上，导致集电结产生大量电子——空穴对，从而产生较大的光电流，集电极电流Ic是原始电流的β倍，所以光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高。光敏三极管常见的应用电路有集电极输出和发射极输出两种形式。

图4-26   光敏三极管的应用电路

（3）基于外光电效应的光电元件

① 光电池

光电池实质是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面,产生很多自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向内迅速扩散,如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。

          （a）光电池结构        （b）图形符号        （c）外形

图4-27   光电池的结构、图形符号和外形

（4）光电元件的基本特性

① 光照特性

光照特性是指光电元件的光电流和光电元件上的光照度E的对应关系，用表示。光敏二极管的光照特性是线性的，可以用于检测光信号。

             （ a）光敏三极管              （b）光敏二极管

图4-28  光敏二极管、三极管的光照特性

相同照度下，光敏三极管的光电流要比光敏二极管大，灵敏度高。

② 光谱特性

入射光波长和光电元件的相对灵敏度之间的关系称为该光电元件的光谱特性。

图4-29    硅光敏晶体管的光谱特性

光电元件的对不同波长的光线灵敏度取决于光电元件的材料。

表4-2    几种光敏材料的光谱峰值波长

表4-3  光的波长与颜色的关系

在实际使用时，应该要根据光谱特性来确定光源和光电元件匹配，要使所选的光电元件工作灵敏度较高的光谱区间。

③ 伏安特性

            （a）光敏二极管                     （b）光敏三极管

图4-30   光敏二极管、三极管的伏安特性

光敏二极管和光敏三极管的伏安特性，与普通二极管和三极管的伏安特性相类似。

④ 温度特性

温度对光电元件影响较大，主要是对光电元件的暗电流影响较大。随着暗电流的增大，会影响元件的灵敏度，还会给微光测量带来误差。一般硅管的暗电流比锗管的要小很多，所以通常采用硅管。

⑤ 响应时间

一般工业用的硅光敏二极管的响应时间是几类光电元件中较快的，在10^-5～10^-7S左右，所以在需要快速响应或者入射光调制频率较高时，应采用硅光敏二极管检测。

3.光电耦合器件

光电耦合器件是由发光器件和光敏器件组成, 以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光器件通常是发光二极管, 光敏器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光可控硅等等。根据其结构和用途不同，分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。 

从原理上讲，光电开关及光电耦合器没有太大的差别，都是由红外线发射器件与光敏器件组成，只是光电耦合器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。

      透射型的发射器和接收器相对安放。必须排列在同            一条直线上，当有物体从两者之间通过，发射器发出          的红外光束被遮断，接收器接收不到光线而输出信            号。对射型的优点是检测距离长，性能稳定性。

  （a） 对射型

（b）  反射板反射型 

反射板反射型传感器的发光器件和光敏器件装在同一个检测头内，使用偏光三角棱镜组成的反射板。它能将光源发出的光转换成偏振光反射回去，光敏器件表面覆盖一层偏光透镜，只能接收从反射镜反射回来的偏振光。

（c）  漫反射型

漫反射型也是发光器件和光敏器件在一起的，与反射板反射型不同，其接收的光线是从被测物体上表面反射回来的光线，它的检测距离与被测物体的表面的反射率有关。

光电开关适用于生产流水线上统计产量、检测产品的包装，精确定位，广泛应用于自动包装机、装配流水线等自动化机械装置。

           实训4-4   光电式传感器的转速测量实验

1、实验目的

（1）了解光电式传感器的基本结构。

（2）掌握光电式传感器及其转换电路的工作原理。

（3）掌握差动变压器的调试方法。

2、实验所用单元

光电式传感器（如图4-43所示）、光电式传感器转换电路板（如图4-44所示）、直流稳压电源、频率与转速表、数字电压表、光纤位移台架。

3、实验原理及电路

（1）光断续器原理如图4-45所示，一个开口的光耦合器，当开口处被遮住时，光敏三极管接收不到发光二极管的光信号，输出电压为0，否则有电压输出。

（2）图4-46为测速装置示意图，其中微型电动机带动转盘在两个成90度的光继续器的开口中转动，转盘上一半为黑色，另一半透明，转动时，两个光继续器将输出不同相位的方波信号，这两个方波信号经过转换电路中的四个运放器，可输出相位差分别为0°、90°、180°、270°的方波信号，它们的频率都是相同的，其中任意一个方波信号均可输出至频率表显示频率。原理如图4-47所示。

（3）微型电动机的转速可调，电路图如图4-48所示，调节电位器RP可输出0～12V的直流电压。

4、实验步骤

（1）固定好位移台架，将光电式传感器置于位移台架上，将传感器上的A、B点与转换电路板上的A、B点相连；转换电路板上的0～12V输出接到传感器上；转换电路的A、B与0°、90°、180°、270°输出均可接至频率与转速表。

（2）接通电源，调节电位器RP使输出电压从最小逐渐增加到最大，观察数字电压表上显示的电压以及频率表上显示的频率的变化情况。

5、实验报告

（1）观察实验现象，并记录实验数据，即频率表的读数。

（2）怎样根据显示的频率换算出电动机的转速？

（3）总结实验的注意事项。

6、实验连线图（参考）

本实验的实际连线图如图4-49所示。

本任务中采用的是对射式的光电耦合器，找一个反射式的光电传感器安装在转动源上，测量直流电机转速，与对射式的比较一下，测量数据有没有误差？