1 模拟量传感数据采集概述

模拟量是指在时间和数值上都是连续的物理量。在利用相应传感器对光照度和气体浓度进行数据采集时，所输出的信号就是典型的模拟量。

                                   图1-12   光照度和气体浓度

2 光照度采集概述

2.1 光敏传感器

在采集光照度传感数据时，通常使用光敏传感器。

                                  图1-13   光敏传感器

光敏传感器的理论基础是光电效应。

2.2 光电效应

光可以认为是由具有一定能量的粒子（称为光子）所组成的，光照射在物体表面上就可看成是物体受到一连串的光子轰击，该物体吸收到光子能量后产生的电效应，称为光电效应。

                                               图1-14   光电效应

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。

2.2.1外光电效应

在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。

基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

                             图1-15  光电管和光电倍增管

2.2.2 内光电效应

在光线的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为内光电效应，又称光电导效应。

 基于内光电效应的光电器件有光敏电阻等。

                            图1-16   光敏电阻

2.2.3 光生伏特效应

在光线的作用下，能够产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。       

                                  图1-17   光敏传感器的应用

3 常用光照度传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

常用光照度传感器有光敏二极管型器件、光敏晶体管型器件和光敏电阻型器件。

3.1 光敏二极管型器件

光敏二极管所利用的是光生伏特效应。

光敏二极管器件按材料可以分为硅光电二极管、砷化镓光电二极管和锑化铟光电二极管。

光敏二极管器件按结构可以分为同质结光电二极管和异质结光电二极管。

光敏二极管是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件。它的结构与普通二极管的结构相似。

光敏二极管的PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。

光敏二极管在接受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流，且光电流与照度之间能够基本呈现线性关系。

                            图1-18   光敏二极管接受光照射

3.2 光敏晶体管型器件

光敏晶体管型器件的本体上有一个光窗，集电结处集电极电流不只受基极电路控制，同时也受到光辐射的控制。

光敏晶体管的管型分为NPN管型和PNP管型。

以NPN型为例，光敏晶体管工作时，集电结反向偏置，发射结正向偏置，无光照时，仅有很小的穿透电流流过，当有光照到集电结上时，在内建电场的作用下，将形成很大的集电极电流。

光敏二极管光照特性的线性较好。光敏晶体管在照度小时，光电流随照度的增加较小，且在强光照时又趋于饱和，所以只有在某一段光照范围内线性较好。

3.3 光敏电阻型器件

光敏电阻型器件所利用的是内光电效应，即在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态所引起的材料电导率变化，从而引起电阻器的阻值随入射光线的强弱变化而变化。

在内光电效应的作用下，若光电导体为本征半导体材料，当外部光照能量变强时，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。因此，光敏电阻的电阻值随入射光照强度的变化而变化。

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子-空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

4 典型器件举例

             图1-19   GB5-A1E光敏传感器

4.1 基本特性

• 是一种环境光强度变化与输出的电流成正比的光敏传感器；

• 稳定性好，一致性强，实用性高；

• 对可见光的反应近似于人眼；

• 工作温度范围广。

4.2 典型应用

• 背光调节：电视机、电脑显示器、手机、数码相机、MP4、PDA、车载导航；

• 节能控制：红外摄像机、室内广告机、感应照明器具、玩具；

• 仪表、仪器：测量光照度仪器以及工业控制。