光電傳感器Ⅰ

1、第七章 光電傳感器課題：光電傳感器的原理及應(yīng)用課時安排：2課次編號：14教材分析難點：光電元件的應(yīng)用電路重點：光電傳感器的應(yīng)用教學(xué)目的和要求1、了解光電元件的分類以及工作原理；2、掌握光電元件的應(yīng)用電路；3、了解光電池的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路及計算；4、掌握光電傳感器的應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實施步驟：講授、課堂互動、分析教具：各種光電元件、光電傳感器各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容演示：做以下的演示：將光敏電阻接到萬用表的電阻量程，測量在有光照和沒有光照情況下的的電阻值。可以看到：隨著光的照度的增加，光敏電阻的阻值從幾個M逐漸減小。在強光照的情況下，大約可減小到幾個k。從以上演示，引入第一節(jié)光電效應(yīng)、光電元件，以及

2、它們的工作原理。第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件講述光的物理基礎(chǔ)，以及三種光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：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(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為三類：（1）外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件：光電管、光電倍增管、光電攝像管等（玻璃真空管元件）。 （2）內(nèi)光電效應(yīng)：在光線的作用下能使物體的電阻率改變的光電效應(yīng)基于內(nèi)光電效應(yīng)光電元件：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。（3）光生伏特效應(yīng)：在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的光電效應(yīng)。基于光生

3、伏特效應(yīng)的光電元件：光電池等。 一、簡單介紹光電管（掌握應(yīng)用領(lǐng)域）由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光電陰極對不同頻率的入射光有不同的靈敏度，人們可以根據(jù)檢測對象是可見光或紫外光而選擇不同陰極材料的光電管。光電管的圖形符號及測量電路如圖10-2所示。目前紫外光電管在工業(yè)檢測中多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等，可見光較難引起光電子的發(fā)射。 二、基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件 （一）光敏電阻（掌握特性參數(shù)和應(yīng)用） 1工作原理光照愈強，光生電子-空穴對就越多，阻值就愈低。2光敏電阻的特性和參數(shù) （1）暗電阻 置于室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，通常大于1M。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電

4、阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點。（2）光電特性 在光敏電阻兩極電壓固定不變時，光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特性。某型號光敏電阻的光電特性如圖10-4所示。從圖中可以得出的結(jié)論：當(dāng)光照大于100lx時，它的光電特性非線性就十分嚴重了。照度定義：E=d/dA，所以1 lx=1 lm/m2。照度是光源照射在被照物體單位面積上的光通量。光通量是光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量總和。光通量單位：流明（lm）照度單位：勒克斯（lux）不同功率白熾燈和不同顆數(shù)LED燈及節(jié)能燈在不同距離的照度性能試驗參數(shù)，單位為lx距離白熾燈40W白熾燈60W白熾燈100WLED180顆LED72顆節(jié)

5、能燈26W0.5m6108151542215573511821.0m1241853345891752721.5m6496179247831292.0m446512214851942.5m2946871013264解釋日常生活中的照度大小：150lx是教育部門要求所有學(xué)校課堂桌面所必須達到的標準照度。用照度計測量：距離為2m時，15W白熾燈的照度為50lx；節(jié)能臺燈的照度為2000lx；陰天靠窗的照度為2000lx；太陽光直接照射的照度為1000040000lx。提問：光敏電阻光電特性為線性？非線性？能否用于光的精密測量？（只能用于定性地判斷有無光照）。價廉，雖然準確度不高，但可用于照相機的測光

6、以及控制閃光燈。圖10-4 某型號光敏電阻的光電特性a）光照/電阻特性 b）光照/電流特性（3）響應(yīng)時間 光敏電阻的時延特性，上升響應(yīng)時間和下降響應(yīng)時間：102103s，提問：光敏電阻能否用在要求快速響應(yīng)的場合？（二）光敏二極管、光敏三極管1光敏二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理：光照在PN結(jié)。分析光敏二極管的基本電路結(jié)論：在電路中處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光照射在光敏二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。光敏二極管在應(yīng)用電路中為什么必須反向偏置？（否則流過它的電流就與普通二極管的正向電流一樣，不受入射光的控制）圖10-6 光敏二極

7、管的反向偏置接法2光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理解釋與光敏二極管的區(qū)別，與普通三極管的區(qū)別。光敏三極管有兩個PN結(jié)，但只有正負（C、E）兩個引腳，其外形與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。光線通過透明窗口落在基區(qū)及集電結(jié)上。光敏三極管比二極管的靈敏度高倍。圖10-8 光敏三極管圖形符號a）光敏三極管圖形符號 b）光敏達林頓三極管圖形符號分析光敏三極管的頻率特性為什么比二極管差、暗電流大。光敏晶閘管的導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有可高達數(shù)百伏，輸出功率大。主要用途：用于光控開關(guān)電路及光耦中。（三）光敏晶體管的基本特性（1）光譜特性 看圖，結(jié)論：不同材料的光敏晶體管對不同波長的入射，其相對靈敏度

8、Kr不同。圖10-9 光敏晶體管的光譜特性1常規(guī)工藝硅光敏晶體管的光譜特性 2濾光玻璃引起的光譜特性紫偏移3濾光玻璃引起的光譜特性紅偏移顏色傳感器：能輸出紅、綠、藍三色信號。計算機根據(jù)三色信號的比例，可以判斷被測物的顏色。（2）伏安特性（簡介）（3）光電特性 結(jié)論：光電流I與光照度成線性關(guān)系。研究：光電特性曲線斜率與靈敏度的關(guān)系。圖10-11 某系列光敏晶體管的光電特性1光敏二極管光電特性 2光敏三極管光電特性提問：曲線1、2哪一個為光敏二極管？為什么？求：光照度為30lx時，光敏二極管的光電流為多少A？（4）溫度特性 溫度對暗電流的影響；光敏三極管的溫漂與光敏二極管比較；在高準確度測量中選用

9、硅光敏二極管的必要性如何提高檢測靈敏度：采用低溫漂、高準確度的運算放大器。（5）響應(yīng)時間 工業(yè)級硅光敏二極管的響應(yīng)時間：10_710_5s左右，光敏三極管的響應(yīng)時間與光敏二極管比較。光敏二極管頻率特性：當(dāng)光脈沖的重復(fù)頻率提高時，由于光敏二極管的PN結(jié)電容需要一定的充放電時間，所以它的輸出電流的變化無法立即跟上光脈沖的變化，輸出波形產(chǎn)生失真。截止頻率、tr上升時間，tf下降時間：當(dāng)光敏二極管的輸出電流或電壓脈沖幅度減小到低頻時的1/時，失真十分嚴重，該光脈沖的調(diào)制頻率就是光敏二極管的最高工作頻率fH，又稱截止頻率。光敏三極管的tr上升時間，tf下降時間與光敏二極管的比較。圖10-12 某型號光敏

10、二極管頻率特性a）輸入調(diào)制光脈沖 b）光敏二極管脈沖響應(yīng)提問：當(dāng)某光敏二極管的trtf1s時，截止頻率不可能大于多少kHz？三、基于光生伏特效應(yīng)的光電元件光電池人造衛(wèi)星上的太陽能光電池板。光電池是一種自發(fā)電型的光電傳感器（一）結(jié)構(gòu)及工作原理與光敏二極管的區(qū)別在大面積的N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面。當(dāng)入射光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子-空穴對，PN結(jié)又稱空間電荷區(qū)，它的內(nèi)電場（N區(qū)帶正電、P區(qū)帶負電）使擴散到PN結(jié)附近的電子空穴對分離，電子通過漂移運動被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電。PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。（二）光電

11、池的基本特性（1）光譜特性 提問：硅光電池的靈敏度峰值波長為多少m？（2）光電特性 曲線1：光電池負載開路時的“開路電壓”Uo的特性曲線；曲線2：負載短路時的“短路電流”I的特性曲線。提問開路電壓Uo與光照度的關(guān)系呈何種關(guān)系？（對數(shù)/指數(shù)/線性），在多數(shù)lx以上就趨于飽和？。當(dāng)負載短路時，光電流在很大范圍內(nèi)與照度成線性關(guān)系。當(dāng)希望光電池的輸出與光照度成正比時，應(yīng)把光電池作為電流源來使用；當(dāng)被測非電量是開關(guān)量時，可以把光電池作為電壓源來使用。提問：如果要得到1.5V的輸出電壓，提供給液晶計算器使用，必須將幾塊光電池串聯(lián)/并聯(lián)起來？圖10-15 某系列硅光電池的光電特性1開路電壓曲線 2短路電流曲

12、線（3）光電池的溫度特性 （略）（4）頻率特性 硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，頻率響應(yīng)就越高。第二節(jié) 光電元件的基本應(yīng)用電路1光敏電阻基本應(yīng)用電路分析圖10-17a中，當(dāng)無光照時，光敏電阻R很大，I在RL上的壓降Uo很小。隨著入射光增大，R減小，Uo隨之增大。圖10-17b的情況恰好與圖17-a相反，入射光增大，Uo反而減小。圖10-17 光敏電阻基本應(yīng)用電路a）Uo與光照變化趨勢相同的電路 b）Uo與光照變化趨勢相反的電路2光敏二極管應(yīng)用電路利用反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。圖10-18 光敏二極管的一種應(yīng)用電路請學(xué)生逐步分析：強光照時，Uo為何電平？ 3光敏

13、三極管應(yīng)用電路光敏三極管在電路中：集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。與普通三極管工作在放大區(qū)時條件？圖10-19 光敏三極管的兩種常用電路a）射極輸出電路 b）集電極輸出電路表10-3 輸出狀態(tài)比較電路型式無光照時強光照時三極管狀態(tài)ICUo三極管狀態(tài)ICUo射極輸出截止00（低電平）飽和（VCC-0.）/RLVCC-UCES(高電平)集電極輸出截止0VCC（高電平）飽和（VCC-0.）/RLUCES(0.3V，低電平)分析表10-3：射極輸出電路的輸出電壓變化與光照的變化趨勢相同，而集電極輸出恰好相反。例10-1 是利用光敏三極管來達到強光照時繼電器吸合的光控繼電器電路如圖10-20，請分析工作過程。解

14、 當(dāng)無光照時，V1截止，IB=0，V2也截止，繼電器KA處于失電（釋放）狀態(tài)。當(dāng)有強光照時，V1產(chǎn)生較大的光電流I，I一部分流過下偏流電阻RB2（起穩(wěn)定工作點作用），另一部分流經(jīng)RB1及V2的發(fā)射結(jié)。當(dāng)IB>IBS（IBS=ICS/）時，V2也飽和，產(chǎn)生較大的集電極飽和電流ICS，ICS=（VCC0.3V）/RKA，因此繼電器得電并吸合。如果將V1與RB2位置上下對調(diào)，其結(jié)果相反，請讀者自行分析。圖10-20 光控繼電器電路4光電池的應(yīng)用電路（略）第三節(jié) 光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的最大特點：非接觸式測量。1）光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某

15、些物理參數(shù)，如圖10-22a所示。典型的例子有光電高溫比色溫度計、光照度計、照相機曝光量控制等。2）恒光源發(fā)射的光通量穿過被測物，一部分由被測物吸收，剩余部分投射到光電元件上，吸收量決定于被測物的某些參數(shù)，如圖10-22b所示，典型例子如透明度計、濁度計等。3）恒光源發(fā)出的光通量投射到被測物上，然后從被測物表面反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被測物的某些參數(shù)，如圖10-22c所示。典型的例子如用反射式光電法測轉(zhuǎn)速、測量工件表面粗糙度、紙張的白度等。4）恒光源發(fā)出的光通量在到達光電元件的途中遇到被測物，照射到光電元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸，如圖10-22

16、d所示。典型的例子如振動測量、工件尺寸測量等。圖10-22 光電傳感器的幾種形式a）被測物是光源 b）被測物吸收光通量c）被測物是有反射能力的表面 d）被測物遮蔽光通量1被測物 2光電元件 3恒光源、光源本身是被測物的應(yīng)用實例1紅外線輻射溫度 輻射溫度計可分為高溫輻射溫度計、高溫比色溫度計、紅外輻射溫度計等。2熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應(yīng)用演示將熱釋電傳感器放置于講臺，接通電源開關(guān)。在學(xué)生晃動身體時，發(fā)出報警聲響。不動時，無反應(yīng)。解釋菲涅爾透鏡在防干擾中的用途。二、被測物吸收光通量的應(yīng)用實例光電式濁度圖10-26 光電式濁度計原理圖1恒流源 2半導(dǎo)體激光器 3半反半透鏡 4反射鏡 5被測

17、水樣6、9光電池 7、10電流/電壓轉(zhuǎn)換器 8標準水樣分析工作過程，提問;Uo1/Uo2值的范圍是多少？采用參比通道的好處：當(dāng)環(huán)境溫度升高時：光電池靈敏度降低，Uo1、Uo2同時下降。由于兩個通道的結(jié)構(gòu)完全一樣，所以在最后運算Uo1/Uo2值時，上述誤差可自動抵消，減小了測量誤差。復(fù)習(xí)差動的概念：P62，圖33；P99，圖54。將上述裝置略加改動，還可以制成什么儀器：光電比色計，用于血色素測量、化學(xué)分析等。三、被測物體反射光通量的應(yīng)用實例1反射式煙霧報警器判斷火災(zāi)發(fā)生時伴隨時的有光和熱的化學(xué)反應(yīng)：（1）產(chǎn)生熱量，使環(huán)境溫度升高：熱敏電阻；（2）產(chǎn)生可燃性氣體：氣敏電阻；（3）產(chǎn)生煙霧：煙霧報警

18、器；（4）產(chǎn)生火焰：輻射出紅外線、可見光和紫外線：紫外線報警器。分析：在火災(zāi)報警中，為什么不能測量單憑紅外線增大，判斷火災(zāi)？取暖設(shè)備、電燈、太陽光線都包含有紅外線或可見光。紫外線的判斷：利用本章第一節(jié)介紹過的紫外線管（外光電效應(yīng)型）、也可以用某些專用的半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)型紫外線傳感器，能夠有效地監(jiān)測火焰發(fā)出的紫外線，但應(yīng)避開太陽光的照射，以免引起誤動作。分析遮光型和反光型光電反射型煙霧傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。為什么要采用反光型光電反射型煙霧傳感器？反光型光電反射型煙霧傳感器的輸出本底??！經(jīng)過放大，可以得到脈沖信號。為什么反光型光電反射型煙霧傳感器中的LED的激勵電流要采用脈沖調(diào)制？解釋調(diào)制的概念！在反射式煙霧報警器