第8章 光電式傳感器與轉速檢測 教案

《傳感器與檢測技術》

授課教案課程性質：班級名稱：學生人數(shù)：授課教師：課題：8.1光電效應8.2光電器件課時安排：2授課類型：理論課重難點重點光電式傳感器的結構及特性難點光電式傳感器測量轉換電路教學目的和要求1．熟悉光電式傳感器的結構及種類；2．了解光電式傳感器的特性與技術參數(shù)。采用教學方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術實驗臺教學內容第8章光電式傳感器與轉速檢測8.1光電效應光電式傳感器是將光信號轉換為電信號的一種傳感器。利用光電傳感器測量非電量時，首先將非電量的變化轉換為光信號的變化，然后通過光電器件的作用，將光信號的變化轉化成電量的變化，這樣就可以將非電量的變化轉換為電量的變化而進行檢測。8.1.1外光電效應在光線照射下，使電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應。根據(jù)外光電效應制成的光電器件有光電管、光電倍增管等。外光電效應可用愛因斯坦光電方程來描述1/2mv2=hf-W式中，v是電子逸出物體表面時的初速度；m是電子質量；W是金屬材料的逸出功（金屬表面對電子的束縛）。8.1.2內光電效應在光線照射下，使物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為內光電效應，也稱為光電導效應。根據(jù)內光電效應制成的光電器件有光敏電阻、光敏二極管與光敏三極管等。8.1.3光生伏特效應在光線照射下，使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，簡稱光伏效應。根據(jù)光伏效應制成的光電器件有光電池等。勢壘效應側向光電效應8.2光電器件8.2.1光電管

圖8-1光電管

圖8-2光電管受光照發(fā)射電子圖8-3真空光電管圖8-4充氣離子光電管8.2.2光電倍增管圖8-5光電倍增管外形圖圖8-6光電倍增管1．光電倍增管的結構和工作原理光電倍增管陰極室的結構與光陰極的尺寸和形狀有關,它的作用是把陰極在光照下由外光電效應產(chǎn)生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一倍增極的表面上。2．光電倍增管的主要參數(shù)（1）暗電流（2）光譜響應特征3.光電倍增管的應用8.2.3光敏電阻光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。1．光敏電阻的結構與工作原理（1）光敏電阻的結構（2）光敏電阻的工作原理2.光敏電阻的分類紫外光敏電阻器、紅外光敏電阻器、可見光光敏電阻器3.光敏電阻的主要參數(shù)（1）光電流、亮電阻（2）暗電流、暗電阻（3）靈敏度（4）額定功率（5）伏安特性曲線圖8-8光敏電阻的伏安特性曲線圖8-9光敏電阻的光照特性曲線（6）光照特性（7）光譜響應圖8-10光敏電阻的光譜特性曲線（8）溫度系數(shù)圖8-11光敏電阻的溫度特性4.光敏電阻的應用（1）光敏電阻調光電路圖8-12典型的光控調光電路（2）光敏電阻式光控開關圖8-13典型的光控調光電路[討論1]光電器件還有哪些種類？作業(yè)布置P1638-1、8-2、8-3、8-4

課程性質：班級名稱：學生人數(shù)：授課教師：課題：8.2光電器件8.3光電式傳感器的應用課時安排：2授課類型：理論課重難點重點光電式傳感器的工作原理難點光電式傳感器測試應用教學目的和要求1．掌握光電式傳感器的測量原理及應用；2．學會合理選用光電式傳感器構成測光檢光電路。采用教學方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術實驗臺教學內容8.2光電器件8.2.4光電池光電池是一種在光的照射下產(chǎn)生電動勢的半導體元件。光電池的種類很多，常用有硒光電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。光電池的結構與工作原理圖8-15光電池的示意圖+光PN－SiO2RL(a)光電池的結構圖I光(b)光電池的工作原理示意圖PN2.光電池的基本特性（1）光照特性圖8-17硅光電池的光照特性曲線圖（2）光電池的光譜特性圖8-18硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線（3）頻率特性圖8-19光電池的頻率特性（4）溫度特性202004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC/μA600400200UOC——開路電壓硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線圖8-20光電池的溫度特性8.2.5光敏二極管和光敏晶體管1．工作原理（a）結構模型和符號（b）基本電路2．主要參數(shù)（1）暗電流（2）短路電流（3）正向電阻和反向電阻3．基本特性（1）光照特性(a)光敏三極管的光照特性(b)光敏二極管的光照特性圖8-23光敏二極管和光敏三極管的光照特性（2）光譜特性圖8-24光敏二極管和光敏三極管的光譜特性（3）伏安特性(a)光敏二極管的伏安特性(b)光敏三極管的伏安特性圖8-25光敏二極管和光敏三極管的伏安特性（4）響應時間硅光敏二極管的響應時間約為10~6-10~7S左右，光敏晶體管的響應速度則比相應的二極管大約慢一個數(shù)量級，而鍺管的響應時間要比硅管小一個數(shù)量級。（5）溫度特性(a)光敏三極管的溫度特性(b)光敏二極管的溫度特性圖8-26光敏二極管和光敏三極管的溫度特性曲線4．光敏三極管的應用（1）測量光亮度（2）光電隔離（3）非接觸測量轉速8.3光電式傳感器的應用8.3.1光電式傳感器的類型光電式傳感器在檢測與控制中應用非常廣泛，按輸出形式可以分為模擬式傳感器和脈沖式傳感器兩種。按光的傳輸路徑可以分為反射式與遮斷式兩種。按被測物、光源、光敏元件三者間的關系，可以將光電式傳感器分為以下四種類型，如圖8-30所示。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)被測物遮蔽光通量圖8-30模擬式光電傳感器的常見形式8.3.2光電式轉速表圖8-31光電式數(shù)字轉速表工作原理8.3.3光電式濁度儀平行平行光源光電探測放大顯示刻度校正 報警器煙道圖8-32吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖8.3.4帶材跑偏檢測儀8.3.5聲、光、觸摸三控自動燈[討論1]光電式傳感器還有哪些應用領域？作業(yè)布置P1648-5、8-6、8-7、8-8

課程性質：班級名稱：學生人數(shù)：授課教師：課題：實驗十二光電二極管、三極管特性檢測課時安排：2授課類型：實訓課重難點重點光電式傳感器的性能難點光電二極管、三極管特性測試教學目的和要求1. 了解光電二極管光電特性、伏安特性。2. 了解光電三極管光電特性，當光電管的工作偏壓一定時，光電管輸出光電流與入射光的照度（或通量）的關系。采用教學方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術實驗臺教學內容實驗十二光電二極管、三極管特性檢測一、實驗原理光電二極管是一種典型的光伏器件，用高阻P型硅作為基片，表面摻雜生長一層極薄的N型層（大約1μm），從而形成一很淺的表面PN結，而空間電荷區(qū)較寬，所以保證大部分光子能夠入射到耗盡層內。由光子激發(fā)的電子-空穴對在反向偏置電壓VBB作用下形成二極管的反向光電流。此光電流通過外加負載RL后產(chǎn)生電壓信號輸出。光電三極管是一種光生伏特器件，用高阻P型硅作為基片，然后在基片表面進行摻雜形成PN結。N區(qū)擴散得很淺為1um左右，而空間電荷區(qū)（即耗盡層）較寬，所以保證了大部分光子入射到耗盡層內。光子入射到耗層內被吸收而激發(fā)電子-空穴對，電子-空穴對在外加反向偏置電壓VBB作用下，空穴流向正極，形成了三極管的反向電流即光電流。光電流通過外加負載電阻RL后產(chǎn)生電壓信號輸出。二、實驗器材光電二極管、光電二極管變換單元、電壓表、光電三極管、光電三極管變換單元三、實驗步驟直流穩(wěn)壓電源置V檔，光敏二極管探頭用專用導線一端連接后，插入照度實驗架上傳感器安裝孔，導線另一端插入面板上“光敏二極管Ti”插口。開啟光強開關，并將光強/加熱開關置“5”檔，此時入射照度最大。在“光電二極管單元”如圖S12.1接線，并在負載單元中選擇R=200K作為Rf接入I/V變換器。圖S12.1光電二極管測量電路關閉光強開關，記下電壓表的讀數(shù)（暗電流），并將數(shù)據(jù)填入下表。隨后將光強/加熱開關置“1”檔。光強012345電壓/V電流（U/Rf）/mA開啟光強開關，記下電壓表讀數(shù)，并逐步將“光強/加熱”開關轉換到“5”檔，記下每一檔的電壓表讀數(shù)并填入上表。作出照度—電流曲線（ILi=V/Rf）。將光電二極管的“+”極與“|”之間聯(lián)線拆去，在“+”極接入-4V電壓使光電二極管出負偏壓狀態(tài)。重復4-5過程，比較一下與零偏壓是有什么區(qū)別？開啟光強開關，并將光強/加熱開關置“5”檔，同時檢查加熱開關是否關閉，仍按圖S12.1接線（零偏壓）。記錄下這時電壓表讀數(shù)，并填入下表偏壓/V0-4-6-8-10電壓Uo/V電流|Vo/Rf|/mA將光電二極管的“+”極與“|”之間聯(lián)線拆去，將“直流穩(wěn)壓電源”單元中“-Vo”端口與光電二極管“+”極相連，給二極管加上偏壓。直流穩(wěn)壓電從-4V逐步調整至-10V，記錄下每一步的電壓表讀數(shù)值。并填入上表。做出V-I曲線。將光強/加熱開關分別調至“4—3”檔，重復上述9-12步，比較三條V-I曲線有什么不同？直流穩(wěn)壓電源置V檔，光敏三極管探頭用專用導線一端連接后，插入照度實驗架上傳感器安裝孔，導線另一端插入面板上“光電二極管Ti”插口。開啟電源及光強開關，并將光強/加熱開關置“5”檔，此時入射照度最大。同時檢查加熱開關是否關閉。在“光電三極管單元”如圖S12.2接線，選擇Re=200Ω,Rb=2K。關閉光強開關，記下電流表的讀數(shù)（暗電流），并將數(shù)據(jù)填入下表。隨后將光強/加熱開關置“1”檔。光強012345電流（mA）開啟光強開關