檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)課件：第6章光電式傳感器

1、1,第6章 光電式傳感器,2,概 述,光電效應(yīng): 基于光電效應(yīng)原理工作的光電轉(zhuǎn)換元件叫光電器件。 分為外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。 相應(yīng)地，光電器件有光電發(fā)射型、光導(dǎo)型、光伏型。,3,一、光電發(fā)射型光電器件,光子能量為hf, h是普朗克常數(shù)，光子打在光電材料上，單個(gè)光子把全部能量傳給光電材料中的一個(gè)自由電子，其中一部分消耗在電子逸出的逸出功A，另一部分轉(zhuǎn)化為逸出電子的初動(dòng)能。 電子質(zhì)量m，逸出物體表面初速度，按能量守恒定律： 紅限頻率:能使光電材料產(chǎn)生光電子發(fā)射的照射光的最低頻率。 動(dòng)能為0 fo= A/h,4,1 外光電效應(yīng),在光照作用下,物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外

2、光電效應(yīng)。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。,5,光電器件,光電管和光電倍增管 當(dāng)入射光照射到光電管陰極時(shí)，陰極發(fā)射電子，電子被陽(yáng)極正電場(chǎng)吸引，光電管內(nèi)形成電流，在負(fù)載輸出電壓，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。,6,光電倍增管,在陰極和陽(yáng)極間有多個(gè)倍增極，倍增極上涂有電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料。 特點(diǎn)：能將微小的光電流放大，適合測(cè)量微弱的光，用于測(cè)量?jī)x器。 光譜特性由窗口材料、陰極材料決定。,7,2 、光導(dǎo)效應(yīng) 大多數(shù)高電阻率半導(dǎo)體，受光照射吸收光子能量后，產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象。也稱為內(nèi)光電效應(yīng)。,光導(dǎo)效應(yīng)物理過(guò)程: 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)度到自由狀態(tài)，而引起材料

3、導(dǎo)電性能增強(qiáng)。,8,光導(dǎo)型光電器件,入射光能量必須大于入射光的禁帶寬度，所以入射光頻率須大于禁帶寬度決定的紅限頻率。,基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻，光敏二極管、光敏三極管。,9,光敏電阻,光敏電阻的結(jié)構(gòu)與電路連接,當(dāng)光照射到有光導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的電阻器件上時(shí)，光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使電子和空穴增加，致使光敏電阻的電阻值下降。,光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛。,10,把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。,11,2. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性,（1）暗電阻、暗電流

4、、亮電阻、亮電流、 光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流為暗電流。 在受到光照時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。,12,I,結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，有一個(gè)對(duì)光敏感材料組 成PN結(jié)，工作在反偏狀態(tài)。 無(wú)光照射時(shí)，反向電流很小，叫暗電流， 有光照射時(shí)，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，在 反向電壓作用下參與導(dǎo)電，形成光電流，光電流大小 與光照強(qiáng)度成正比。,光敏晶體管,1. 光敏二極管,13,光敏二極管在工作時(shí)，一般加上反向電壓，處于反向工作狀態(tài)。加上零偏電壓時(shí)，處于光電池工作狀態(tài)。,光敏二極管的光照特性是線性的 (光電流) ，適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。,14,2. 光敏三極管,結(jié)構(gòu)

5、： 集電結(jié)為光敏二極管的三極管，且基極一般不接引線。有放大光電流作用。帶基極引線的光敏三極管提供了基極偏置回路，在光照弱時(shí)可改善特性。,15,當(dāng)集電極加上正電壓，基極開(kāi)路時(shí)，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，相當(dāng)于給發(fā)射結(jié)加了正向偏壓。從而使電子大量流向集電極，形成輸出電流。,基本工作原理：,光敏三極管具有兩個(gè)PN結(jié)，其基本原理與光敏二極管類似，但它在把光信號(hào)變成電信號(hào)的同時(shí)，還放大了信號(hào)電流。集電極電流為光敏二極管光電流的倍。,16,在使用光敏管時(shí)，不能從外觀上區(qū)別是二極管還是三極管，只能由型號(hào)

6、來(lái)判定。,光激發(fā)光控開(kāi)關(guān),暗激發(fā)光控開(kāi)關(guān),17,3、光生伏特效應(yīng): 光照射引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的器件有光電池。,光電池的結(jié)構(gòu)圖,硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。,18,光電池,光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下，空穴流向P區(qū)，電子流向N區(qū)，在PN結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。故光電池屬于有源傳感器。,N,若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，電路中就有電流流過(guò)。若將外電路斷開(kāi)，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。,19,目前，應(yīng)用最

7、廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。,硅光電池的價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。 硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率比硅光電池低、適于接收可見(jiàn)光。,20,光電池應(yīng)用,21,光電池和風(fēng)力供電路燈,22,光電器件的基本特性,一、光電特性和光照特性 光電特性 光電器件電極上電壓一定時(shí)，光電流I與入射到器件上的光通量的關(guān)系I=f()。 光通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所輻射的光能，單位:lm(流明) 光照特性 光電器件電極上電壓一定時(shí)，光電流I與光電器件上的照度E的關(guān)系I=f(E) 。 照度：?jiǎn)挝幻娣e上受到的光通量，單位:lx(勒克斯) 1勒克斯=1流明/平方米,23,光敏電阻光照特性,多數(shù)是非線性的。不宜做

8、光照測(cè)量元件，一般用做開(kāi)關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。,24,光敏二極管光照特性,反偏時(shí)，光照特性線性好，適合作檢測(cè)元件。微安數(shù)量級(jí)。 零偏時(shí)，相當(dāng)于光電池，輸出短路電流與光照 度是線性關(guān)系，輸出開(kāi)路電壓與光照度是非線性的。,25,(3)光敏三極管的光照特性,1.0,2.0,3.0,200,400,600,800,1000,Lx,0,I(A),故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件， 也可做光控制傳感器。,近似線性關(guān)系。但光照足夠大時(shí)會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。,26,硫化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時(shí)要把元件和光源光譜結(jié)合起來(lái)考慮。應(yīng)使元件的最大靈敏度在需要測(cè)定的光譜范圍內(nèi)。（可見(jiàn)光波長(zhǎng):390nm

9、 - 780nm）,光敏電阻的光譜特性,二、光譜特性 光電器件電極上電壓一定時(shí)，光電流I或靈敏度與入射光的波長(zhǎng)的關(guān)系，即I=f()或S=f() 。,27,3. 光敏三極管的光譜特性,存在一個(gè)最佳靈敏度波長(zhǎng),28,光電池的光譜特性,故硒光電池適用于可見(jiàn)光，常用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表。如用照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。,硅光電池的光譜寬，從可見(jiàn)光到紅外光，硒光電池在540nm附近。,光電池的光譜特性,29,光敏電阻的伏安特性 所加的電壓越高，光電流越大，而且沒(méi)有飽和的現(xiàn)象。,圖11 光敏電阻的伏安特性,三、伏安特性 在給定光通量或照度下，光電流與光電器件兩端電壓的關(guān)系，即I=F(U)。,光敏電阻最高使用電壓由

10、光敏電阻的最大允許耗散功率決定。,30,各種光電元件的伏安特性,31,圖12 光敏電阻的頻率特性,四、頻率特性 在同樣電壓和同樣幅值的光照度下，當(dāng)入射光強(qiáng)度以不同正弦交變頻率調(diào)制時(shí)，光電器件的光電流或靈敏度隨調(diào)制頻率變化，他們的關(guān)系I=F1(f)或S=F2(f)稱為頻率特性。,32,光敏三極管的頻率特性,減小負(fù)載電阻可以提高響應(yīng)頻率，但將使輸出降低。故使用時(shí)要根據(jù)頻率選擇最佳的負(fù)載電阻。硅管的響應(yīng)頻率比鍺管的好。 光敏二極管的頻率特性比光敏三極管好。,33,各種光電元件的頻率特性,34,峰值隨溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。,硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性,五、溫度特性 溫度變化后，電子熱運(yùn)動(dòng)也隨之

11、變化，引起光電器件的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的變化。,35,光敏三極管的溫度特性,溫度變化對(duì)光電流的影響較小，對(duì)暗電流的影響很大。故電子線路中應(yīng)對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,36,各種光電元件的溫度特性,37,光電式傳感器的基本組成和類型,光電式傳感器是以光為媒介,以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)傳感器。,38,光電式傳感器的基本類型,1、透射式，測(cè)量液體、氣體和固體的透明度。 2、反射式，測(cè)量物體表面粗糙度等的傳感器。,按被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電器件的入射光通量變化的形式，光電傳感器可分為5類：,39,光電池白度計(jì)原理 白度是衡量物體表面對(duì)可見(jiàn)光全波長(zhǎng)輻射反射率的一個(gè)參數(shù)，用于造紙、紡織等行業(yè)。,調(diào)節(jié)RP使檢流計(jì) 的指示為零，與 電位器聯(lián)動(dòng)的指針 指示被測(cè)物的白度。,40,3、輻射式，用于光電高溫計(jì)和爐子燃燒監(jiān)測(cè)傳感器。 4、遮擋式，測(cè)量物體表面積、尺寸、位移。 5、開(kāi)關(guān)式，用于開(kāi)關(guān)、計(jì)數(shù)等。,41,路燈自動(dòng)控制原理,無(wú)光照，流過(guò)光敏二極管電流很小，A點(diǎn)電位低，三極管V1、V2截止，繼電器無(wú)電流通過(guò)，觸點(diǎn)K接通，路燈亮。有光照，流過(guò)光敏二極管電流增加，A點(diǎn)電位升高，V1、V2導(dǎo)通，繼電器有電流通過(guò)動(dòng)作，觸點(diǎn)K斷開(kāi)，路燈熄滅。,42,錯(cuò)誤的路燈控制電路 錯(cuò)誤原因：光敏二極管受光照時(shí)的光電流是微安級(jí)，無(wú)法驅(qū)動(dòng)繼電器工作。,43,光敏三極管的應(yīng)用