光电传感器Ⅰ

1、第七章光电传感器I课题：光电传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：14教材分析难点：光电元件的应用电路重点：光电传感器的应用教学目的和要求1、了解光电元件的分类以及工作原理；2、掌握光电元件的应用电路；3、了解光电池的电流/电压转换电路及计算；4、掌握光电传感器的应用。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种光电元件、光电传感器各教学环节和内容演示：做以下的演示：将光敏电阻接到万用表的电阻量程，测量在有光照和没有光照情况下的的电阻 值。可以看到：随着光的照度的增加，光敏电阻的阻值从几个MQ逐渐减小。在强光照的情况下，大约可减小到几个k Qo从以上演示，弓1入第一节光电效应、光电

2、元件，以及它们的工作原理。第一节光电效应及光电元件讲述光的物理根底，以及三种光电效应：光电效应：用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为 hf的光子的轰击， 组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。通常把 光电效应分为三类：1外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体外表的光电效应。基于外光电效应的光电元件：光电管、光电倍增管、光电摄像管等玻璃真空管元件。2内光电效应：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的光电效应基于内光电效应光电元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。3光生伏特效应：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的光电效应。基于光生伏特

3、效应的光电元件：光电池等。一、简单介绍光电管掌握应用领域由于材料的逸出功不冋，所以不冋材料的光电阴极对不冋频率的入射光有不冋的灵敏 度，人们可以根据检测对象是可见光或紫外光而选择不冋阴极材料的光电管。光电管 的图形符号及测量电路如图10-2所示。目前紫外光电管在工业检测中多用于紫外线测量、火焰监测等，可见光较难引起光电子的发射。二、基于内光电效应的光电元件一光敏电阻掌握特性参数和应用1.工作原理a I匚光照愈强，光生电子-空穴对就越多，阻值就愈低。2 .光敏电阻的特性和参数(1 )暗电阻 置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于 1MQ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻

4、减小，暗电流增大，灵敏度下降， 这是光敏电阻的一大缺点。(2 )光电特性在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。某型号光敏电阻的光电特性如图10-4所示。从图中可以得出的结论：当光照大于100IX时，它的光电特性非线性就十分严重了。照度定义：E=d/dA,所以1 lx=1 Im/m2。照度是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。光通量是光源在单位时间内发出的光量总和。光通量单位：流明(Im)照度单位：勒克斯(lux)不同功率白炽灯和不同颗数LED灯及节能灯在不同距离的照度性能试验参数，单位为lx白白白LL节距炽灯炽灯炽灯EDED能灯离4611720W0W00W80

5、颗2颗6W681271.5m10155421553518211352.0m248534897572691281.5m467947329t2461159.0m45224814t24816.5m9670124解释日常生活中的照度大小：150IX是教育部门要求所有学校课堂桌面所必须到达 的标准照度。用照度计测量：距离为2m时，15W白炽灯的照度为 50lx ;节能台灯的照度为2000IX :阴天靠窗的照度为 2000IX :太阳光直接照射的照度为1000040000IX。提问：光敏电阻光电特性为线性？非线性？能否用于光的精密测量？只能用于定性地 判断有无光照。价廉，虽然准确度不高，但可用于照相机的测

6、光以及控制闪光灯。图10-4 某型号光敏电阻的光电特性a光照/电阻特性 b光照/电流特性3 响应时间光敏电阻的时延特性，上升响应时间和下降响应时间：10-210- 3s,提问：光敏电阻能否用在要求快速响应的场合？二光敏二极管、光敏三极管1 光敏二极管的结构及工作原理：光照在PN结。分析光敏二极管的根本电路结论： 在电路中处于反向偏置状态。当光照射在光敏二极管的 PN结又称耗尽层上时，在 PN结附近产生的电子- 空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。光敏二极管在应用电路中为什么必须反向偏置？否那么流过它的电流就与普通二 极管的正向电流一样，不受入射光的控制图10-6光敏二极

7、管的反向偏置接法2 光敏三极管结构及工作原理解释与光敏二极管的区别，与普通三极管的区别。光敏三极管有两个 PN结，但只有正负C、E两个引脚, 其外形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。光线通过透明窗口落在基区及集电结上。光敏三极管比二极管的灵敏度高B倍。h )图10-8 光敏三极管图形符号a光敏三极管图形符号b光敏达林顿三极管图形符号分析光敏三极管的频率特性为什么比二极管差、暗电流大。光敏晶闸管的导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有可高达数百伏，输出功 率大。主要用途：用于光控开关电路及光耦中。三光敏晶体管的根本特性1光谱特性看图，结论：不同材料的光敏晶体管对不同波长的入射，其相对灵敏度Kr

8、不同。<x)806040030：& 1,013紫外光可见光近红外光xi um2.0 _中红外光图10-9光敏晶体管的光谱特性1 常规工艺硅光敏晶体管的光谱特性2滤光玻璃引起的光谱特性紫偏移3滤光玻璃引起的光谱特性红偏移颜色传感器：能输出红、绿、蓝三色信号。计算机根据三色信号的比例，可以判 断被测物的颜色。2伏安特性简介3光电特性 结论：光电流I与光照度成线性关系。研究：光电特性曲线斜率与灵敏度的关系。图10-11某系列光敏晶体管的光电特性1光敏二极管光电特性 2 光敏三极管光电特性提问：曲线1、2哪一个为光敏二极管？为什么？ 求：光照度为30lx时，光敏二极管的光电流为多少卩A

9、?4温度特性 温度对暗电流的影响；光敏三极管的温漂与光敏二极管比拟； 在高准确度测量中选用硅光敏二极管的必要性如何提高检测灵敏度：采用低温漂、高准确度的运算放大器。5 响应时间 工业级硅光敏二极管的响应时间：10_710_5s左右，光敏三极管 的响应时间与光敏二极管比拟。光敏二极管频率特性：当光脉冲的重复频率提高时，由于光敏二极管的PN结电容需要一定的充放电时间，所以它的输出电流的变化无法立即跟上光脉冲的变化，输 出波形产生失真。截止频率、tr上升时间，tf下降时间：当光敏二极管的输出电流或电压脉冲幅度减 小到低频时的1/ 2时，失真十分严重，该光脉冲的调制频率就是光敏二极管的最高工 作频率f

10、H,又称截止频率。光敏三极管的tr上升时间，tf下降时间与光敏二极管的比拟。图10-12 某型号光敏二极管频率特性a输入调制光脉冲b光敏二极管脉冲响应提冋：当某光敏二极管的 tr =tf= 1 I s时，截止频率不可能大于多少kHz ?三、基于光生伏特效应的光电元件一一光电池人造卫星上的太阳能光电池板。光电池是一种自发电型的光电传感器一结构及工作原理与光敏二极管的区别在大面积的N型衬底上制造一薄层 P型层作为光照敏感面。当入射光子的能量足 够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，PN结又称空间电荷区，它的内电场 N区带正电、P区带负电使扩散到 PN结 附近的电子一空穴对别离，电

11、子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在 P区，所以N区带负电，P区带正电。PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。(二)光电池的根本特性(1) 光谱特性提问：硅光电池的灵敏度峰值波长为多少卩m?(2) 光电特性曲线1 :光电池负载开路时的"开路电压Uo的特性曲线；曲线2:负载短路时的“短路电流I的特性曲线。提问开路电压 Uo与光照度的关系呈何种关系？(对数 /指数/线性)，在多数lx以 上就趋于饱和？。当负载短路时，光电流在很大范围内与照度成线性关系。当希望光电池的输出与 光照度成正比时，应把光电池作为电流源来使用；当被测非电量是开关量时，可以把 光电池作为电压源来使用。提问：如果要得

12、到1.5V的输出电压，提供应液晶计算器使用，必须将几块光电池串联/并联起来？川|町4000&»0。K<W(I 11X)00E/h图10-15 某系列硅光电池的光电特性1开路电压曲线2短路电流曲线価舸甜4U20 - - Q lulovisf(3) 光电池的温度特性(略)(4) 频率特性 硅光电池的面积越小，PN结的极间电容也越小，频率响应就越第二节光电元件的根本应用电路1.光敏电阻根本应用电路分析图10-17a中，当无光照时，光敏电阻R很大，I在Rl上的压降Uo很小。随着入射光增大，R减小，U。随之增大。图10-17b的情况恰好与图17-a相反，入射光增大，Uo反而减小。

13、图10-17 光敏电阻根本应用电路a) Uo与光照变化趋势相同的电路b) Uo与光照变化趋势相反的电路2 光敏二极管应用电路利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。0DD(+5V)图10-18 光敏二极管的一种应用电路 请学生逐步分析：强光照时，Uo为何电平？3 光敏三极管应用电路 光敏三极管在电路中：集电结反偏，发射结正偏。与普通三极管工作在放大区时条件？(硏Jp.)比T!i至叱C图10-19 光敏三极管的两种常用电路a射极输出电路b 集电极输出电路表10-3 输出状态比拟无光照时强光照时电路型式三极管状态ICUo极管状态I CUo射极输出截止00 低电平饱和(Vcc- 0.3)

14、 /RlVcc-Uces高电平集电极输出截止0Vcc高电平饱和(Vcc- 0.3) /RlUces(0.3V ,低电平)分析表10-3 :射极输出电路的输出电压变化与光照的变化趋势相同，而集电极输 出恰好相反。例10-1是利用光敏三极管来到达强光照时继电器吸合的光控继电器电路如图10-20，请分析工作过程。解 当无光照时，Vi截止，|B=0, V2也截止，继电器 KA处于失电释放状态。 当有强光照时，Vi产生较大的光电流I，I一局部流过下偏流电阻 RB2 起稳定 工作点作用，另一局部流经 Rbi及V2的发射结。当Ib>Ibs Ibs=Ics/®时，V 2也饱和， 产生较大的集电

15、极饱和电流Ics, Ics= Vcc 0.3V /Rka，因此继电器得电并吸合。如果将Vi与RB2位置上下对调，其结果相反，请读者自行分析。图10-20 光控继电器电路4 .光电池的应用电路略第三节光电传感器的应用光电传感器的最大特点：非接触式测量。1 光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，如图10-22a所示。典型的例子有光电高温比色温度计、光照度计、照相机曝光量控制等。2 恒光源发射的光通量穿过被测物，一局部由被测物吸收，剩余局部投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数，如图10-22b所示，典型例子如透明度计、浊度计等。3 恒光源

16、发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物外表反射到光电元件上， 光电元件的输出反映了被测物的某些参数，如图10-22C所示。典型的例子如用反射式光电法测转速、测量工件外表粗糙度、纸张的白度等。4恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一局部，光电元件的输出反映了被测物的尺寸，如图10-22d所示。典型的例子如振动测量、工件尺寸测量等。图10-22 光电传感器的几种形式a被测物是光源b被测物吸收光通量c被测物是有反射能力的外表d被测物遮蔽光通量1 被测物 2光电元件3 恒光源、光源本身是被测物的应用实例1.红外线辐射温度辐射温度计可分为高温辐射温度计、高

17、温比色温度计、红外辐射温度计等。 2 热释电传感器在人体检测、报警中的应用演示将热释电传感器放置于讲台，接通电源开关。 在学生晃动身体时，发出报警声响。不动时，无反响。 解释菲涅尔透镜在防干扰中的用途。二、被测物吸收光通量的应用实例一一光电式浊度运 n 器图10-26 光电式浊度计原理图1恒流源 2半导体激光器3半反半透镜4反射镜 5被测水样6、9 光电池 7、10电流/电压转换器8标准水样分析工作过程，提冋；Uo1/Uo2值的范围是多少？采用参比通道的好处：当环境温度升高时：光电池灵敏度降低，Uo1、Uo2同时下降。由于两个通道的结构完全一样，所以在最后运算Uo1/Uo2值时，上述误差可自动

18、抵消，减小了测量误差。复习差动的概念： P62，图3 3; P99，图5 4。将上述装置略加改动，还可以制成什么仪器：光电比色计，用于血色素测量、化学分析等。三、被测物体反射光通量的应用实例1 反射式烟雾报警器判断火灾发生时伴随时的有光和热的化学反响：(1) 产生热量，使环境温度升高：热敏电阻；(2) 产生可燃性气体：气敏电阻；(3) 产生烟雾：烟雾报警器；(4) 产生火焰：辐射出红外线、可见光和紫外线：紫外线报警器。分析：在火灾报警中，为什么不能测量单凭红外线增大，判断火灾？取暖设备、电灯、太阳光线都包含有红外线或可见光。紫外线的判断：利用本章第一节介绍过的紫外线管(外光电效应型)、也可以用某 些专用的半导体内光电效应型紫外线传感器，能够有效地监测火焰发出的紫外线，但 应避开太阳光的照射，以免引起误动作。分析遮光型和反光型光电反射型烟雾传感器的结构和工作原理。为什么要采用反 光型光电反射型烟雾传感器？反光型光电反射型烟雾传感器的输出本底小！经过放大，可以得到脉冲信号。为什么反光型光电反射