第8章 光电式传感.ppt

1、第8章 光电式传感器,一. 本章主要内容 8.1 光电效应 8.2 光电器件及其特点 8.3 光电式传感器的类型及应用,2010年10月15日 南5-101 14：00-15：40,二. 教学要求及重点、难点 教学要求： 1、了解光电效应和光电元件； 2、理解光电元件的主要特性和特点。 1、熟悉光电式传感器的应用类型 2、掌握光电式传感器的常见应用实例 重点、难点：光电元件的主要特性和特点,8.1 光电效应,光电效应就是指一束光线照射到物质上时，物质的 电子吸收了光子的能量而发生了相应的电效应现象。 产生光电效应现象有：电阻率的变化、电子逸出、 电动势的变化等。 产生光电效应的物质叫光电材料。

2、,根据光电效应现象的不同特征，可将光电效应分为三类：,1 外光电效应：,在光线照射下，使物体的电子逸出表面的现象，称外 光电效应。 如光电管、光电倍增管等就是基于外光电效应。 根据爱因斯坦光子学说，一个电子只能吸收一个光 子的能量，有,h: 普朗克常数,m：电子质量,A：电子克服束缚而逸出物体表面所做的功,：入射光的频率,：电子逸出表面时的初速度,当光子能量大于逸出功时，才会产生外光电 效应，才会有光电子逸出。 当光子能量小于逸出功时，则不能产生外光 电效应。 当光子能量恰好等于逸出功时，光电子的初 速度=0。 此时光子相应的单色光频率为 ， 有,物质产生光电效应的最低频率，该频率的光对应的波

3、长也称临界波长。,2 内光电效应（光电导效应）,在光线照射下，物体的电阻率发生改变的现 象。 大多数半导体和绝缘材料都具有光电导效 应，而半导体的光电导效应尤为显著。 半导体材料的导电能力取决于其内部多数载流子 数目，在光线照射下半导体中的价电子受激发变为自 由电子，因此参与导电的载流子数目增加，从而半导 体的导电率也随之增加。,3 光生伏特效应,物体表面在光线照射下，内部会激发出电子，而 不逸出物体表面，仍留在物体内部，并按一定方向产 生光生电动势的现象。 如光敏二极管、光敏三极管、光电池等。,3 光生伏特效应：,物体表面在光线照射下，内部会激发出电子，而不逸 出物体表面，仍留在物体内部，并

4、按一定方向产生光 生电动势的现象。如光敏二极管、光敏三极管、光电 池等。,8.2 光电器件及其特点,一. 光电器件 根据光电效应制作的器件称为光电器件，也称光敏器 件。光电器件的种类很多，但其工作原理都是建立在 光电效应这一物理基础上的。光电器件的种类主要有: 光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏 三极管、光电池、光电耦合器件。 下面就介绍这些光电器件的结构、工作原理、参数、 基本特性。,1. 光电管(外光电效应),光电管的典型结构如图5.34 所示。由玻璃壳、两个电极(光电阴极K和阳极A)、引出插脚等组成。,将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂上一层光电材料作为阴极K，球心放置小球

5、形或小环形金属作为阳极A。 当阴极K受到光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极A吸引，朝阳极A方向移动，这样就在光电管内产生了电子流，从而在外电路中便产生了电流。,2.光电倍增管：略,3. 光敏电阻（光电导效应）,1) 光敏电阻的工作原理与结构 光敏电阻是一种基于内光电效应制成的光电器件， 光敏电阻没有极性，相当于一个电阻器件，光敏电阻 的外型与结构如图5.40所示。,工作原理如图5.39所示。在光敏电阻的两端加直流或交流工作电压的条件下，当无光照射时，光敏电阻电阻率变大，从而光敏电阻值(RG)很大，在电路中电流很小；当有光照射时，由于光敏材料吸收了光能，光敏电阻率变小，从而(RG)呈低阻

6、状态，在电路中电流很大。光照越强，阻值越小，电流越大。当光照射停止时，RG又逐渐恢复高电阻值状态，电路中只有微弱的电流。,2) 光敏电阻的主要参数,暗电阻与暗电流。 暗电阻是指光敏电阻在不受光照射时的电阻值，此 时在给定工作电压下，流过光敏电阻的电流称为暗电 流。 亮电阻与亮电流。 光敏电阻在有光照射时的阻值，称为该光照射下的 亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 光电流。 光电流是指亮电流与暗电流的差值。显然亮电阻与 暗电阻的差值越大，光电流越大，灵敏度也越高。,2） 光敏电阻的主要参数,暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻 光敏电阻在受光照射时

7、的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 光电流 亮电流与暗电流之差,3) 光敏电阻的基本特性,伏安特性 伏安特性是指在一定的光照下，加在光敏电阻两端的电压和 光电流之间的关系。伏安特性曲线如图5.41所示。,由图可以看出，在外加电压一定时，光电流的大小随光照的增强而增加。在使用时光敏电阻受耗散功率的限制，其两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由它可以确定光敏电阻的正常工作电压。,光照特性,由图可见，该曲线是非线性的。因此光敏电阻不宜作测量元件，而常在自动控制中用作光电开关。,光照特性是指外加电压一定时，光敏电阻的光电流与光照强度之间的关系，光照特性曲线如图5.42 所

8、示。,光谱特性,光谱特性是指在外加一定的电压时，输出电流与入射光波长之间的关系。光谱特性曲线如图5.43所示。,由图可知，不同材料制造的光敏电阻其光谱特性差别很大，某种材料制造的光敏电阻只对某一波长的入射光具有最高的灵敏度。,响应时间与频率特性,由图可知，光敏电阻的响应时间比较大，所以它不能用在要求快速响应的场合。,响应时间是指当光敏电阻受到光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零。频率特性曲线如图5.44所示。,温度特性 温度特性是指在一定的光照下，光敏电阻的阻值、灵敏度或光电流受温度的影响。随着温度的升高，暗电阻和灵敏度都下降。温度特性曲线如图5.4

9、5所示。,光敏电阻的检测 首先将万用表置Rl k挡，其次置光敏电阻于光源近处，可测得光敏电阻的亮电阻；最后用黑布遮住光敏电阻的表面，可测得光敏电阻的暗阻值。若亮阻值为几千欧到几十千欧，暗阻值为几兆欧至几十兆欧，则说明是好的光敏电阻。,4. 光敏二极管和光敏三极管（光生伏特效应）,工作原理与结构 光敏二极管的结构与一般的二极管相似，其PN结对光敏感。将其 PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在PN结上。光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光电器件。光敏二极管的工作原理和结构如图5.46 所示。,光敏三极管的工作原理和结构如图5.47 所示，具有两个PN结。当光照

10、射在基极-集电结上时，就会在集电结附近产生光生电子-空穴对，从而形成基极光电流。集电极电流是基极光电流的倍。这一过程与普通三极管放大基极电流的作用很相似。所以光敏三极管放大了基极光电流，它的灵敏度比光敏二极管高出许多。,光敏三极管的检测 首先将万用表置R lk挡，其次用黑布遮住光敏三极管的窗口，测量两管脚间的正、反向电阻，均为无限大时，则为光敏三极管。置光敏三极管于光源近处，测量两管脚间的正、反向电阻为几千欧到几十千欧，则说明是好的光敏三极管。万用表指针向右偏转越大说明其灵敏度越高。,光敏二极管和三极管的主要差别,光电流 光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少

11、也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。 响应时间 光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为510us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。 输出特性 光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。,5. 光电池（光生伏特效应）,1) 结构与工作原理 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。电池的工作原理及符号如图5.52所示。,硅光电池是在一块N型(或P)硅片上，用扩散的方法掺入一些P型(或N)杂质，而形成一个大面积的PN结。当入射光照在PN结上时，PN结附近激发出电子

12、空穴对，在PN结势垒电场作用下，将光生电子拉向N区，光生空穴推向P区，形成P区为正、N区为负的光生电动势。若将PN结与负载相连接，则在电路上有电流通过。,2) 光电池的基本特性,光电池的光谱特性 光电池的光谱特性是指相对灵敏度和入射光波长之间的关系。如图5.53 所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线。,光电池的光照特性是指光生电动势与照度之间的特性曲线。如图5.54所示为硅光电池的光照特性曲线。从图中可以看出，短路电流在很大范围内与光照度成线性关系；开路电压与光照度的关系是非线性的。,光电池的光照特性,光电池的频率特性 光电池的频率特性是指光的调制频率和输出电流之间的关系。图5.55 给出了

13、光的调制频率和输出电流的关系曲线。,光电池的温度特性 光电池的温度特性是指光电池的开路电压和短路电流随温度变化的关系，如图5.56所示。,从图5.56中可以看出，开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而增加的速度却很缓慢。因此，用光电池作为敏感元件时，在自动检测系统设计时就应考虑到温度的漂移，需采取相应的措施进行补偿。,总结,8.3 光电式传感器的类型及应用,一类型 光电式传感器基本上可分为模拟式光电传感器和脉冲 式光电传感器。 二.应用,1. 模拟式光电传感器的应用 模拟式光电传感器的作用原理是基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数。即对于光通量的任意一个选

14、定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数，这类传感器大都用于测量位移、表面粗糙度、振动等参数。,根据被测物、光源、光电器件三者之间的关系，模拟式光电传感器通常有图5.60所示的四种测量方式 ：,(1)吸收式：光源发射的光量穿过被测物。一部分光量由被测物吸收，剩余的光量照射到光电器件上，被吸收的光量与被测物透明度有关，如图5.60(a)所示。典型应用如透明度计、浊度计等。 (2)反射式：光源发射的光量照射到被测物上，被测物将部分光反射到光电器件上，反射的光通量与反射表面的性质、状态和光源间的距离有关，如图5.60(b)所示。典型应用

15、传感器与检测技术如位移、振动测试、工件表面的粗糙度等。 (3)遮光式：光源发射的光量被测物遮去一部分，使作用在光敏器件上的光减弱，减弱程度与被测物在光学通路中的位置有关，如图5.60(c)所示。典型应用如非接触式测位置、工件尺寸测量等。 (4)辐射式：光源本射是被测物，被测物发出的光量投射到光电器件上，光电器件的输出反映了光源的某些参数，如图5.60(d)所示。典型应用如非接触式高温测量、光照度计等,例如，采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路如图5.61所示。,硫化铅光敏电阻的暗电阻为1M，亮电阻为0.2M(光照度0.01W/m2下测试的)，峰值响应波长为2.2m。硫化铅光敏电阻处于V

16、T1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6A。VT1管集电极电阻两端并联68nF电容，可以抑制100Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。VT2、VT3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定地工作。,2. 脉冲式光电传感器的应用,脉冲式光电传感器的作用原理是光电器件的输出仅有两个稳定状态，即“通”与“断”的开关状态，即光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作为继电器和

17、脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度的光电脉冲传感器等。,1)光电式数字转速测量,光电式数字转速表工作原理如图5.62 所示。在被测 转速的电机上固定一个调制盘，将光源发出的恒定光 调制成随时间变化的调制光。光线每照射到光电器件 上一次，光电器件就产生一个电信号脉冲，经放大器 整形后记录。,如果调制盘上开Z个缺口，调制盘每转一周，光电器件接受光的次数等于盘上的开口数。设测量电路计数时间为T(s)，被测转速为N(r/min)，则此时得到的计数值为：C=Z T N/60,为了使读数C能直接读转速N值，一般取ZT=6010n (n=0, 1, 2),2）光敏管的应用,3）光电耦合器,光电耦合器的发光和接