光电式传感器 教案

1、课题项目：光电式传感器 任务一：传感器技术指标课程名称传感器基础知识授课类型新授班级日期课时教学目标知识目标：掌握光听音器的安装与调试，了解光电式传感器的应用能力目标：能安装与调试光听音器情感目标：认识光电式传感器教学重点光电式传感器安装与调试教学难点光电式传感器的光电效应教学方法讲述法，实践操作法；练习法课前准备光电二极管，观点三极管，微安机，万用表教学后记及改进措施一、 光电式传感器1、光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 光电式传感器具有非接触

2、、高精度、高分辨率、高可靠性、反映快等特点，使其在检测和控制领域获得了广泛的应用。光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检 测方式将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光

3、电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。光光源光电电光通路光电器件信号处理被测量被测量输出二、光的基本性质1、牛顿微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波2、 光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性三、光电效应定义：对不同频率的光，其光子能量E=h是不相同的，光

4、波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串能量为h的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现象称为光电效应。v 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 1外光电效应在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。我们知道，光子

5、是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定： 普朗克常数，6.62610 （Js）；光的频率（s ）。若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量h必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即 式中：m电子质量；v0电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。 光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同物体具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。当入射光的频谱成分不变时，

6、产生的光电流与光强成正比。光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生2内光电效应受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去。 从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电

7、导材料的禁带宽度Eg，即3、光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。 势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。 光电器件：一、光敏电阻：1光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管，是内光电效应器件，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为CDS。 光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗

8、电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。2.结构 光敏电阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底衬上覆一层光电半导体材料（金属硫化物、硒化物和锑化物）。 目前生产的光敏电阻主要是硫化镉。(a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳

9、状，提高了光敏电阻的灵敏度。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定 2光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流3光敏电阻的基本特性（1） 伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲 线为直线，说明其阻值与 入射光量有关，而与电压、电流无关。

10、 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。（2）光照特性指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。 （3）光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。即光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。硫化镉光敏电阻的光谱响

11、应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区， 常用做火焰探测器的探头。（4）响应时间和频率特性光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。时间常数为光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。时间常数越小，响应越迅速。对应着不同材料的频率特性。（5）温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻。温度系数: 在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均变化率 光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点