傳感器應用技術學習情境3：測距儀的制作

1、傳感器應用技術學習情境3：測距儀的制作學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作v 1、制作一個測距儀、制作一個測距儀: 測量范圍為測量范圍為0.1 m4.5m 測量精度為測量精度為1cm 測量誤差小于測量誤差小于4cm。v 2、利用數(shù)碼管顯示測量值。、利用數(shù)碼管顯示測量值。學習情境學習情境要求要求學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作學習情境目標學習情境目標知識目標知識目標1、掌握超聲波傳感器的工作原理及應用電路。2、掌握壓電傳感器的工作原理、測量電路和應用。3、了解光電元件的分類以及工作原理。能力目標能力目標1、能利用超聲波傳感器、壓電式傳感器完成相應 參數(shù)的測量。2、能利用簡單的

2、光敏電阻、光敏三極管等元件， 完成光照度的測量和畫出繼電器的控制電路。 素質目標素質目標1、培養(yǎng)耐心細致的工作態(tài)度。2、培養(yǎng)嚴謹扎實的工作作風。3、培養(yǎng)團結協(xié)作的合作能力。 學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作內容導航內容導航知識準備知識準備超聲波傳感器性能測試超聲波傳感器性能測試測距儀電路組裝與調試測距儀電路組裝與調試知識拓展知識拓展1234學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識準備知識準備一超聲檢測的物理基礎一超聲檢測的物理基礎 頻率高于頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領大，能穿透幾

3、米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇集中，因此穿透本領大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，能產生明顯的反到兩種介質的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，能產生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識準備知識準備1超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射 當超聲波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中的當超聲波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中的傳播速度不同，在異質界面上會產生反射、折射和波型轉換等現(xiàn)象

4、。傳播速度不同，在異質界面上會產生反射、折射和波型轉換等現(xiàn)象。圖圖3.2超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射 返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識準備知識準備2超聲波的波型及其轉換超聲波的波型及其轉換 當聲源在介質中的施力方向與波在介質中的傳播方向不同時，聲當聲源在介質中的施力方向與波在介質中的傳播方向不同時，聲波的波型也有所不同。質點振動方向與傳播方向一致的波稱為波的波型也有所不同。質點振動方向與傳播方向一致的波稱為縱波縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播。質點振動方向垂直于傳播方向的波它能在固體、液體和氣體中傳播。質點振動方向垂直于傳播

5、方向的波稱為稱為橫波橫波，它只能在固體中傳播。質點振動介于縱波和橫波之間，沿，它只能在固體中傳播。質點振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S著深度的增加而迅速衰減的波稱為著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波表面波，它只，它只在固體的表面?zhèn)鞑?。在固體的表面?zhèn)鞑ァ?當聲波以某一角度入射到第二介質（固當聲波以某一角度入射到第二介質（固體）的界面上時，除有縱波的反射、折射以體）的界面上時，除有縱波的反射、折射以外，還會發(fā)生橫波的反射和折射，如圖所示。外，還會發(fā)生橫波的反射和折射，如圖所示。在一定條件下，還能產生表面波。各種波型在一定條件下，還能產生表面波。各種波型均符合幾何光學

6、中的反射定律，即均符合幾何光學中的反射定律，即聲波型轉換圖聲波型轉換圖 返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識準備知識準備3聲波的衰減聲波的衰減 聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射和吸收等因素有關。其衰減的程度與聲波的擴散、散射和吸收等因素有關。在平面波的情況下，距離聲源在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓處的聲壓P和聲強和聲強I的衰減規(guī)律如的衰減規(guī)律如下下:返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識準備知識準備 二、超聲波探頭二、超聲波探頭 超聲波探頭是實現(xiàn)

7、聲、電轉換的裝置，又稱超聲換能器或傳感器。這種超聲波探頭是實現(xiàn)聲、電轉換的裝置，又稱超聲換能器或傳感器。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲回波，并轉換成相應的電信號。裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲回波，并轉換成相應的電信號。 超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式和電磁式等數(shù)種，超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式和電磁式等數(shù)種，其中以壓電式為最常用。如圖所示為壓電式探頭結構圖，其核心部分為壓電其中以壓電式為最常用。如圖所示為壓電式探頭結構圖，其核心部分為壓電晶片，利用壓電效應實現(xiàn)聲、電轉換。晶片，利用壓電效應實現(xiàn)聲、電轉換。 壓電式超聲探頭結構圖壓電式超聲探頭結構圖1一壓電片；一壓

8、電片；2一保護膜；一保護膜；3一吸收塊；一吸收塊；4一接線：一接線：5 一導線螺桿；一導線螺桿； 6一絕緣柱；一絕緣柱；7一接觸座一接觸座; 8 一接線片一接線片;9 一壓電片座一壓電片座返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識準備知識準備返回返回各種超聲各種超聲波探頭波探頭學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識準備知識準備三超聲波檢測技術的應用三超聲波檢測技術的應用返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作超聲波傳感器性能測試超聲波傳感器性能測試一測試目的一測試目的 1掌握超聲波測距傳感器學會基本的測試使用方法。掌握超聲波測距傳感器學會基本的測試使用方法。

9、 2了解超聲波傳感器的幅頻特性，確定其此超聲波傳感器的中心頻了解超聲波傳感器的幅頻特性，確定其此超聲波傳感器的中心頻率（或諧振頻率）。率（或諧振頻率）。二元器件二元器件 超聲波傳感器、信號發(fā)生器、示波器，直尺超聲波傳感器、信號發(fā)生器、示波器，直尺返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作超聲波傳感器性能測試超聲波傳感器性能測試三測試步驟三測試步驟 1. 裝置連接裝置連接 （1）調節(jié)信號發(fā)生器輸出方波信號，其峰峰值可在）調節(jié)信號發(fā)生器輸出方波信號，其峰峰值可在2V10V范圍調整，頻范圍調整，頻率可在率可在30K49K范圍內連續(xù)可調整，要求通過示波器確認信號幅度及頻率輸范圍內連續(xù)可調整，

10、要求通過示波器確認信號幅度及頻率輸出情況。出情況。 （2）將方波信號輸出端子接到超聲波傳感器發(fā)射頭的兩個輸入引腳，將示）將方波信號輸出端子接到超聲波傳感器發(fā)射頭的兩個輸入引腳，將示波器的接地端子和信號端子分別連接超聲波傳感器接收頭的兩個輸出引腳。波器的接地端子和信號端子分別連接超聲波傳感器接收頭的兩個輸出引腳。 （3）固定發(fā)射頭與接收頭的間距為）固定發(fā)射頭與接收頭的間距為10cm，并將發(fā)射頭對準接收頭，準備測，并將發(fā)射頭對準接收頭，準備測試接收頭接收到的同頻信號電壓。試接收頭接收到的同頻信號電壓。信號發(fā)生器示波器發(fā)射頭接收頭TR探頭裝置連接圖裝置連接圖返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測

11、距儀的制作超聲波傳感器性能測試超聲波傳感器性能測試2測試超聲波傳感器的幅頻特性測試超聲波傳感器的幅頻特性（1）調節(jié)信號發(fā)生器輸出方波信號的峰峰值為）調節(jié)信號發(fā)生器輸出方波信號的峰峰值為10V，本測試要保證輸出幅，本測試要保證輸出幅度恒定的情況下進行。度恒定的情況下進行。（2）調節(jié)方波信號的頻率，使其在）調節(jié)方波信號的頻率，使其在30K49K范圍內變化，用示波器觀察范圍內變化，用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信號波形，記下的值。請按照實驗用表超聲波接收頭的輸出信號波形，記下的值。請按照實驗用表3.1設置的頻率設置的頻率數(shù)據(jù)要求進行測試，總計測試數(shù)據(jù)要求進行測試，總計測試30對數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)。注意：注

12、意：要求測試每對數(shù)據(jù)時，一定要首先用示波器準確調試信號發(fā)生器要求測試每對數(shù)據(jù)時，一定要首先用示波器準確調試信號發(fā)生器輸出的方波信號后，再驅動發(fā)射頭，測試接收頭產生的同頻信號電壓。輸出的方波信號后，再驅動發(fā)射頭，測試接收頭產生的同頻信號電壓。分析分析30對記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出對記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出f 關系曲線，得出超聲波傳感器幅頻特性關系曲線，得出超聲波傳感器幅頻特性結論。并確定其中心頻率。結論。并確定其中心頻率。返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作超聲波傳感器性能測試超聲波傳感器性能測試 3在中心頻率下測試超聲波傳感器的傳輸特性在中心頻率下測試超聲波傳感器的傳輸特性 （1）調節(jié)信號

13、發(fā)生器輸出方波的頻率為中心頻率，本測試要求保證在中心）調節(jié)信號發(fā)生器輸出方波的頻率為中心頻率，本測試要求保證在中心頻率下進行測定。頻率下進行測定。 （2）調節(jié)方波信號的幅度，使其峰峰值在）調節(jié)方波信號的幅度，使其峰峰值在2V12V范圍內變化，設置輸入范圍內變化，設置輸入不同峰峰值的方波信號來驅動發(fā)射頭，用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信不同峰峰值的方波信號來驅動發(fā)射頭，用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信號波形，記下的值，研究驅動信號幅度變化對超聲波傳感器傳輸特性的影響。號波形，記下的值，研究驅動信號幅度變化對超聲波傳感器傳輸特性的影響。要求在要求在2V12V范圍內按照實驗用表范圍內按照實驗用表3.

14、2設置的設置的 值測試輸出信號值測試輸出信號 值，總計值，總計測試測試20對數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)。 注意：注意：要求測試每對數(shù)據(jù)時，必須先用示波器調試輸出準確幅度、頻率要求測試每對數(shù)據(jù)時，必須先用示波器調試輸出準確幅度、頻率的方波信號后，再驅動發(fā)射頭，進而測試接收頭接收到的同頻信號電壓的的方波信號后，再驅動發(fā)射頭，進而測試接收頭接收到的同頻信號電壓的 。四測試結果四測試結果 1.超聲波發(fā)送傳感器其幅頻特性在諧振頻率超聲波發(fā)送傳感器其幅頻特性在諧振頻率f 0 =1/ 2 附近幾乎保持恒定。附近幾乎保持恒定。 2.超聲波接收傳感器幅頻特性在頻率超聲波接收傳感器幅頻特性在頻率f 0 附近變化很大。附近變化很

15、大。LCPPVinVPPV返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作測距儀電路組裝及調試測距儀電路組裝及調試 返回返回步驟步驟1步驟步驟2步驟步驟3學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作測距儀電路組裝及調試測距儀電路組裝及調試 一確定系統(tǒng)方案一確定系統(tǒng)方案系統(tǒng)分為系統(tǒng)分為4個功能模塊：回波個功能模塊：回波A/D采集模塊，采集模塊， LED顯示和按鍵處理模顯示和按鍵處理模塊，塊，LCD顯示模塊，報警、存儲及串口處理模塊。顯示模塊，報警、存儲及串口處理模塊。系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作二各單元電路搭建二各單元電路搭建LPC2138整體結構圖1

16、 1、LPC2138LPC2138微控制器簡介微控制器簡介測距儀電路組裝及調試測距儀電路組裝及調試 返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作2 2、超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路3 3、超聲波接收電路、超聲波接收電路超聲波發(fā)射電路是超聲波發(fā)射器超聲波發(fā)射電路是超聲波發(fā)射器T和和PWM產生的產生的40 kHz頻率信號、驅動頻率信號、驅動(或或激勵激勵)電路等組成。該系統(tǒng)設計采用電路等組成。該系統(tǒng)設計采用ARM中的中的PWM模塊產生高精度的模塊產生高精度的40 kHz的頻的頻率信號，然后通過率信號，然后通過74HC00等組成的驅動等組成的驅動電路，最后將發(fā)射信號送到超聲波發(fā)射電路，最后將

17、發(fā)射信號送到超聲波發(fā)射器器T。測距儀電路組裝及調試測距儀電路組裝及調試 返回返回 超聲波接收電路由以超聲波接收電路由以MC3403為核心為核心的三級濾波放大電路和二極管的倍壓穩(wěn)的三級濾波放大電路和二極管的倍壓穩(wěn)流電路等組成。處理好的回波信號被送流電路等組成。處理好的回波信號被送到到ARM的的AD轉換模塊進行轉換模塊進行AD采樣，采樣，從而觸發(fā)得到返回的時間。從而觸發(fā)得到返回的時間。 學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作深圳博寶公司下廠鍛煉深圳博寶公司下廠鍛煉 測距儀電路組裝及調試測距儀電路組裝及調試 4. 顯示電路顯示電路超聲波測距儀超聲波測距儀450.00CM當前距離：當前距離：返回

18、返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作三三. .系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試測距儀電路組裝及調試測距儀電路組裝及調試 測試數(shù)據(jù)對比表測試數(shù)據(jù)對比表返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識拓展知識拓展返回返回壓電傳感器壓電傳感器拓展內容拓展內容光電傳感器光電傳感器學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作一、壓電傳感器一、壓電傳感器 某些電介質在沿一定方向上受到某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內部會產生極外力的作用而變形時，內部會產生極化現(xiàn)象，同時在其化現(xiàn)象，同時在其表面上產生電荷；表面上產生電荷；當外力去掉后，又重新回到不帶電的當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀

19、態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。效應。1.壓電材料壓電材料 壓電晶體壓電晶體 壓電陶瓷壓電陶瓷 高分子壓電材料高分子壓電材料知識拓展知識拓展返回返回部分壓電陶瓷的外形部分壓電陶瓷的外形高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作 2.壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 （1）壓電元件的等效電路）壓電元件的等效電路 壓電元件的等效電路電容器上的電壓壓電元件的等效電路電容器上的電壓 uo、電荷、電荷Q與電容與電容Ca三者之三者之間的關系為間的關系為 : aCQu0知

20、識拓展知識拓展返回返回壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)法壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)法學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作（2）壓電式傳感器的等效電路）壓電式傳感器的等效電路 在壓電式傳感器正常工作時，如果把它與測量儀表連在一起，必定與在壓電式傳感器正常工作時，如果把它與測量儀表連在一起，必定與測量電路相連接。因此必須考慮連接電纜電容測量電路相連接。因此必須考慮連接電纜電容Cc、放大器的輸入電阻、放大器的輸入電阻Ri和和輸入電容輸入電容Ci等因素的影響。壓電傳感器與二次儀表連接的實際等效電路如等因素的影響。壓電傳感器與二次儀表連接的實際等效電路如圖所示。圖所示。知識拓

21、展知識拓展返回返回壓電式傳感器的實際等效電路壓電式傳感器的實際等效電路學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作（3）壓電式傳感器的測量電路）壓電式傳感器的測量電路 壓電傳感器的內阻抗很高，而輸出信號卻很微弱，這就要求負載電阻壓電傳感器的內阻抗很高，而輸出信號卻很微弱，這就要求負載電阻RL很大時，才能使測量誤差減小到一定范圍。因此常在壓電式傳感器輸出端后很大時，才能使測量誤差減小到一定范圍。因此常在壓電式傳感器輸出端后面先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其他電面先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其他電路。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是

22、電荷信號，所以前置放大路。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，所以前置放大器也有兩種形式，即電壓放大器和電荷放大器。器也有兩種形式，即電壓放大器和電荷放大器。 實用中多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器，這里重點以電荷放大器為例加以實用中多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器，這里重點以電荷放大器為例加以說明。說明。知識拓展知識拓展返回返回電荷放大等效電路電荷放大等效電路學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作 電荷放大器的輸出電壓電荷放大器的輸出電壓u0僅與輸入電荷和反饋電容有關，與電纜電僅與輸入電荷和反饋電容有關，與電纜電容容Cc無關，也就是說與電纜的長度等因素的影響很小，這是電荷放大無關，也

23、就是說與電纜的長度等因素的影響很小，這是電荷放大器的最大特點。內部包括電荷放大器的便攜式測振儀，外形如圖所示。器的最大特點。內部包括電荷放大器的便攜式測振儀，外形如圖所示。 1一量程選擇開關；2一壓電傳感器輸入信號插座；3一多路選擇開關；4一帶寬選擇開關； 5一帶背光點陣液晶顯示器；6一電池盒；7一可變角度支架便攜式測振儀外形知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作1905年德國年德國物理學家愛因斯物理學家愛因斯坦用光量子學說坦用光量子學說解釋了光電發(fā)射解釋了光電發(fā)射效應，并為此而效應，并為此而獲得獲得1921年諾貝年諾貝爾物理學獎。爾物理學獎。二、光電傳感器二、光

24、電傳感器知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作用光照射某一物體，可用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量以看作物體受到一連串能量為為hf 的光子的轟擊，組成這的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現(xiàn)象發(fā)生相應電效應的物理現(xiàn)象稱為稱為光電效應光電效應。外光電效應：在光線的外光電效應：在光線的作用下能使電子逸出物體表作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應，面的現(xiàn)象稱為外光電效應，基于外光電效應的光電元件基于外光電效應的光電元件有紫外光電管、光電倍增管有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等、光電攝像管等。

25、知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作 當入射紫外線當入射紫外線照射在紫外管陰極照射在紫外管陰極板上時，電子克服板上時，電子克服金屬表面對它的束金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測線測量、火焰監(jiān)測等。等。 光電管光電管1.光電器件光電器件紫外線紫外線知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識拓展知識拓展 當光照射在陰極上時，陰極發(fā)射出光電子，被具有一定電位當光照射在陰極上時，陰極發(fā)射出光電子，被具有一定電位的中央陽極所吸引，在光電管內形成空間電

26、子流。在外電場作用的中央陽極所吸引，在光電管內形成空間電子流。在外電場作用下將形成電流下將形成電流I，稱為光電流。光電流的大小與光電子數(shù)成正比，稱為光電流。光電流的大小與光電子數(shù)成正比，而光電子數(shù)又與光照度成正比。而光電子數(shù)又與光照度成正比。 光電管的結構圖、原理圖光電管的結構圖、原理圖（1）光電管工作原理）光電管工作原理返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識拓展知識拓展 在一定的光照下，對光電管陰極所加的電壓與陽極所產生的電在一定的光照下，對光電管陰極所加的電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。流之間的關系稱為光電管的伏安特性。 （2）光電管特性）光電管特性

27、 伏安特性伏安特性光電管的伏安特性光電管的伏安特性返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識拓展知識拓展 當光電管的陰極與陽極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關系當光電管的陰極與陽極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關系稱為光照特性，如圖所示。其中，曲線稱為光照特性，如圖所示。其中，曲線1是氧艷陰極光電管的光照特性，光電流是氧艷陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量呈線性關系；曲線與光通量呈線性關系；曲線2是銻艷陰極光電管的光照特性，呈非線性關系。是銻艷陰極光電管的光照特性，呈非線性關系。 光照特性光照特性光電管的光照特性光電管的光照特性 光譜特性光譜特性 光電管的

28、光譜特性通常指陽極與陰極之間所加電壓不變時，入射光的波長光電管的光譜特性通常指陽極與陰極之間所加電壓不變時，入射光的波長（或頻率）與其相對靈敏度之間的關系。它主要取決于陰極材料。陰極材料不同（或頻率）與其相對靈敏度之間的關系。它主要取決于陰極材料。陰極材料不同的光電管適用于不同的光譜范圍。的光電管適用于不同的光譜范圍。返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作光敏電阻光敏電阻當光敏電阻受到光照時，當光敏電阻受到光照時， 阻值減小。阻值減小。知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作當光敏電阻當光敏電阻受到光照時，受到光照時，光光生電子生電子空穴對空穴對增加，

29、增加，阻值減小阻值減小，電流增大。，電流增大。（1 1）光敏電阻工作原理演示）光敏電阻工作原理演示 暗電流（越小越好）暗電流（越小越好）知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識拓展知識拓展（2）光敏電阻的特性）光敏電阻的特性 光電流光電流 光敏電阻在室溫或全暗條件下測得的阻值稱為暗電阻（暗阻），通常超光敏電阻在室溫或全暗條件下測得的阻值稱為暗電阻（暗阻），通常超過過1 M,此時流過光敏電阻的電流稱為暗電流。光敏電阻在受光照射時的阻此時流過光敏電阻的電流稱為暗電流。光敏電阻在受光照射時的阻值稱為亮電阻（亮阻），一般幾千歐以下，此時流過光敏電阻的電流稱為亮值稱為亮電

30、阻（亮阻），一般幾千歐以下，此時流過光敏電阻的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。 光照特性光照特性 在一定外加電壓下，光敏電阻的在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量的關系曲線，稱為光電流與光通量的關系曲線，稱為光敏電阻的光照特性，如圖所示。光敏電阻的光照特性，如圖所示。光通量是光源在單位時間內發(fā)出的光通量是光源在單位時間內發(fā)出的光量總和，單位是流明光量總和，單位是流明(Im)。光敏電阻的光照特性曲線光敏電阻的光照特性曲線返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識拓展知識拓展 光電特性光電特性 在光敏電阻兩極電壓固定不變時，光照

31、度與電阻及電流間的關系稱為光電特性，如圖所在光敏電阻兩極電壓固定不變時，光照度與電阻及電流間的關系稱為光電特性，如圖所示。不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但多數(shù)情況下曲線是非線性的，所以光敏電阻示。不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但多數(shù)情況下曲線是非線性的，所以光敏電阻不宜作定量檢測元件，而常在自動控制中用做光電開關。不宜作定量檢測元件，而常在自動控制中用做光電開關。 時延特性時延特性 當光敏電阻受到光照射時，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，而在停止光照后，當光敏電阻受到光照射時，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，而在停止光照后，光電流也經過一定時間恢復暗電流值，這是光敏電阻的時延特

32、性。不同光敏電阻的時延特光電流也經過一定時間恢復暗電流值，這是光敏電阻的時延特性。不同光敏電阻的時延特性不同，因此它們的頻率特性也不同。由于光敏電阻的時延比較大性不同，因此它們的頻率特性也不同。由于光敏電阻的時延比較大所以它不能在要求快所以它不能在要求快速響應的場合。速響應的場合。某型號光敏電阻的光電特性某型號光敏電阻的光電特性返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作 將光敏二極管的將光敏二極管的PN 結設結設置在透明管殼頂部的正下方置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的，光照射到光敏二極管的PN結時，電子結時，電子-空穴對數(shù)量增加空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。，光電

33、流與照度成正比。 光敏二極管光敏二極管知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作光敏二極管外形光敏二極管外形 知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作光敏三極管也是基于內光電效應光敏三極管也是基于內光電效應制成的光敏元件。光敏三極管結構與制成的光敏元件。光敏三極管結構與一般三極管不同，通常只有兩個一般三極管不同，通常只有兩個PN結，但只有正負（結，但只有正負（C、 E）兩個引腳）兩個引腳。它的外形與光敏二極管相似，從外。它的外形與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。觀上很難區(qū)別。光敏三極管光敏三極管知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3

34、測距儀的制作測距儀的制作a) 內部組成內部組成 b)管芯結構管芯結構 c）結構簡化圖結構簡化圖 1集電極引腳集電極引腳 2管芯管芯 3外殼外殼 4玻璃聚光鏡玻璃聚光鏡 5發(fā)射極引腳發(fā)射極引腳 6N+ 襯底襯底 7N型集電區(qū)型集電區(qū) 8SiO2保護圈保護圈 9集電結集電結 10P型基區(qū)型基區(qū) 11N型發(fā)射區(qū)型發(fā)射區(qū) 12發(fā)射結發(fā)射結 光敏三極管內部結構光敏三極管內部結構 知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作知識拓展知識拓展光譜特性光譜特性 ：光敏三極管對于不同波長的入射光，其相對靈敏度光敏三極管對于不同波長的入射光，其相對靈敏度Kr是不同的。是不同的。 伏安特性：

35、伏安特性：光敏三極管在不同照度光敏三極管在不同照度Ee下的伏安特性與一般三極管在不同的基極電下的伏安特性與一般三極管在不同的基極電流時的輸出特性一樣，只要將入射光在發(fā)射極與基極之間的流時的輸出特性一樣，只要將入射光在發(fā)射極與基極之間的PN結附近所產生的光結附近所產生的光電流看做基極電流，就可將光敏三極管看做是一般的三極管。電流看做基極電流，就可將光敏三極管看做是一般的三極管。 光電特性：光電特性：如圖如圖3.36所示為光敏晶體管的光電特性曲線，其輸出電流所示為光敏晶體管的光電特性曲線，其輸出電流I與照度與照度E之之間的關系可近似看做是線性關系。顯然，光敏三極管的靈敏度高于光敏二極管。間的關系可

36、近似看做是線性關系。顯然，光敏三極管的靈敏度高于光敏二極管。 光敏三極管的光譜特性曲線圖光敏三極管的光譜特性曲線圖 光敏晶體管的光電特性曲線光敏晶體管的光電特性曲線 返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作（1 1）光電池的工作原理）光電池的工作原理在在N型襯底上制造一薄層型襯底上制造一薄層P型層作為光型層作為光照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射光子的能量足夠大時，射光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個型區(qū)每吸收一個光子就產生一對光生電子光子就產生一對光生電子空穴對，空穴對， 光生光生電子電子空穴對的的擴散運動使電子通過漂空穴對的的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到移運動被拉到N型區(qū)，空穴留在型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以區(qū)，所以N區(qū)帶負電，區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經短暫的時間，的，經短暫的時間，PN結兩側就有一個穩(wěn)結兩側就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。定的光生電動勢輸出。光電池光電池知識拓展知識拓展返回返回學習情境學習情境3 測距儀的制作測距儀的制作能提供較大電流的大面積能提供較大電流