光電傳感器Ⅰ

1、第七章 光電傳感器課題：光電傳感器的原理及應(yīng)用課時(shí)安排：2課次編號(hào)：14教材分析難點(diǎn)：光電元件的應(yīng)用電路重點(diǎn)：光電傳感器的應(yīng)用教學(xué)目的和要求1、了解光電元件的分類(lèi)以及工作原理；2、掌握光電元件的應(yīng)用電路；3、了解光電池的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路及計(jì)算；4、掌握光電傳感器的應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟：講授、課堂互動(dòng)、分析教具：各種光電元件、光電傳感器各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容演示：做以下的演示：將光敏電阻接到萬(wàn)用表的電阻量程，測(cè)量在有光照和沒(méi)有光照情況下的的電阻值。可以看到：隨著光的照度的增加，光敏電阻的阻值從幾個(gè)M逐漸減小。在強(qiáng)光照的情況下，大約可減小到幾個(gè)k。從以上演示，引入第一節(jié)光電效應(yīng)、光電元件，以及

2、它們的工作原理。第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件講述光的物理基礎(chǔ)，以及三種光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為三類(lèi)：（1）外光電效應(yīng)：在光線(xiàn)的作用下能使電子逸出物體表面的光電效應(yīng)。基于外光電效應(yīng)的光電元件：光電管、光電倍增管、光電攝像管等（玻璃真空管元件）。 （2）內(nèi)光電效應(yīng)：在光線(xiàn)的作用下能使物體的電阻率改變的光電效應(yīng)基于內(nèi)光電效應(yīng)光電元件：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。（3）光生伏特效應(yīng)：在光線(xiàn)的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的光電效應(yīng)?；诠馍?/p>

3、伏特效應(yīng)的光電元件：光電池等。 一、簡(jiǎn)單介紹光電管（掌握應(yīng)用領(lǐng)域）由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光電陰極對(duì)不同頻率的入射光有不同的靈敏度，人們可以根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是可見(jiàn)光或紫外光而選擇不同陰極材料的光電管。光電管的圖形符號(hào)及測(cè)量電路如圖10-2所示。目前紫外光電管在工業(yè)檢測(cè)中多用于紫外線(xiàn)測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等，可見(jiàn)光較難引起光電子的發(fā)射。 二、基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件 （一）光敏電阻（掌握特性參數(shù)和應(yīng)用） 1工作原理光照愈強(qiáng)，光生電子-空穴對(duì)就越多，阻值就愈低。2光敏電阻的特性和參數(shù) （1）暗電阻 置于室溫、全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱(chēng)為暗電阻，通常大于1M。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電

4、阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點(diǎn)。（2）光電特性 在光敏電阻兩極電壓固定不變時(shí)，光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱(chēng)為光電特性。某型號(hào)光敏電阻的光電特性如圖10-4所示。從圖中可以得出的結(jié)論：當(dāng)光照大于100lx時(shí)，它的光電特性非線(xiàn)性就十分嚴(yán)重了。照度定義：E=d/dA，所以1 lx=1 lm/m2。照度是光源照射在被照物體單位面積上的光通量。光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量總和。光通量單位：流明（lm）照度單位：勒克斯（lux）不同功率白熾燈和不同顆數(shù)LED燈及節(jié)能燈在不同距離的照度性能試驗(yàn)參數(shù)，單位為lx距離白熾燈40W白熾燈60W白熾燈100WLED180顆LED72顆節(jié)

5、能燈26W0.5m6108151542215573511821.0m1241853345891752721.5m6496179247831292.0m446512214851942.5m2946871013264解釋日常生活中的照度大?。?50lx是教育部門(mén)要求所有學(xué)校課堂桌面所必須達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)照度。用照度計(jì)測(cè)量：距離為2m時(shí)，15W白熾燈的照度為50lx；節(jié)能臺(tái)燈的照度為2000lx；陰天靠窗的照度為2000lx；太陽(yáng)光直接照射的照度為1000040000lx。提問(wèn)：光敏電阻光電特性為線(xiàn)性？非線(xiàn)性？能否用于光的精密測(cè)量？（只能用于定性地判斷有無(wú)光照）。價(jià)廉，雖然準(zhǔn)確度不高，但可用于照相機(jī)的測(cè)光

6、以及控制閃光燈。圖10-4 某型號(hào)光敏電阻的光電特性a）光照/電阻特性 b）光照/電流特性（3）響應(yīng)時(shí)間 光敏電阻的時(shí)延特性，上升響應(yīng)時(shí)間和下降響應(yīng)時(shí)間：102103s，提問(wèn)：光敏電阻能否用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合？（二）光敏二極管、光敏三極管1光敏二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理：光照在PN結(jié)。分析光敏二極管的基本電路結(jié)論：在電路中處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光照射在光敏二極管的PN結(jié)（又稱(chēng)耗盡層）上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。光敏二極管在應(yīng)用電路中為什么必須反向偏置？（否則流過(guò)它的電流就與普通二極管的正向電流一樣，不受入射光的控制）圖10-6 光敏二極

7、管的反向偏置接法2光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理解釋與光敏二極管的區(qū)別，與普通三極管的區(qū)別。光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，但只有正負(fù)（C、E）兩個(gè)引腳，其外形與光敏二極管相似，從外觀(guān)上很難區(qū)別。光線(xiàn)通過(guò)透明窗口落在基區(qū)及集電結(jié)上。光敏三極管比二極管的靈敏度高倍。圖10-8 光敏三極管圖形符號(hào)a）光敏三極管圖形符號(hào) b）光敏達(dá)林頓三極管圖形符號(hào)分析光敏三極管的頻率特性為什么比二極管差、暗電流大。光敏晶閘管的導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有可高達(dá)數(shù)百伏，輸出功率大。主要用途：用于光控開(kāi)關(guān)電路及光耦中。（三）光敏晶體管的基本特性（1）光譜特性 看圖，結(jié)論：不同材料的光敏晶體管對(duì)不同波長(zhǎng)的入射，其相對(duì)靈敏度

8、Kr不同。圖10-9 光敏晶體管的光譜特性1常規(guī)工藝硅光敏晶體管的光譜特性 2濾光玻璃引起的光譜特性紫偏移3濾光玻璃引起的光譜特性紅偏移顏色傳感器：能輸出紅、綠、藍(lán)三色信號(hào)。計(jì)算機(jī)根據(jù)三色信號(hào)的比例，可以判斷被測(cè)物的顏色。（2）伏安特性（簡(jiǎn)介）（3）光電特性 結(jié)論：光電流I與光照度成線(xiàn)性關(guān)系。研究：光電特性曲線(xiàn)斜率與靈敏度的關(guān)系。圖10-11 某系列光敏晶體管的光電特性1光敏二極管光電特性 2光敏三極管光電特性提問(wèn)：曲線(xiàn)1、2哪一個(gè)為光敏二極管？為什么？求：光照度為30lx時(shí)，光敏二極管的光電流為多少A？（4）溫度特性 溫度對(duì)暗電流的影響；光敏三極管的溫漂與光敏二極管比較；在高準(zhǔn)確度測(cè)量中選用

9、硅光敏二極管的必要性如何提高檢測(cè)靈敏度：采用低溫漂、高準(zhǔn)確度的運(yùn)算放大器。（5）響應(yīng)時(shí)間 工業(yè)級(jí)硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間：10_710_5s左右，光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間與光敏二極管比較。光敏二極管頻率特性：當(dāng)光脈沖的重復(fù)頻率提高時(shí)，由于光敏二極管的PN結(jié)電容需要一定的充放電時(shí)間，所以它的輸出電流的變化無(wú)法立即跟上光脈沖的變化，輸出波形產(chǎn)生失真。截止頻率、tr上升時(shí)間，tf下降時(shí)間：當(dāng)光敏二極管的輸出電流或電壓脈沖幅度減小到低頻時(shí)的1/時(shí)，失真十分嚴(yán)重，該光脈沖的調(diào)制頻率就是光敏二極管的最高工作頻率fH，又稱(chēng)截止頻率。光敏三極管的tr上升時(shí)間，tf下降時(shí)間與光敏二極管的比較。圖10-12 某型號(hào)光敏

10、二極管頻率特性a）輸入調(diào)制光脈沖 b）光敏二極管脈沖響應(yīng)提問(wèn)：當(dāng)某光敏二極管的trtf1s時(shí)，截止頻率不可能大于多少kHz？三、基于光生伏特效應(yīng)的光電元件光電池人造衛(wèi)星上的太陽(yáng)能光電池板。光電池是一種自發(fā)電型的光電傳感器（一）結(jié)構(gòu)及工作原理與光敏二極管的區(qū)別在大面積的N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子-空穴對(duì)，PN結(jié)又稱(chēng)空間電荷區(qū)，它的內(nèi)電場(chǎng)（N區(qū)帶正電、P區(qū)帶負(fù)電）使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子空穴對(duì)分離，電子通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。（二）光電

11、池的基本特性（1）光譜特性 提問(wèn)：硅光電池的靈敏度峰值波長(zhǎng)為多少m？（2）光電特性 曲線(xiàn)1：光電池負(fù)載開(kāi)路時(shí)的“開(kāi)路電壓”Uo的特性曲線(xiàn)；曲線(xiàn)2：負(fù)載短路時(shí)的“短路電流”I的特性曲線(xiàn)。提問(wèn)開(kāi)路電壓Uo與光照度的關(guān)系呈何種關(guān)系？（對(duì)數(shù)/指數(shù)/線(xiàn)性），在多數(shù)lx以上就趨于飽和？。當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，光電流在很大范圍內(nèi)與照度成線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)希望光電池的輸出與光照度成正比時(shí)，應(yīng)把光電池作為電流源來(lái)使用；當(dāng)被測(cè)非電量是開(kāi)關(guān)量時(shí)，可以把光電池作為電壓源來(lái)使用。提問(wèn)：如果要得到1.5V的輸出電壓，提供給液晶計(jì)算器使用，必須將幾塊光電池串聯(lián)/并聯(lián)起來(lái)？圖10-15 某系列硅光電池的光電特性1開(kāi)路電壓曲線(xiàn) 2短路電流曲

12、線(xiàn)（3）光電池的溫度特性 （略）（4）頻率特性 硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，頻率響應(yīng)就越高。第二節(jié) 光電元件的基本應(yīng)用電路1光敏電阻基本應(yīng)用電路分析圖10-17a中，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻R很大，I在RL上的壓降Uo很小。隨著入射光增大，R減小，Uo隨之增大。圖10-17b的情況恰好與圖17-a相反，入射光增大，Uo反而減小。圖10-17 光敏電阻基本應(yīng)用電路a）Uo與光照變化趨勢(shì)相同的電路 b）Uo與光照變化趨勢(shì)相反的電路2光敏二極管應(yīng)用電路利用反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。圖10-18 光敏二極管的一種應(yīng)用電路請(qǐng)學(xué)生逐步分析：強(qiáng)光照時(shí)，Uo為何電平？ 3光敏

13、三極管應(yīng)用電路光敏三極管在電路中：集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。與普通三極管工作在放大區(qū)時(shí)條件？圖10-19 光敏三極管的兩種常用電路a）射極輸出電路 b）集電極輸出電路表10-3 輸出狀態(tài)比較電路型式無(wú)光照時(shí)強(qiáng)光照時(shí)三極管狀態(tài)ICUo三極管狀態(tài)ICUo射極輸出截止00（低電平）飽和（VCC-0.）/RLVCC-UCES(高電平)集電極輸出截止0VCC（高電平）飽和（VCC-0.）/RLUCES(0.3V，低電平)分析表10-3：射極輸出電路的輸出電壓變化與光照的變化趨勢(shì)相同，而集電極輸出恰好相反。例10-1 是利用光敏三極管來(lái)達(dá)到強(qiáng)光照時(shí)繼電器吸合的光控繼電器電路如圖10-20，請(qǐng)分析工作過(guò)程。解

14、 當(dāng)無(wú)光照時(shí)，V1截止，IB=0，V2也截止，繼電器KA處于失電（釋放）狀態(tài)。當(dāng)有強(qiáng)光照時(shí)，V1產(chǎn)生較大的光電流I，I一部分流過(guò)下偏流電阻RB2（起穩(wěn)定工作點(diǎn)作用），另一部分流經(jīng)RB1及V2的發(fā)射結(jié)。當(dāng)IB>IBS（IBS=ICS/）時(shí)，V2也飽和，產(chǎn)生較大的集電極飽和電流ICS，ICS=（VCC0.3V）/RKA，因此繼電器得電并吸合。如果將V1與RB2位置上下對(duì)調(diào)，其結(jié)果相反，請(qǐng)讀者自行分析。圖10-20 光控繼電器電路4光電池的應(yīng)用電路（略）第三節(jié) 光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的最大特點(diǎn)：非接觸式測(cè)量。1）光源本身是被測(cè)物，被測(cè)物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某

15、些物理參數(shù)，如圖10-22a所示。典型的例子有光電高溫比色溫度計(jì)、光照度計(jì)、照相機(jī)曝光量控制等。2）恒光源發(fā)射的光通量穿過(guò)被測(cè)物，一部分由被測(cè)物吸收，剩余部分投射到光電元件上，吸收量決定于被測(cè)物的某些參數(shù)，如圖10-22b所示，典型例子如透明度計(jì)、濁度計(jì)等。3）恒光源發(fā)出的光通量投射到被測(cè)物上，然后從被測(cè)物表面反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的某些參數(shù)，如圖10-22c所示。典型的例子如用反射式光電法測(cè)轉(zhuǎn)速、測(cè)量工件表面粗糙度、紙張的白度等。4）恒光源發(fā)出的光通量在到達(dá)光電元件的途中遇到被測(cè)物，照射到光電元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的尺寸，如圖10-22

16、d所示。典型的例子如振動(dòng)測(cè)量、工件尺寸測(cè)量等。圖10-22 光電傳感器的幾種形式a）被測(cè)物是光源 b）被測(cè)物吸收光通量c）被測(cè)物是有反射能力的表面 d）被測(cè)物遮蔽光通量1被測(cè)物 2光電元件 3恒光源、光源本身是被測(cè)物的應(yīng)用實(shí)例1紅外線(xiàn)輻射溫度 輻射溫度計(jì)可分為高溫輻射溫度計(jì)、高溫比色溫度計(jì)、紅外輻射溫度計(jì)等。2熱釋電傳感器在人體檢測(cè)、報(bào)警中的應(yīng)用演示將熱釋電傳感器放置于講臺(tái)，接通電源開(kāi)關(guān)。在學(xué)生晃動(dòng)身體時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲響。不動(dòng)時(shí)，無(wú)反應(yīng)。解釋菲涅爾透鏡在防干擾中的用途。二、被測(cè)物吸收光通量的應(yīng)用實(shí)例光電式濁度圖10-26 光電式濁度計(jì)原理圖1恒流源 2半導(dǎo)體激光器 3半反半透鏡 4反射鏡 5被測(cè)

17、水樣6、9光電池 7、10電流/電壓轉(zhuǎn)換器 8標(biāo)準(zhǔn)水樣分析工作過(guò)程，提問(wèn);Uo1/Uo2值的范圍是多少？采用參比通道的好處：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)：光電池靈敏度降低，Uo1、Uo2同時(shí)下降。由于兩個(gè)通道的結(jié)構(gòu)完全一樣，所以在最后運(yùn)算Uo1/Uo2值時(shí)，上述誤差可自動(dòng)抵消，減小了測(cè)量誤差。復(fù)習(xí)差動(dòng)的概念：P62，圖33；P99，圖54。將上述裝置略加改動(dòng)，還可以制成什么儀器：光電比色計(jì)，用于血色素測(cè)量、化學(xué)分析等。三、被測(cè)物體反射光通量的應(yīng)用實(shí)例1反射式煙霧報(bào)警器判斷火災(zāi)發(fā)生時(shí)伴隨時(shí)的有光和熱的化學(xué)反應(yīng)：（1）產(chǎn)生熱量，使環(huán)境溫度升高：熱敏電阻；（2）產(chǎn)生可燃性氣體：氣敏電阻；（3）產(chǎn)生煙霧：煙霧報(bào)警

18、器；（4）產(chǎn)生火焰：輻射出紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)：紫外線(xiàn)報(bào)警器。分析：在火災(zāi)報(bào)警中，為什么不能測(cè)量單憑紅外線(xiàn)增大，判斷火災(zāi)？取暖設(shè)備、電燈、太陽(yáng)光線(xiàn)都包含有紅外線(xiàn)或可見(jiàn)光。紫外線(xiàn)的判斷：利用本章第一節(jié)介紹過(guò)的紫外線(xiàn)管（外光電效應(yīng)型）、也可以用某些專(zhuān)用的半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)型紫外線(xiàn)傳感器，能夠有效地監(jiān)測(cè)火焰發(fā)出的紫外線(xiàn)，但應(yīng)避開(kāi)太陽(yáng)光的照射，以免引起誤動(dòng)作。分析遮光型和反光型光電反射型煙霧傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。為什么要采用反光型光電反射型煙霧傳感器？反光型光電反射型煙霧傳感器的輸出本底?。〗?jīng)過(guò)放大，可以得到脈沖信號(hào)。為什么反光型光電反射型煙霧傳感器中的LED的激勵(lì)電流要采用脈沖調(diào)制？解釋調(diào)制的概念！在反射式煙霧報(bào)警器