光電池光電阻

1、 光電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件，它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。 光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，而且有較高的可靠性，因此在自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。 光電檢測(cè)方法具有精度高、反映快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此在檢測(cè)和控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。 光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 hEh普朗克常數(shù)v光波頻率 對(duì)不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看做是一連串能量為E的光子

2、轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，我們把這種物體材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。（1）外光電效應(yīng)：在光線作用下能使電子逸出物體表面的稱為外光電效應(yīng)。基于該效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。（2）內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下能使物體電阻率改變的稱為內(nèi)光電效應(yīng)，又稱光電導(dǎo)效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏晶體管等。（3）半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的稱為半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光

3、電池等。 光譜特性：光敏元件上加上一定的電壓，這時(shí)如有一單色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光電流會(huì)隨入射光波長(zhǎng)的不同而變化。 伏安特性：在一定照度下，光電流I與光敏元件兩端電壓V的對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為伏安特性。伏安特性可以幫助我們確定光敏元件的負(fù)載電阻，設(shè)計(jì)應(yīng)用電路。 響應(yīng)時(shí)間：不同光敏器件的響應(yīng)時(shí)間有所不同。光敏電阻較慢，約為（10-110-3）s，一般不能用于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為（10-510-7）s左右，光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間比二極管約慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，在要求快速響應(yīng)或入射光、調(diào)制光頻率較高時(shí)應(yīng)選用硅光敏二極管。圖 光電管的結(jié)構(gòu)（1）光電管a. 光電管的結(jié)構(gòu)

4、： 光電管由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并密封在一支真空玻璃管內(nèi)。光電管的特性主要取決于光電管陰極材料。 光電管正常工作時(shí)，陽(yáng)極電位高于陰極，在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。 電流和電阻R0上的電壓降就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，即：U=F（）c. 光電管的性質(zhì) 適用于不同的光譜范圍。 同一種光電管對(duì)不同頻率的入射光靈敏度并不相同。光電倍增管基本電路 光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。多用于微光測(cè)量。 光電管接上工作電壓后，在沒有光照的

5、情況下陽(yáng)極仍會(huì)有個(gè)很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。 暗電流的存在決定了光電管可測(cè)量光信號(hào)的最小值，所以要求其暗電流小并且穩(wěn)定。b. 光照特性1、能量轉(zhuǎn)換關(guān)系： 光能轉(zhuǎn)換為電能，電路中有了這種器件就不需要外加電源。2、原理：4、優(yōu)點(diǎn)： 性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射、價(jià)格便宜等。5.4.2 5.4.2 基本特性基本特性1光譜特性 光電池的相對(duì)靈敏度Kr與入射光波長(zhǎng)l之間的關(guān)系稱為光譜特性。圖 光電池的光譜特性曲線 圖 硅光電池的光照特性曲線 光生電動(dòng)勢(shì)U與照度Ee之間的特性曲線稱為開路電壓曲線；光電流密度Je與照度Ee之間的特性曲線稱為短路電流曲線。如上圖所示為硅

6、光電池的光照特性曲線。圖 光電池的頻率特性 光電池的頻率特性是光的調(diào)制頻率f與光電池的相對(duì)輸出電流Ir（相對(duì)輸出電流=高頻輸出電流/低頻最大輸出電流）之間的關(guān)系曲線。 圖 光電池的溫度特性 5、穩(wěn)定性硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。 光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制做，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)。因此，光敏電阻又稱光導(dǎo)管。1、工作原理u 光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。u 靈敏度高。u 光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí)，亮電阻在幾千歐以下。2、光敏電阻的結(jié)構(gòu)l 暗電阻和暗電流：光敏電阻在室溫和全暗條件

7、下，經(jīng)過一定時(shí)間測(cè)得的穩(wěn)定電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)流過的電流，稱為暗電流。l 亮電阻和亮電流：光敏電阻在室溫和一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時(shí)流過的電流，稱為亮電流。l 光電流：亮電流與暗電流之差，稱為光電流。顯然，光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。圖 光敏電阻的伏安特性曲線4、光敏電阻的基本特性 可見：n 在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；n 在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。n 光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積及散熱條件等因素有關(guān)。n 電阻

8、在一定的電壓范圍內(nèi)，其IU曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓、電流無關(guān)。（3）光譜特性：光敏電阻對(duì)于不同波長(zhǎng)l 的入射光，其相對(duì)靈敏度Kr是不同的。如右圖所示。 光敏電阻的光電特性呈非線性，因此不適宜做連續(xù)量的檢測(cè)元件。圖 光敏電阻的頻率特性 光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象：光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后，光敏電阻有時(shí)延特性。圖 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)特性，隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)。圖 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性6.7.2 6.7.2 光敏晶體管光敏晶體管1、光敏二極管 定義： 是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件。 結(jié)構(gòu)

9、： 原理： 2、光敏三極管 結(jié)構(gòu)：與一般三極管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。 原理：光照射在集電結(jié)上時(shí)，形成光電流，相當(dāng)于三極管的基極電流。因而集電極電流是光生電流的倍，所以光敏三極管有放大作用。n 應(yīng)用：光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，鍺管較為適宜。 光照特性 溫度特性結(jié)論：光敏二極管的光照特性曲線的線性較好。結(jié)論：在電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)2、光電傳感器的應(yīng)用形式 按其輸出量性質(zhì)可分為：模擬輸出型光電傳感和數(shù)字輸出型光電傳感器兩大類。光電傳感器的測(cè)量形式1-被測(cè)量，

10、2-光電元件，3-恒光源該檢測(cè)器是用來檢測(cè)帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào)。主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱可反映煙道濁度的變化。圖 光電轉(zhuǎn)速表原理圖 圖 光電脈沖轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)速n與脈沖頻 率 f 的關(guān)系式為： n = 60 f / N（7）光電報(bào)警電路 光電開關(guān)器件是以光電元件、三極管為核心，配以繼電器組成的一種電子開關(guān)。當(dāng)開關(guān)中的光敏元件受到一定強(qiáng)度的光照射時(shí)就會(huì)產(chǎn)生開關(guān)動(dòng)作。 1發(fā)射器；2接收器；3被測(cè)物；4反射鏡圖 光電開關(guān)類型及應(yīng)用 1發(fā)光二極管；2紅外光；3光電元件；4槽；5被測(cè)物圖 光電斷續(xù)器 CCD傳感器傳

11、感器 CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。 CMOS：互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS（Complementary Metal-Oxide Sem

12、iconductor）和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶電） 和 P（帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。然而，CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn), 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而會(huì)產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。 CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價(jià)格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級(jí)別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器；CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝想頭使用CCD感應(yīng)器，廠商一定會(huì)不遺余力地以其作為賣點(diǎn)大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相機(jī)”之名。一時(shí)間，是否具有CCD感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次