傳感器第8章 (2)課件

光電式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺俎D(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器。第8章光電式傳感器光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,而且有較高的可靠性,在自動檢測、計算機和控制系統(tǒng)中,應(yīng)用廣泛。光源光學通路被測量被測量光量光量測量電路電量光電器件電量原理框圖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。8.1光電器件光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。在光作用下,物體的電導性能改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng),如光敏電阻等就屬于這類光電器件。在光作用下,能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng),如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件。在光作用下,使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng),即阻擋層光電效應(yīng),如光電池、光敏晶體管等。1、外光電效應(yīng)光子能量E=hv2、內(nèi)光電效應(yīng)光敏電阻又稱光導管,是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。暗電阻很大,暗電流很小。8.1.1光敏電阻１．光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時,它的阻值（亮電阻）急劇減少,電路中電流迅速增大。暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,光敏電阻的靈敏度高。光敏電阻的暗電阻值在兆歐級,亮電阻在幾千歐以下。在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)2）光譜特性:光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性,亦稱光譜響應(yīng)。圖為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。對于不同波長,光敏電阻的靈敏度是不同的硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域,常被用作光度量測量（照度計）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū),常用做火焰探測器的探頭。3）溫度特性：溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng),靈敏度和暗電阻,尤其是硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。圖為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線,它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對于可見光的光敏電阻,其溫度影響要小一些。多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線,當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時,集電結(jié)就是反向偏壓；光敏二極管和光敏晶體管的材料幾乎都是硅（Si）。集電極電流是光生電流的β倍,故光敏晶體管有放大作用有單體型和集合型,集合型是在一塊基片上有兩個以上光敏二極管,如CCD圖像傳感器中的光電耦合器件。當光照射在集電結(jié)上時,就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對,從而形成光電流,相當于三極管的基極電流。光敏晶體管有兩個PN結(jié),發(fā)射極做得大,擴大光的照射面積圖為NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路。當入射光的波長增加或縮短時,相對靈敏度也下降。２．基本特性１)光譜特性:光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖鍺管的暗電流較大,性能較差,在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時用硅管。對紅外光探測時,鍺管較為適宜。２)伏安特性：圖為硅光敏管在不同照度的伏安特性曲線9001500S%硅鍺l/nm光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。３)溫度特性：光敏晶體管的溫度特性是指其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。光敏晶體管的溫度特性曲線如圖所示溫度對光電流影響很小,對暗電流影響很大,在電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償,否則將會導致輸出誤差。每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴,電子空穴對從表向內(nèi)擴散,在結(jié)電場的作用下,最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。圖為工作原理圖8.1.3光電池光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。AAI光電池的基本特性１）光譜特性：對不同波長的光的靈敏度是不同的。圖為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線２）光照特性：不同光照度下,光電流和光生電動勢不同,其關(guān)系就是光照特性。圖為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線把光電池作為測量元件時,應(yīng)把它當作電流源的形式來使用,不能用作電壓源。3)溫度特性：描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。它關(guān)系到溫度漂移,影響到測量精度或控制精度等重要指標,因此溫度特性是光電池重要特性之一。光電池的溫度特性如圖所示。開路電壓隨溫度升高快速下降,短路電流隨溫度升高緩慢增加,50002.21002.01.8開路電壓I/mA短路電流U/mV作測量器件用時,最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用,以光作為媒介傳遞信號的光電器件。8.1.4光電耦合器件光電耦合器中發(fā)光元件通常是半導體的發(fā)光二極管,接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途，分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。1．光電耦合器圖a形式結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,且輸出電流較大,可達100mA,響應(yīng)時間為3~4μs圖c形式傳輸效率高,但只適用于較低頻率的裝置中。圖d是高速、高傳輸效率新穎器件圖b形式結(jié)構(gòu)簡單,成本較低、響應(yīng)時間約1μs,輸出電流50~300μA無論何種形式,為保證較佳靈敏度,都考慮了發(fā)光與接收波長的匹配。光電耦合器是一個電量隔離轉(zhuǎn)換器抗干擾性能和單向信號傳輸功能,廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點開關(guān)及固態(tài)繼電器等場合.光電開關(guān)是利用感光元件對入射光加以接收,并進行光電轉(zhuǎn)換,加以放大和控制,獲得控制輸出”開關(guān)”信號的器件。2.光電開關(guān)圖a是透射式的光電開關(guān),光軸是重合的。阻斷光路,接收元件收不到發(fā)光元件的光起到檢測作用圖b是反射式的光電開關(guān),有物體時,接收元件收到反射的光,沒有物體時則接收不到。特點是小型、高速、非接觸,易與TTL、MOS等電路結(jié)合圖為用硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖8.1.4光電傳感器的應(yīng)用1.火焰探測報警器采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值的變化不致于影響輸出信號的幅度，保證火焰報警器能長期穩(wěn)定地工作。電路中有打火確認產(chǎn)生火花，才可打開燃氣閥門；否則燃氣閥