傳感器第8章 (2)課件

光電式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(jiǎn)單、使用方便,而且有較高的可靠性,在自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中,應(yīng)用廣泛。光源光學(xué)通路被測(cè)量被測(cè)量光量光量測(cè)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(dǎo)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(dòng)勢(shì)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(dǎo)管,是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性,使用時(shí)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(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí),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(jí),亮電阻在幾千歐以下。在半導(dǎo)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(zhǎng)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(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)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(duì)于不同波長(zhǎng),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(cè)量（照度計(jì)）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(cè)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(zhǎng)短的方向移動(dòng)。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對(duì)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(wú)引出線,當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí),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(gè)以上光敏二極管,如CCD圖像傳感器中的光電耦合器件。當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí),就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì),從而形成光電流,相當(dāng)于三極管的基極電流。光敏晶體管有兩個(gè)PN結(jié),發(fā)射極做得大,擴(kuò)大光的照射面積圖為NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加或縮短時(shí),相對(duì)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(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)用硅管。對(duì)紅外光探測(cè)時(shí),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(duì)光電流影響很小,對(duì)暗電流影響很大,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。每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴,電子空穴對(duì)從表向內(nèi)擴(kuò)散,在結(jié)電場(chǎng)的作用下,最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。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(duì)不同波長(zhǎng)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(dòng)勢(shì)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(cè)量元件時(shí),應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)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(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo),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(cè)量器件用時(shí),最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)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(hào)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開關(guān)。1．光電耦合器圖a形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低,且輸出電流較大,可達(dá)100mA,響應(yīng)時(shí)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(jiǎn)單,成本較低、響應(yīng)時(shí)間約1μs,輸出電流50~300μA無(wú)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(zhǎng)的匹配。光電耦合器是一個(gè)電量隔離轉(zhuǎn)換器抗干擾性能和單向信號(hào)傳輸功能,廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼電器等場(chǎng)合.光電開關(guān)是利用感光元件對(duì)入射光加以接收,并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,加以放大和控制,獲得控制輸出”開關(guān)”信號(hào)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(cè)作用圖b是反射式的光電開關(guān),有物體時(shí),接收元件收到反射的光,沒有物體時(shí)則接收不到。特點(diǎn)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(cè)元件的火焰探測(cè)器電路圖8.1.4光電傳感器的應(yīng)用1.火焰探測(cè)報(bào)警器采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長(zhǎng)時(shí)間使用后，器件阻值的變化不致于影響輸出信號(hào)的幅度，保證火焰報(bào)警器能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。電路中有打火確認(rèn)產(chǎn)生火花，才可打開燃?xì)忾y門；否則燃?xì)忾y