光電式傳感器電子教案

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1Optimist:Amanwhogetstreedbyalionbutenjoysthescenery2光電式傳感器3前言光電式傳感器是能將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件，簡(jiǎn)稱光電器件。它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)（Photoelectriceffect

）。在現(xiàn)代測(cè)量與控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。測(cè)量非電量的特殊性：用光電器件測(cè)量非電量（如轉(zhuǎn)速、濁度等）時(shí)，首先要將非電量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件的作用，將光量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。5光的波粒二象性，光具有波動(dòng)性和離子性的兩重性質(zhì)，是一種電磁波。光是由一定能量的粒子（光子）所形成，每個(gè)光子具有的能量hγ正比于光的頻率γ（h為普朗克常數(shù)）。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hγ的光子所轟擊，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)。光電效應(yīng)就是指在光的作用下，材料或器件的電性能（包括電導(dǎo)、電勢(shì)、光電流等）發(fā)生改變的特性。光電效應(yīng)6光電效應(yīng)的分類外光電效應(yīng)externalphotoelectriceffect內(nèi)光電效應(yīng)internalphotoelectriceffect阻擋層光電效應(yīng)（光生伏打效應(yīng)）photovoltaiceffect7光電元件的優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)快結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有較高的可靠性8在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。例如：光電管、光電倍增管問題：什么條件下會(huì)出現(xiàn)外光電效應(yīng)?外光電效應(yīng)9光電管結(jié)構(gòu)原理光電管的伏安特性曲線充氣光電管的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)10結(jié)構(gòu)光電陰極有的是貼附在玻璃泡內(nèi)壁，有的是涂在半圓筒形的金屬片上，陰極對(duì)光敏感的一面是向內(nèi)的。陽極是在陰極前裝有單根金屬絲或環(huán)狀的金屬絲。11當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當(dāng)電子獲得的能量足夠大時(shí)，就有可能克服金屬表面對(duì)電子的束縛（逸出功）而逸出金屬表面形成電子發(fā)射。電子逸出金屬表面的初速度υ由能量守恒定律得出：

由光電效應(yīng)方程式可得出：①照射在物體上的光線（入射光）通常不是單色光，而是含有多種頻率的光。②光電子逸出物體表面時(shí)具有出速度。當(dāng)入射光頻率大于該金屬極限頻率時(shí)，光強(qiáng)度再弱也能發(fā)射電子；當(dāng)入射光頻率小于該金屬極限頻率時(shí)，光強(qiáng)度再大也不能發(fā)射電子。

愛因斯坦光電方程工作原理12由于逸出功與材料的性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)材料選定后，要使金屬表面有電子逸出，入射光的頻率γ有一最低的限度當(dāng)hγ小于A時(shí)，即使光通量很大，也不可能有電子逸出，這個(gè)最低限度的頻率稱為紅限。當(dāng)hγ大于A時(shí)光通量越大，逸出的電子數(shù)目也越多，光電流I就越大。13光電管的陰極和陽極分別接電源的負(fù)極和正極。沒有光照射時(shí)，因光電管光陰極不發(fā)射電子，電路不通；有光照射時(shí)，光電陰極發(fā)射的光電子，在陽極高電位作用下形成光電流，可以在電阻R上取出與光電流成正比的信號(hào)電壓。14

當(dāng)光通量一定時(shí)，陽極電壓與陽極電流的關(guān)系，叫做光電管的伏安特性曲線伏安特性曲線

當(dāng)陽極電壓較小時(shí)，只有一部分到達(dá)陽極，其余受光子在真空中運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的負(fù)電場(chǎng)作用，回到陰極；隨陽極電壓的增大，光電流也增大；

當(dāng)陰極發(fā)射電子全部到陽極時(shí)，陽極電流很穩(wěn)定，達(dá)到飽和。15充氣光電管除真空光電管外，還有一種充氣光電管，它的構(gòu)造和真空光電管基本相同，所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體，如氬或氖。當(dāng)光電極被光照射而發(fā)射電子時(shí)，光電子在趨向陽極的途中將撞擊隋性氣體的原子，使其電離，從而使陽極電流急速增加，提高了光電管的靈敏度。16充氣光電管的缺點(diǎn)是其靈敏度隨電壓顯著變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差。所以在測(cè)試中一般是選擇真空光電管。電離導(dǎo)電17光電倍增管在入射光極為微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，在這種情況下即使光電流能被放大，但信號(hào)與噪聲同時(shí)被放大了，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，就要采用光電倍增管。18光電倍增管結(jié)構(gòu)、工作原理及圖形符號(hào)19光電倍增管組成它由光電陰極、若干倍增極和陽極三部分組成。光電陰極是由半導(dǎo)體光電材料制造的，入射光就在它上面打出光電子。倍增極數(shù)目在4—14個(gè)不等。在各倍增極上加上一定的電壓。陽極收集電子，外電路形成電流輸出20各個(gè)電極所加電壓情況工作時(shí)，各個(gè)倍增電極上均加上電壓，陰極K電位最低，從陰極開始，各個(gè)倍增極E1，E2，E3，E4(或更多)電位依次升高，陽極A電位電高。這些倍增極在受到一定數(shù)量的電子轟擊后，能放出更多的電子，稱為“二次電子”。21光電倍增管原理倍增極的特性：光電倍增管的倍增極設(shè)計(jì)成每個(gè)極都能接受前一極的二次電子，而在各個(gè)倍增極上順序加上越來越高的正電壓。這樣如果在光電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個(gè)電子，這個(gè)電子將被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極，設(shè)這時(shí)第一倍增極有σ個(gè)二次電子發(fā)出，這σ個(gè)電子又轟擊第二倍增極，而其產(chǎn)生的二次電子又增加σ倍。經(jīng)過n個(gè)倍增極后，原先一個(gè)電子將變?yōu)棣襫個(gè)電子．這些電子最后被陽極所收集而在光電陰極與陽極之間形成電流。構(gòu)成倍增極的材料的σ＞1，設(shè)σ＝4，在n＝10時(shí)，則放大倍數(shù)為410≈106。可見，光電倍增管的放大倍數(shù)是很高的。22在光線作用下能使物體電阻值改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)例如：光敏電阻內(nèi)光電效應(yīng)23光敏電阻光敏電阻的工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的基本特性24光敏電阻的工作原理光敏電阻是用光電導(dǎo)體制成的光電器件，又稱光導(dǎo)管，它是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)可加直流偏壓，也可以加交流電壓。25光敏電阻的工作原理當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小。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，因此電路中電流迅速增加。光敏電阻的外形及其符號(hào)26σ=nqμn+pqμpHγ=hc/λ>=Egλ<=hc/Eg

只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴；這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降；入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。光敏電阻的工作原理27光敏電阻的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體吸收光子產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，因此光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能；

為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案

在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻；28光敏電阻的主要參數(shù)一、暗電阻光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)流過的電流，稱為暗電流。29二、亮電阻光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。三、光電流亮電流與暗電流之差，稱為光電流。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小，則性能越好，也就是說，暗電流要小，亮電流要大，這樣的光敏電阻的靈敏度就高。實(shí)際上，大多數(shù)光敏電阻的暗電阻往往超過一兆歐，甚至高達(dá)100MΩ。而亮電阻即使在正常白晝條件下也可降到lkΩ以下，可見光敏電阻的靈敏度是相當(dāng)高的。光敏電阻的主要參數(shù)30光敏電阻的基本特性一、伏安特性二、光照特性三、光譜特性四、響應(yīng)時(shí)間和頻率特性五、溫度特性六、穩(wěn)定性31一、伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系，稱為伏安特性光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的。使用時(shí)應(yīng)限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。給定偏壓下，光照度越大，光電流越大32光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系。稱為光敏電阻的光照特性。由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此它不宜作為測(cè)量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。二、光照特性33光譜特性曲線表示了不同材料對(duì)光波響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍。光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光，其靈敏度是不同的。三、光譜特性因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)該根據(jù)光源來考慮，這樣才能得到較好的效果。光敏電阻的相對(duì)靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系曲線?？梢姽鈪^(qū)域（380-780nm）紅外區(qū)域（0.76-1000μm）34四、響應(yīng)時(shí)間和頻率特性實(shí)踐證明，光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流并不立刻上升到最大飽和值，而光照去掉后，光電流也并不立刻下降到零。這說明光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后，這就是光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。35光電導(dǎo)的弛豫現(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（慣性）響應(yīng)時(shí)間又分為上升時(shí)間tl和下降時(shí)間t2由于不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，所以它們的頻率特性也就不盡相同了36上升時(shí)間tl上升時(shí)間tl是指光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，其相對(duì)靈敏度上升到其最大值的63％時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間37下降時(shí)間t2下降時(shí)間t2是指光敏電阻在去掉脈沖光時(shí)，其相對(duì)靈敏度下降到其最大值的37％時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間38

上升和下降時(shí)間是表征光敏電阻性能的重要參數(shù)之一。上升和下降時(shí)間短，表示光敏電阻的惰性小，對(duì)光信號(hào)響應(yīng)快。一般光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間都較大(約幾十到幾百毫秒)。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間除了與元件的材料有關(guān)外，還與光照的強(qiáng)弱有關(guān)，光照越強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間越短。39五、溫度特性采取降溫措施，可以提高光敏電阻對(duì)長(zhǎng)波光的響應(yīng)溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)40六、穩(wěn)定性

初制成的光敏電阻，由于其內(nèi)部組織的不穩(wěn)定性以及其它原因，光電特性是不穩(wěn)定的。當(dāng)受到光照和外接負(fù)載后，其靈敏度有明顯下降。在人為地加溫、光照和加負(fù)載情況下，經(jīng)過一至二星期的老化，光電性能逐漸趨向穩(wěn)定以后就基本上不變了。41光敏二極管和光敏晶體管工作原理基本特性

42工作原理(二極管）結(jié)構(gòu)原理接法：反向工作43光敏二極管在電路處于反向偏置，在沒有光照射，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流。當(dāng)光照射在pn結(jié)上，光子打在Pn結(jié)附近，使Pn結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的濃度大大增加，因此通過Pn結(jié)的反向電流也隨著增加。如果入射光照度變化，光生電子一空穴對(duì)的濃度也相應(yīng)變動(dòng)，通過外電路的光電流強(qiáng)度也隨之變動(dòng)，可見光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。44工作原理(三極管）原理光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)pn結(jié)。它在把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)又將信號(hào)電流加以放大。45

集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。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)，基極一集電極結(jié)就是反向偏壓。當(dāng)光照射在基一集結(jié)上時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，從而形成光電流，輸入到晶體管的基極，由于基極電流增加，因此集電極電流是光生電流的β倍．所以光敏晶體管有放大作用。46基本特性一、光譜特性（光電流與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系）當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降(原因）當(dāng)入射光的波長(zhǎng)縮小時(shí)，相對(duì)靈敏度也下降(原因）47入射光的波長(zhǎng)增加,相對(duì)靈敏度要下降(原因）

這是容易理解的，因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對(duì)。48入射光波長(zhǎng)縮小，相對(duì)靈敏度也下降(原因）當(dāng)入射光的波長(zhǎng)縮小時(shí)，相對(duì)靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，透入深度小，在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能達(dá)到Pn結(jié)，因而靈敏度下降。49二、伏安特性光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。在零偏壓時(shí)，二極管仍有光電流輸出，而晶體管則沒有。這是因?yàn)橐欢ǖ钠秒妷翰拍鼙ＷC光敏晶體管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。50三、光照特性光敏二極管的光照特性曲線的線性較好硅光敏晶體管在大電流時(shí)存在飽和現(xiàn)象（圖中未顯示）51四、溫度特性溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大52五、頻率響應(yīng)

光敏管的頻率響應(yīng)是指具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓）隨頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好，實(shí)驗(yàn)證明，光敏晶體管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關(guān)系。要截止頻率高，基區(qū)就要薄，但這要使光電靈敏度下降。53在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為阻擋層光電效應(yīng)，阻擋層光電效應(yīng)即光生伏打效應(yīng)。

例如:光電池54光電池工作原理基本特性

光電池是一種不需要加偏置電壓而直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的光電器件；光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)上就是電源。55工作原理56工作原理當(dāng)光照到pn結(jié)上時(shí)，如果光子能量足夠大，就將在pn結(jié)區(qū)附近激發(fā)電于一空穴對(duì)。在pn結(jié)電場(chǎng)作用下，n區(qū)的光生空穴被拉向p區(qū)，p區(qū)的光生電子被拉向n區(qū)。結(jié)果在n區(qū)就聚積了負(fù)電荷，帶負(fù)電；p區(qū)聚積了正電荷，帶正電。這樣n區(qū)和p區(qū)之間就出現(xiàn)了電位差。用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來，電路中就有電流流過，電流的方向由p區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開，就可以測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。57基本特性一、光譜特性二、光照特性三、頻率響應(yīng)四、溫度特性五、穩(wěn)定性58一、光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的。從圖可知，不同材料的光電池，光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不同的，硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在800nm附近，而硒光電池的光譜響應(yīng)峰值在500nm附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍從400一1200nm，而硒光電池只能在380一750nm范圍。可見硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用。59二、光照特性結(jié)論60開路電壓與短路電流開路電壓：負(fù)載電阻RL無限大時(shí)光電池的輸出電壓光電池的短路電流：是指外接負(fù)載電阻相對(duì)于它的內(nèi)阻來說是很小時(shí)的整個(gè)回路的電流值。61開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的，而且在光照2000lx時(shí)就趨向飽和了。短路電流與光照度成線性→因此光電池作為測(cè)量元件使用時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用，利用短路電流與光照度成線性關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)。而不要把它當(dāng)作電壓源使用。62二、光照特性負(fù)載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬63三、頻率響應(yīng)64光電池作為測(cè)量、計(jì)算、接收器件時(shí)，常用調(diào)制光作為輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，而硒光電池則較差。因此，在高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采用硅光電池65四、溫度特性66光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。開路電壓隨溫度上升而下降很快短路電流隨溫度的變化卻是緩慢增加的由于溫度對(duì)光電池的工作有很大影響，因此當(dāng)它作為測(cè)量器件應(yīng)用時(shí)，最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。67五、穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí)，光電他的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的,使用壽命很長(zhǎng)。硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有關(guān)外，在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切的關(guān)系。如在高溫和強(qiáng)光照射下，會(huì)使光電池的性能變壞，而且降低使用壽命，這在使用中要特別注意。68Dreamwhatyouwanttodream;gowhereyouwanttogo；bewhatyouwanttobe;becauseyouhaveonlyonelifeandonechancetodoallthethingsyouwanttodo.69光電式傳感器的應(yīng)用模擬式光電傳感器的應(yīng)用脈沖式光電傳感器的應(yīng)用70模擬式光電傳感器的應(yīng)用當(dāng)帶材處于平行光束的中間位置時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，其輸出信號(hào)為“0”。當(dāng)帶材向左偏移時(shí)，遮光面積減少，角矩陣反射回去的光通量增加，輸出電流信號(hào)為+△I，當(dāng)帶材向右偏移時(shí)，光通量減少，輸出信號(hào)電流為-△I，這個(gè)電流變化信號(hào)由晶體放大器放大后，作為控制電流信號(hào)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)糾正帶材的偏移。71脈沖式光電傳感器的應(yīng)用脈沖式光電傳感器是將光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖的裝置原理:在被測(cè)轉(zhuǎn)速的電機(jī)上固定一個(gè)調(diào)制盤，將光源發(fā)出的恒定光調(diào)制成隨時(shí)間變化的調(diào)制光,光線每照射到光電器件上一次，光電器件就產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)脈沖、經(jīng)放大器整形后記錄。72光電耦合器件(補(bǔ))概念歷史分類73概念(PhotoCouple)光電耦合器件（簡(jiǎn)稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實(shí)現(xiàn)耦合，構(gòu)成電—光和光—電的轉(zhuǎn)換器件。以光為耦合媒介，通過光信號(hào)的傳遞來實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間電隔離的器件，可在電路或系統(tǒng)之間傳輸電信號(hào)，同時(shí)確保電路或系統(tǒng)彼此間的電絕緣。74光電耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖三極管接收型

4腳封裝

當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號(hào)，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。75歷史光電耦合器件：70年代發(fā)展起來，為了使發(fā)光器與光接收器的波長(zhǎng)匹配，發(fā)光元件選用發(fā)光二極管，光接收部分常選用部分硅光電二極管、光敏晶體管或光可控管（光晶閘管）等。把不同的發(fā)光器件和各種光接收器組合起來，就