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，簡稱光電器件。它的物理基礎是光電效應（Photoelectriceffect

）。在現(xiàn)代測量與控制系統(tǒng)中，應用非常廣泛。測量非電量的特殊性：用光電器件測量非電量（如轉(zhuǎn)速、濁度等）時，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)生相應電效應。光電效應就是指在光的作用下，材料或器件的電性能（包括電導、電勢、光電流等）發(fā)生改變的特性。光電效應6光電效應的分類外光電效應externalphotoelectriceffect內(nèi)光電效應internalphotoelectriceffect阻擋層光電效應（光生伏打效應）photovoltaiceffect7光電元件的優(yōu)點響應快結構簡單有較高的可靠性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。例如：光電管、光電倍增管問題：什么條件下會出現(xiàn)外光電效應?外光電效應9光電管結構原理光電管的伏安特性曲線充氣光電管的優(yōu)點及缺點10結構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當入射光照射在陰極上時，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當電子獲得的能量足夠大時，就有可能克服金屬表面對電子的束縛（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具有出速度。當入射光頻率大于該金屬極限頻率時，光強度再弱也能發(fā)射電子；當入射光頻率小于該金屬極限頻率時，光強度再大也不能發(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，當材料選定后，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hγ小于A時，即使光通量很大，也不可能有電子逸出，這個最低限度的頻率稱為紅限。當hγ大于A時光通量越大，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極和正極。沒有光照射時，因光電管光陰極不發(fā)射電子，電路不通；有光照射時，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電壓。14

當光通量一定時，陽極電壓與陽極電流的關系，叫做光電管的伏安特性曲線伏安特性曲線

當陽極電壓較小時，只有一部分到達陽極，其余受光子在真空中運動時所形成的負電場作用，回到陰極；隨陽極電壓的增大，光電流也增大；

當陰極發(fā)射電子全部到陽極時，陽極電流很穩(wěn)定，達到飽和。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。當光電極被光照射而發(fā)射電子時，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。所以在測試中一般是選擇真空光電管。電離導電17光電倍增管在入射光極為微弱時，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，但信號與噪聲同時被放大了，為了克服這個缺點，就要采用光電倍增管。18光電倍增管結構、工作原理及圖形符號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各個電極所加電壓情況工作時，各個倍增電極上均加上電壓，陰極K電位最低，從陰極開始，各個倍增極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計成每個極都能接受前一極的二次電子，而在各個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)射出一個電子，這個電子將被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極，設這時第一倍增極有σ個二次電子發(fā)出，這σ個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個倍增極后，原先一個電子將變?yōu)棣襫個電子．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。構成倍增極的材料的σ＞1，設σ＝4，在n＝10時，則放大倍數(shù)為410≈106?？梢姡怆姳对龉艿姆糯蟊稊?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)光電效應例如：光敏電阻內(nèi)光電效應23光敏電阻光敏電阻的工作原理光敏電阻的結構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體制成的光電器件，又稱光導管，它是基于半導體光電效應工作的。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時可加直流偏壓，也可以加交流電壓。25光敏電阻的工作原理當無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小。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，因此電路中電流迅速增加。光敏電阻的外形及其符號26σ=nqμn+pqμpHγ=hc/λ>=Egλ<=hc/Eg

只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴；這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對增加了半導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—空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。光照愈強，阻值愈低。光敏電阻的工作原理27光敏電阻的結構半導體吸收光子產(chǎn)生的光電效應，只限于光照的表面薄層，因此光敏電阻器都制成薄片結構，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)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，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、響應時間和頻率特性五、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。使用時應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之間的關系。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，因此它不宜作為測量元件，一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關式光電信號傳感元件。二、光照特性33光譜特性曲線表示了不同材料對光波響應的波長范圍。光敏電阻對不同波長的光，其靈敏度是不同的。三、光譜特性因此，在選用光敏電阻時，應該根據(jù)光源來考慮，這樣才能得到較好的效果。光敏電阻的相對靈敏度與入射波長的關系曲線?？梢姽鈪^(qū)域（380-780nm）紅外區(qū)域（0.76-1000μm）34四、響應時間和頻率特性實踐證明，光敏電阻受到脈沖光照射時，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于光的變化，在時間上有一個滯后，這就是光電導的弛豫現(xiàn)象。35光電導的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后（慣性）響應時間又分為上升時間tl和下降時間t2由于不同材料的光敏電阻具有不同的響應時間，所以它們的頻率特性也就不盡相同了36上升時間tl上升時間tl是指光敏電阻受到脈沖光照射時，其相對靈敏度上升到其最大值的63％時所經(jīng)過的時間37下降時間t2下降時間t2是指光敏電阻在去掉脈沖光時，其相對靈敏度下降到其最大值的37％時所經(jīng)過的時間38

上升和下降時間是表征光敏電阻性能的重要參數(shù)之一。上升和下降時間短，表示光敏電阻的惰性小，對光信號響應快。一般光敏電阻的響應時間都較大(約幾十到幾百毫秒)。光敏電阻的響應時間除了與元件的材料有關外，還與光照的強弱有關，光照越強，響應時間越短。39五、溫度特性采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的響應溫度升高，光譜響應峰值向短波方向移動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。當受到光照和外接負載后，其靈敏度有明顯下降。在人為地加溫、光照和加負載情況下，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）結構原理接法：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。當光照射在pn結上，光子打在Pn結附近，使Pn結附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，使少數(shù)載流子的濃度大大增加，因此通過Pn結的反向電流也隨著增加。如果入射光照度變化，光生電子一空穴對的濃度也相應變動，通過外電路的光電流強度也隨之變動，可見光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。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pn結。它在把光信號轉(zhuǎn)換為電信號同時又將信號電流加以放大。45

集電結反偏，發(fā)射結正偏。當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，基極一集電極結就是反向偏壓。當光照射在基一集結上時，就會在結附近產(chǎn)生電子一空穴對，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的關系）當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降(原因）當入射光的波長縮小時，相對靈敏度也下降(原因）47入射光的波長增加,相對靈敏度要下降(原因）

這是容易理解的，因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。48入射光波長縮小，相對靈敏度也下降(原因）當入射光的波長縮小時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，透入深度小，在表面激發(fā)的電子空穴對不能達到Pn結，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，二極管仍有光電流輸出，而晶體管則沒有。這是因為一定的偏置電壓才能保證光敏晶體管的發(fā)射結處于正向偏置狀態(tài)，集電結處于反向偏置狀態(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存在飽和現(xiàn)象（圖中未顯示）51四、溫度特性溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大52五、頻率響應

光敏管的頻率響應是指具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流(或負載上的電壓）隨頻率的變化關系。光敏管的頻率響應與本身的物理結構、工作狀態(tài)、負載以及入射光波長等因素有關。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應要比鍺管好，實驗證明，光敏晶體管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關系。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)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象，稱為阻擋層光電效應，阻擋層光電效應即光生伏打效應。

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質(zhì)上就是電源。55工作原理56工作原理當光照到pn結上時，如果光子能量足夠大，就將在pn結區(qū)附近激發(fā)電于一空穴對。在pn結電場作用下，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)。結果在n區(qū)就聚積了負電荷，帶負電；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。用導線將pn結兩端用導線連接起來，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，就可以測出光生電動勢。57基本特性一、光譜特性二、光照特性三、頻率響應四、溫度特性五、穩(wěn)定性58一、光譜特性光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的。從圖可知，不同材料的光電池，光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的，硅光電池的光譜響應峰值在800nm附近，而硒光電池的光譜響應峰值在500nm附近。硅光電池的光譜響應波長范圍從400一1200nm，而硒光電池只能在380一750nm范圍?？梢姽韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內(nèi)得到應用。59二、光照特性結論60開路電壓與短路電流開路電壓：負載電阻RL無限大時光電池的輸出電壓光電池的短路電流：是指外接負載電阻相對于它的內(nèi)阻來說是很小時的整個回路的電流值。61開路電壓與光照度的關系是非線性的，而且在光照2000lx時就趨向飽和了。短路電流與光照度成線性→因此光電池作為測量元件使用時，應把它當作電流源的形式來使用，利用短路電流與光照度成線性關系的優(yōu)點。而不要把它當作電壓源使用。62二、光照特性負載越小，光電流與照度之間的線性關系越好，而且線性范圍越寬63三、頻率響應64光電池作為測量、計算、接收器件時，常用調(diào)制光作為輸入。光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關系。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應，而硒光電池則較差。因此，在高速計數(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光電池的工作有很大影響，因此當它作為測量器件應用時，最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。67五、穩(wěn)定性當光電池密封良好、電極引線可靠、應用合理時，光電他的性能是相當穩(wěn)定的,使用壽命很長。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外，在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切的關系。如在高溫和強光照射下，會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光電式傳感器的應用模擬式光電傳感器的應用脈沖式光電傳感器的應用70模擬式光電傳感器的應用當帶材處于平行光束的中間位置時，電橋處于平衡狀態(tài)，其輸出信號為“0”。當帶材向左偏移時，遮光面積減少，角矩陣反射回去的光通量增加，輸出電流信號為+△I，當帶材向右偏移時，光通量減少，輸出信號電流為-△I，這個電流變化信號由晶體放大器放大后，作為控制電流信號，通過執(zhí)行機構糾正帶材的偏移。71脈沖式光電傳感器的應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:在被測轉(zhuǎn)速的電機上固定一個調(diào)制盤，將光源發(fā)出的恒定光調(diào)制成隨時間變化的調(diào)制光,光線每照射到光電器件上一次，光電器件就產(chǎn)生一個電信號脈沖、經(jīng)放大器整形后記錄。72光電耦合器件(補)概念歷史分類73概念(PhotoCouple)光電耦合器件（簡稱光耦）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，通過光線實現(xiàn)耦合，構成電—光和光—電的轉(zhuǎn)換器件。以光為耦合媒介，通過光信號的傳遞來實現(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，同時確保電路或系統(tǒng)彼此間的電絕緣。74光電耦合器內(nèi)部結構圖三極管接收型

4腳封裝

當電信號送入光電耦合器的輸入端時，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導通；當輸入端無信號，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