光電式傳感器 教案

1、課題項目：光電式傳感器 任務(wù)一：傳感器技術(shù)指標(biāo)課程名稱傳感器基礎(chǔ)知識授課類型新授班級日期課時教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：掌握光聽音器的安裝與調(diào)試，了解光電式傳感器的應(yīng)用能力目標(biāo)：能安裝與調(diào)試光聽音器情感目標(biāo)：認(rèn)識光電式傳感器教學(xué)重點(diǎn)光電式傳感器安裝與調(diào)試教學(xué)難點(diǎn)光電式傳感器的光電效應(yīng)教學(xué)方法講述法，實踐操作法；練習(xí)法課前準(zhǔn)備光電二極管，觀點(diǎn)三極管，微安機(jī)，萬用表教學(xué)后記及改進(jìn)措施一、 光電式傳感器1、光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。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。 光電式傳感器具有非接觸

2、、高精度、高分辨率、高可靠性、反映快等特點(diǎn)，使其在檢測和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，具有非接觸、高精度、高可靠性和反應(yīng)快等特點(diǎn)，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。光電器件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電式傳感器的工作原理如圖8-1所示：首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。圖中x1表示被測量能直接引起光量變化的檢測方式；x2表示被測量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢 測方式將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光

3、電式傳感器的工作原理是：首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光光源光電電光通路光電器件信號處理被測量被測量輸出二、光的基本性質(zhì)1、牛頓微粒說根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振波動理論惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波2、 光量子說1900年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射的量子論1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時提出光量子的概念光子的能量與光的頻率成正比光具有波粒二象性三、光電效應(yīng)定義：對不同頻率的光，其光子能量E=h是不相同的，光

4、波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串能量為h的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(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)，這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。v 光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。 1外光電效應(yīng)在光線作用下，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。我們知道，光子

5、是具有能量的粒子，每個光子具有的能力由下式確定： 普朗克常數(shù)，6.62610 （Js）；光的頻率（s ）。若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，則光子能量h必須超出逸出功A0，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。即 式中：m電子質(zhì)量；v0電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。 光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同物體具有不同的逸出功，這意味著每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閥值，成為紅限頻率或波長限。光線頻率小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，

6、產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。光電子逸出物體表面具有初始動能，因此外光電效應(yīng)器件，如光電管即使沒有加陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生2內(nèi)光電效應(yīng)受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電導(dǎo)材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去。 從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的導(dǎo)電率變大。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電

7、導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即3、光生伏特效應(yīng)：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。基于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。 勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。 側(cè)向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，由載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。 光電器件：一、光敏電阻：1光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是內(nèi)光電效應(yīng)器件，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻器以硫化隔制成，所以簡稱為CDS。 光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗

8、電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)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。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。2.結(jié)構(gòu) 光敏電阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底襯上覆一層光電半導(dǎo)體材料（金屬硫化物、硒化物和銻化物）。 目前生產(chǎn)的光敏電阻主要是硫化鎘。(a) 光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層。光敏電阻的電極一般采用梳

9、狀，提高了光敏電阻的靈敏度。靈敏度高，光譜特性好，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定 2光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻和暗電流 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。（2）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。（3）光電流 亮電流與暗電流之差，稱為光電流3光敏電阻的基本特性（1） 伏安特性 在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U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)。

10、 在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；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。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。（2）光照特性指光敏電阻的光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系不同材料的光照特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性是非線性的。由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件。 （3）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，亦稱為光譜響應(yīng)。即光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。硫化鎘光敏電阻的光譜響

11、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。（4）響應(yīng)時間和頻率特性光電導(dǎo)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。不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時間，所以它們的頻率特性也就不盡相同光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示。時間常數(shù)為光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時間。時間常數(shù)越小，響應(yīng)越迅速。對應(yīng)著不同材料的頻率特性。（5）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度和暗電阻。溫度系數(shù): 在一定光照下，溫度每變化1，光敏電阻阻值的平均變化率 光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)