測距儀的制作

1、應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)國家教學(xué)資源庫教 師 課 時(shí) 授 課 計(jì) 劃 教師姓名 課程名稱 傳感器應(yīng)用 授課時(shí)數(shù) 10 累計(jì)課時(shí) 30 授課日期授課班級課題測距儀的制作教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)1、掌握超聲波傳感器的工作原理及應(yīng)用；2、掌握壓電傳感器的工作原理、測量電路和應(yīng)用；3、了解光電元件的分類以及工作原理。技能目標(biāo)1、能利用超聲波傳感器、壓電式傳感器完成相應(yīng)參數(shù)的測量；2、能利用簡單的光敏電阻、光敏三極管等元件，完成光照度的測量和畫出繼電器的控制電路。態(tài)度目標(biāo)1、培養(yǎng)耐心細(xì)致的工作態(tài)度；2、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)扎實(shí)的工作作風(fēng)；3、培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的合作精神。教學(xué)重點(diǎn)超聲波傳感器的工作原理及測量電路教學(xué)難點(diǎn)確定合理的實(shí)施方案

2、，將位移轉(zhuǎn)換成電信號教學(xué)資源教材、工具書、工藝文獻(xiàn)、一體化實(shí)訓(xùn)臺、各種電工工具教學(xué)參考書校本教材作 業(yè)用壓光電式傳感器設(shè)計(jì)測距儀教 學(xué) 過 程 設(shè) 計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)環(huán)境、教學(xué)方法、資源時(shí)間資訊學(xué)生根據(jù)測距儀制作任務(wù)書，分析任務(wù)要求；教師講授超聲檢測的物理基礎(chǔ)、超聲波探頭、超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用等基本理論知識，超聲波傳感器的性能測試、測距儀電路組裝及調(diào)試等工程應(yīng)用知識，壓電傳感器、光電傳感器等拓展知識。學(xué)生收集超聲波傳感器背景技術(shù)資料，測距儀測量、處理、顯示等電路資料。教學(xué)環(huán)境：實(shí)踐理論一體化教室教學(xué)方法：講授法、自學(xué)法、演示法3計(jì)劃與決策各小組討論測距儀制作方案；教師引導(dǎo)小組確定最終測距儀

3、的制作方案。教學(xué)環(huán)境：一體化實(shí)訓(xùn)臺教學(xué)方法：講授法、小組討論法3實(shí)施小組成員依照制作方案，分工合作完成測距儀的制作與距離檢測。小組工作法3檢查與評估學(xué)生檢查產(chǎn)品功能是否符合要求，并對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行評估；教師對學(xué)生的操作過程及小組的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。教學(xué)環(huán)境：實(shí)踐理論一體化教室教學(xué)方法：交互檢查法、討論法1課后小結(jié)通過本學(xué)習(xí)情景講授，使學(xué)生學(xué)會應(yīng)用超聲檢測傳感器，掌握超聲波傳感器選型與性能檢測，電路焊接、組裝、調(diào)試，并拓展壓電傳感器、光電傳感器等相關(guān)傳感器知識?！緦W(xué)習(xí)情境要求】1、 制作一個(gè)測距儀，測量范圍為0.1 m 4.5m，分辨力為1cm。2、 利用液晶顯示測量值?！局R準(zhǔn)備】一超聲檢測的物

4、理基礎(chǔ)振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。頻率在2020KHz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于20Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于20KHz的機(jī)械波，稱為超聲波，如圖3.1所示。圖3.1聲波的頻率范圍1超聲波的反射和折射當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入射角的正弦與反射角'的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同時(shí)，波速相等，入射角即等于反射角'，如圖3.2所示。當(dāng)波在界面外產(chǎn)生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)

5、中的波速才C1與折射波在第二介質(zhì)中的波速C2之比，即 （3.1）圖3.2超聲波的反射和折射2超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換當(dāng)聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同時(shí)，聲波的波型也有所不同。質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向一致的波稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播。質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。質(zhì)點(diǎn)振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，它只在固體的表面?zhèn)鞑?。?dāng)聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射以外，還會發(fā)生橫波的反射和折射，如圖3.3所示。在一定條件下，還能產(chǎn)生表面波。各種波型均符合幾何光學(xué)中的

6、反射定律，即 （3.2）式中：入射角； 1、2一縱波與橫波的反射角；如果介質(zhì)為液體或氣體，則僅有縱波。.圖3.3聲波型轉(zhuǎn)換圖3聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射和吸收等因素有關(guān)。在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓P和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如下: （3.3） （3.4）二超聲波探頭超聲波探頭是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱超聲換能器或傳感器。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式和電磁式等數(shù)種，其中以壓電式為最常用。如圖3.4所示為壓電式探頭結(jié)構(gòu)圖，其核心部分為壓電晶片，利用壓電

7、效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換。圖3.4壓電式超聲探頭結(jié)構(gòu)圖1-壓電片；2-保護(hù)膜；3-吸收塊；4-接線：5-導(dǎo)線螺桿；6-絕緣柱；7-接觸座；8-接線片；9-壓電片座三超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用1. 超聲波測厚度 超聲波檢測厚度的方法有共振法、干涉法和脈沖回波法等。如圖3.5所示為脈沖回波法檢測厚度的工作原理。 超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器控制發(fā)射電路，使探頭發(fā)出的超聲波到達(dá)被測物體底面反射回來，該脈沖信號又被探頭接收，經(jīng)放大器放大加到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上。標(biāo)記發(fā)生器輸出時(shí)間標(biāo)記脈沖信號，同時(shí)加到該垂直偏轉(zhuǎn)板上。而掃描電壓則加在水平偏轉(zhuǎn)板上。因此，在示波器上可直接讀出發(fā)射與接收超聲波之間的時(shí)間間隔to

8、被測物體的厚度h為 （3.5）式中c一超聲波的傳播速度。圖3.5超脈沖回波法檢測厚工作原理圖 我國20世紀(jì)60年代初期自行設(shè)計(jì)了CCH-J-1型表頭式超聲波測厚儀，近期又采用集成電路制成數(shù)字式超聲波測厚儀，其體積小到可以握在手中，重量不到1噸，精度可達(dá)0.01 mm。 2. 超聲波測液位 在化工、石油和水電等部門，超聲波被廣泛用于油位和水位等的液位測量。如圖3.6所示為脈沖回波式測量液位的工作原理圖。探頭發(fā)出的超聲脈沖通過介質(zhì)到達(dá)液面，經(jīng)液面反射后又被探頭接收。測量發(fā)射與接收超聲脈沖的時(shí)間間隔和介質(zhì)中的傳播速度，即可求出探頭與液面之間的距離。根據(jù)傳聲方式和使用探頭數(shù)量的不同，可以分為單探頭液介

9、式、單探頭氣介式、單探頭固介式和雙探頭液介式等數(shù)種。(a)單探頭液介式(b)單探頭氣介式(c)單探頭固介式(d)雙探頭液介式圖3.6脈沖回波式超聲液位測量在生產(chǎn)實(shí)踐中，有時(shí)只需要知道液面是否升到或降到某個(gè)或幾個(gè)固定高度，則可采用如圖3.7所示的超聲波定點(diǎn)式液位計(jì)，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)報(bào)警或液面控制。圖3.7(a)、圖3.7(b)為連續(xù)波阻抗式液位計(jì)的示意圖。由于氣體和液體的聲阻抗差別很大，當(dāng)探頭發(fā)射面分別與氣體或液體接觸時(shí)，發(fā)射電路中通過的電流也就明顯不同。因此利用一個(gè)處于諧振狀態(tài)的超聲波探頭，就能通過指示儀表判斷出探頭前是氣體還是液體。圖3.7(c)、圖3.7(d)為連續(xù)波透射式液位計(jì)示意圖。圖中相對安

10、裝的兩個(gè)探頭，一個(gè)發(fā)射，另一個(gè)接收。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)生頻率較高的超聲波時(shí)，只有在兩個(gè)探頭之間有液體時(shí)，接收探頭才能接收到透射波。由此可判斷出液面是否達(dá)到探頭的高度。圖3.7超聲波定點(diǎn)式液位計(jì)3. 超聲波測流量 利用超聲波測流量對被測流體并不產(chǎn)生附加阻力，測量結(jié)果不受流體物理和化學(xué)性質(zhì)的影響。超聲波在靜止和流動流體中的傳播速度是不同的，從而可以測量流量。超聲波測流量的工作原理如圖3.8所示。圖中v為流體的平均流速，為超聲波傳播方向與流體流動方向的夾角，A, B為兩個(gè)超聲波探頭，L為其間隔距離。圖3.8 超聲波測流體流量的原理圖【超聲波傳感器的性能測試】一測試目的1掌握超聲波測距傳感器學(xué)會基本的測試使

11、用方法。2了解超聲波傳感器的幅頻特性，確定其此超聲波傳感器的中心頻率（或諧振頻率）。二測試器材超聲波傳感器一套、信號發(fā)生器一臺、示波器一臺，直尺一把三測試步驟1. 裝置連接（1）調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出方波信號，其峰峰值可在2V10V范圍調(diào)整，頻率可在30K49K范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)整，要求通過示波器確認(rèn)信號幅度及頻率輸出情況。（2）將方波信號輸出端子接到超聲波傳感器發(fā)射頭的兩個(gè)輸入引腳，將示波器的接地端子和信號端子分別連接超聲波傳感器接收頭的兩個(gè)輸出引腳。（3）固定發(fā)射頭與接收頭的間距為10cm，并將發(fā)射頭對準(zhǔn)接收頭，準(zhǔn)備測試接收頭接收到的同頻信號電壓。信號發(fā)生器示波器發(fā)射頭接收頭TR探頭 圖3.9裝置

12、連接圖2測試超聲波傳感器的幅頻特性：（1）調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出方波信號的峰峰值為10V，本測試要保證輸出幅度恒定的情況下進(jìn)行。（2）調(diào)節(jié)方波信號的頻率，使其在30K49K范圍內(nèi)變化，用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信號波形，記下的值。請按照實(shí)驗(yàn)用表3.1設(shè)置的頻率數(shù)據(jù)要求進(jìn)行測試，總計(jì)測試30對數(shù)據(jù)。注意：要求測試每對數(shù)據(jù)時(shí)，一定要首先用示波器準(zhǔn)確調(diào)試信號發(fā)生器輸出的方波信號后，再驅(qū)動發(fā)射頭，測試接收頭產(chǎn)生的同頻信號電壓。分析30對記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出f 關(guān)系曲線，得出超聲波傳感器幅頻特性結(jié)論。并確定其中心頻率。3在中心頻率下測試超聲波傳感器的傳輸特性：（1）調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出方波的頻率為中心頻率，

13、本測試要求保證在中心頻率下進(jìn)行測定。（2）調(diào)節(jié)方波信號的幅度，使其峰峰值在2V12V范圍內(nèi)變化，設(shè)置輸入不同峰峰值的方波信號來驅(qū)動發(fā)射頭，用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信號波形，記下的值，研究驅(qū)動信號幅度變化對超聲波傳感器傳輸特性的影響。要求在2V12V范圍內(nèi)按照實(shí)驗(yàn)用表3.2設(shè)置的值測試輸出信號值，總計(jì)測試20對數(shù)據(jù)。注意：要求測試每對數(shù)據(jù)時(shí)，必須先用示波器調(diào)試輸出準(zhǔn)確幅度、頻率的方波信號后，再驅(qū)動發(fā)射頭，進(jìn)而測試接收頭接收到的同頻信號電壓的。分析20對記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出關(guān)系曲線，得出超聲波傳感器傳輸特性結(jié)論。四測試結(jié)果1.超聲波發(fā)送傳感器其幅頻特性在諧振頻率 =1/ 2附近幾乎保持恒定。2

14、.超聲波接收傳感器幅頻特性在頻率 附近變化很大.【測距儀電路組裝及調(diào)試】一確定系統(tǒng)方案圖3.10系統(tǒng)總體框圖二各單元電路搭建1LPC2138微控制器簡介 LPC2138內(nèi)嵌512 KB的高速Flash存儲器和32 KB的RAM，具有豐富的外設(shè)資源：2個(gè)32位定時(shí)器(帶捕獲、比較通道)，2個(gè)10位8路AD轉(zhuǎn)換器，1個(gè)10位DA轉(zhuǎn)換器，PWM通道，47路 GPIO，9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，具有獨(dú)立電源和時(shí)鐘的RTC，多個(gè)串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它內(nèi)含向量中斷控制器，可配置中斷優(yōu)先級和向量地址片內(nèi)Boot裝載程序可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)應(yīng)用編程(ISPIAP)，通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)6

15、0 MHz的CPU操作頻率，具有空閑和掉電2種低功耗模式，并可通過外部中斷喚醒，圖3.11為LPC2138的整體結(jié)構(gòu)圖。圖3.11 LPC2138整體結(jié)構(gòu)圖2超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路是超聲波發(fā)射器T和PWM產(chǎn)生的40 kHz頻率信號、驅(qū)動(或激勵(lì))電路等組成。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ARM中的PWM模塊產(chǎn)生高精度的40 kHz的頻率信號，然后通過74HC00等組成的驅(qū)動電路，最后將發(fā)射信號送到超聲波發(fā)射器T。對于放射探頭T，選用發(fā)射頻率為40kHz的一種，該類型現(xiàn)在應(yīng)用較普遍，電路也簡單，只需給發(fā)射端40 kHz的脈沖，發(fā)射探頭即不斷發(fā)送超聲波。具體硬件電路如圖3.12所示。圖3.12超聲波發(fā)射電路

16、其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F1(T發(fā)射)和TCT40-10S1(R接收)，其中心頻率為40 kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距48 cm。若將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)不同測量范圍要求，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并聯(lián)的濾波電容器C4，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。3超聲波接收電路超聲波接收電路由以MC3403為核心的三級濾波放大電路和二極管的倍壓穩(wěn)流電路等組成。處理好的回波信號被送到ARM的AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行AD采樣，從而觸發(fā)得到返回的時(shí)間。德州儀器公司的MC3403的具體引腳配置如圖3.13所示。超聲波接收電路如圖3.

17、14所示。圖3.13 MC3403引腳配置圖3.14 超聲波接收電路4、顯示電路超聲波測距儀450.00CM當(dāng)前距離：三系統(tǒng)測試表3.1測試數(shù)據(jù)對比【知識拓展】一壓電傳感器某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產(chǎn)生機(jī)械振動。當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。音樂賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應(yīng)而發(fā)聲的。1壓電材料（1）壓電晶體 石英晶體 水溶性壓電晶體（

18、2）壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT） 非鉛系列壓電陶瓷 （3）高分子壓電材料 2、壓電式傳感器測量電路（1）壓電元件的等效電路當(dāng)壓電元件受到沿敏感軸方向的外力作用時(shí)就產(chǎn)生電荷，因此壓電元件可以看成是一個(gè)電荷發(fā)生器，同時(shí)它也是一個(gè)電容器。因此可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源與電容相并聯(lián)的電荷等效電路，如圖3.15所示。電容器上的電壓u0、電荷Q與電容Ca三者之間的關(guān)系為 （3.6） 在壓電式傳感器中，壓電材料一般不用一片，而常常采用兩片（或是兩片以上）黏結(jié)在一起，如圖3.16所示。圖3.15 壓電元件的等效電路 圖3.16 壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)法在以上兩種連接方式中，串聯(lián)接法輸出電壓高，本

19、身電容小，適用于以電壓為輸出信號和測量電路輸入阻抗很高的場合；并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。（2）壓電式傳感器的等效電路圖3.17壓電式傳感器的實(shí)際等效電路由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測量回路一定的電流，因此只適用于動態(tài)測量。（3）壓電式傳感器的測量電路壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用。第一是把壓電式傳感器的微弱信號放大；第二是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆?/p>

20、出。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，所以前置放大器也有兩種形式，即電壓放大器和電荷放大器。實(shí)用中多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器，這里重點(diǎn)以電荷放大器為例加以說明。電荷放大器（電荷電壓轉(zhuǎn)換器）能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷。同時(shí)，電荷放大器兼?zhèn)渥杩棺儞Q的作用，其輸入阻抗高達(dá)1010-1012,輸出阻抗小于100。電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成，如圖3.20所示。由運(yùn)算放大器基本特性可求出電荷放大器的輸出電壓為 （3.7）由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有電流，放大倍數(shù)A=104-106

21、,因此(1A)Cf遠(yuǎn)大于（CaCcCi），所以CcCi的影響可忽略不計(jì)，放大器的輸出電壓近似為 （3.8）由式(3.8)可見，電荷放大器的輸出電壓u0僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，與電纜電容Cc無關(guān)，也就是說與電纜的長度等因素的影響很小，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。內(nèi)部包括電荷放大器的便攜式測振儀，外形如圖3.18所示。圖3.18 電荷放大等效電路二光電傳感器用光照射某一物體，可以看到物體受到一連串能量為E的光子的轟擊，組成這種物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為三類。（1）外光電效應(yīng)（2）內(nèi)光電效應(yīng)（3）光生伏特效應(yīng)1光電器件

22、（1）光電管光電管的外形、結(jié)構(gòu)如圖3.19所示，它由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并密封在一支真空璃管內(nèi)。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管中央；陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上并涂有光電發(fā)射材料。光電管的特性主要取決于光電管陰極材料。目前紫外光電管在工業(yè)檢測中多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等，可見光較難引起光電子的發(fā)射。 圖3.19 光電管的外形、結(jié)構(gòu) 圖3.20光電管的結(jié)構(gòu)圖、原理圖當(dāng)光照射在陰極上時(shí)，陰極發(fā)射出光電子，被具有一定電位的中央陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。在外電場作用下將形成電流I，稱為光電流。光電流的大小與光電子數(shù)成正比，而光電子數(shù)又與光照度成正比。 伏安特性在一定的光照下，對

23、光電管陰極所加的電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。圖3.21光電管的伏安特性 光照特性 當(dāng)光電管的陰極與陽極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光照特性，如圖3.22所示。其中，曲線1是氧艷陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量呈線性關(guān)系；曲線2是銻艷陰極光電管的光照特性，呈非線性關(guān)系。圖3.22光電管的光照特性 光譜特性 光電管的光譜特性通常指陽極與陰極之間所加電壓不變時(shí)，入射光的波長（或頻率）與其相對靈敏度之間的關(guān)系。它主要取決于陰極材料（2）光敏電阻 光敏電阻是由具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻器件，如圖3.23所示。敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響

24、應(yīng)的范圍寬、體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、壽命長、價(jià)格低，被廣泛應(yīng)用于自動檢測系統(tǒng)中。 光敏電阻的材料一般由金屬的硫化物、硒化物、蹄化物等半導(dǎo)體組成，由于所用材料和工藝不同，它們的光電性能也相差很大。 圖3.23光敏電阻 光電流 光敏電阻在室溫或全暗條件下測得的阻值稱為暗電阻（暗阻），通常超過1 M,此時(shí)流過光敏電阻的電流稱為暗電流。光敏電阻在受光照射時(shí)的阻值稱為亮電阻（亮阻），一般幾千歐以下，此時(shí)流過光敏電阻的電流稱為亮電流。 光照特性 在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的光照特性，如圖3.24所示。光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量總和，單位是流明(

25、Im)。 圖3.24光敏電阻的光照特性曲線 不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但多數(shù)情況下曲線是非線性的，所以光敏電阻不宜作定量檢測元件，而常在自動控制中用做光電開關(guān)。 光電特性 在光敏電阻兩極電壓固定不變時(shí)，光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特性，如圖3.25所示。照度是光源照射在被照物體單位面積上的光通量，即E=d/dA，單位是勒克斯（lx）。當(dāng)光照大于100 lx時(shí)，它的光電特性非線性就十分嚴(yán)重了。圖3.25 某型號光敏電阻的光電特性 時(shí)延特性當(dāng)光敏電阻受到光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，而在停止光照后，光電流也經(jīng)過一定時(shí)間恢復(fù)暗電流值，這是光敏電阻的時(shí)延特性。不同光敏電阻

26、的時(shí)延特性不同，因此它們的頻率特性也不同。由于光敏電阻的時(shí)延比較大，所以它不能在要求快速響應(yīng)的場合。（3）光敏晶體管 光敏二極管光敏二極管是基于內(nèi)光電效應(yīng)的原理制成的光敏元件。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管類似，它的PN結(jié)裝在透明管殼的頂部，可以直接受到光照射，如圖3.26所示。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，其符號與接線方法如圖3.27所示。光敏二極管在沒有光照射時(shí)反向電阻很大，暗電流很?。划?dāng)有光照射時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子一空穴對，在內(nèi)電場作用下定向運(yùn)動形成光電流，且隨著光照度的增強(qiáng)，光電流越大。所以，光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)；受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。它主要用于光控

27、開關(guān)電路和光耦合器中。 圖3.26常見的光敏二極管圖3.27光敏二極管 光敏二極管的檢測方法。當(dāng)有光照射在光敏二極管上時(shí)，光敏二極管與普通二極管一樣，有較小的正向電阻和較大的反向電阻；當(dāng)無光照射時(shí)，光敏二極管正向電阻和反向電阻都很大。用歐姆表檢測時(shí)，先讓光照射在光敏二極管管芯上，測出其正向電阻，其阻值與光照強(qiáng)度有關(guān)，光照越強(qiáng)，正向阻值越??；然后用一塊遮光黑布擋住照射在光敏二極管上的光線，測量其阻值，這時(shí)正向電阻應(yīng)立即變得很大。有光照和無光照下所測得的兩個(gè)正向電阻值相差越大越好。 光敏三極管 光敏三極管也是基于內(nèi)光電效應(yīng)制成的光敏元件。光敏三極管結(jié)構(gòu)與一般三極管不同，通常只有兩個(gè)PN結(jié)，但只有正

28、負(fù)（C、E）兩個(gè)引腳。它的外形與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別，結(jié)構(gòu)與符號如圖3.28和圖3.29所示。 光線通過透明窗口落在基區(qū)及集電結(jié)上，使PN結(jié)產(chǎn)生光生電子一空穴對，在內(nèi)電場作用下做定向運(yùn)動，形成光電流，因此PN結(jié)的反向電流大大增加。由于光照射發(fā)射結(jié)產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于三極管的基極電流，集電極電流是光電流的刀倍。因此光敏三極管比光敏二極管的靈敏度高得多，但光敏三極管的頻率特性比二極管差，暗電流也大。 光譜特性。光敏三極管對于不同波長的入射光，其相對靈敏度Kr是不同的。圖3.28光敏三極管結(jié)構(gòu)示意圖圖3.29光敏三極管符號 b 伏安特性：光敏三極管在不同照度Ee下的伏安特性與一般三極管在不

29、同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣，只要將入射光在發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)附近所產(chǎn)生的光電流看做基極電流，就可將光敏三極管看做是一般的三極管。 c 光電特性：如圖3.31所示為光敏晶體管的光電特性曲線，其輸出電流I與照度E之間的關(guān)系可近似看做是線性關(guān)系。顯然，光敏三極管的靈敏度高于光敏二極管。圖3.30光敏三極管的光譜特性曲線圖 圖3.31光敏晶體管的光電特性曲線d 溫度特性：溫度特性是指溫度與暗電流及溫度與輸出電流之間的關(guān)系。圖3.32光敏三極管的溫度特性曲線 光敏三極管的檢測方法。用一塊黑布遮住照射光敏三極管的光，選用萬用表的Rk擋，測量其兩引腳引線間的正、反向電阻，若均為無限大時(shí)則為光敏三極管；拿走黑布，則萬用表指針向右偏轉(zhuǎn)到1530 k處，偏轉(zhuǎn)角越大，說明其靈敏度越高。（4）光電池 在大面積的N型襯底上制造一P型薄層作為光照敏感面，就構(gòu)成了最簡單的光電池。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對光生電子一空穴對，它的電場（N區(qū)帶正電，P區(qū)帶負(fù)電）使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子一空穴對分離，電子通過漂移運(yùn)動被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電