感測技術(shù)--ch2-1

1、第第2章章 光電式傳感器光電式傳感器主要內(nèi)容主要內(nèi)容光電元件 （光敏二極管、光敏三極管、 光敏電阻、光電池）紅外光傳感器光纖傳感器光柵傳感器激光傳感器 光電式傳感器的工作原理： 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。 光電器件的作用是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡婋娦盘枴?其工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)光電效應(yīng)：在光照射下，物體中的電子吸收了入射光子的能量，發(fā)生電學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)象 光電效應(yīng)的分類光電效應(yīng)的分類：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光作用下電子逸出物體表面的現(xiàn)象。光電效應(yīng)方程發(fā)生光電效應(yīng)入射光的最小頻率： 對應(yīng)的最大波長（稱紅限

2、頻率）：要發(fā)生光電效應(yīng)，入射光頻率或波長應(yīng)該滿足：0202/AvmhhAm/00/ AhcM00/AhchA或 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：光作用使光電器件的電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。如：光敏電阻。 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：光作用使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。如光電池，光敏二極管、光敏三極管。hgRhE2.1 光電元件光電元件 光電元件通常分為半導(dǎo)體光電元件和真空光電元件。 半導(dǎo)體光電元件有：光敏二極管、光敏三極管、光電池、光敏電阻等；真空光電元件有：光電倍增管等。一、光敏二極管 1、工作原理工作原理：利用光子引起的電子躍遷將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，光生電流與光強(qiáng)成正比。 用于光纖通信、紅外線遙控器、光

3、電耦合器、光電檢測等 光敏二極管在在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，沒有光照射時(shí), 反向電阻很大, 反向電流很小, 這反向電流稱為暗電流。二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。 當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí), 光子打在PN結(jié)附近, 使PN結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對。它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運(yùn)動, 形成光電流。二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大, 光電流越大。2、光敏二極管的基本特性、光敏二極管的基本特性：光譜特性光譜特性：光敏二極管在一定照度時(shí)， 輸出的光電流（或用相對靈敏度表示）與入射光波長的關(guān)系。100806040200 0.51.01.52.0入射光鍺硅K / (%)m/伏安特性伏安特性： 當(dāng)光照時(shí)，反向電流隨著

4、光照強(qiáng)度的變化。 在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行。 光的顏色會隨著溫度的升高而變化，這種光源的溫度就叫該光源的色溫色溫。0.100.080.060.040.02I / mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x0 10 20 30 40 5010864201020 304050500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI / mA反 向 電 壓 / V集 電 極 發(fā) 射 極 電 壓 / V(a)(b)色溫1526K光照特性光照特性：光電流與照度的關(guān)系，線性關(guān)系溫度特性溫度特性：暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。溫度變化 對光電流影響很小，

5、而對暗電流影響很大頻率特性頻率特性：光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種。響應(yīng)特性響應(yīng)特性：硅光敏二極管的上升時(shí)間不超過5納秒，適合用于快速響應(yīng)或高頻調(diào)制。3、光敏二極管的應(yīng)用光敏二極管的應(yīng)用 光電路燈控制電路光電路燈控制電路：無光照時(shí)，光敏二極管反向截止，R1上的壓降VA很小，T1和T2截止，繼電器J不動作，路燈保持亮； 有光照時(shí)，光敏二極管反向電阻下降， VA上升T1和T2導(dǎo)通，J動作常閉端打開，路燈保持亮。白天燈滅，晚上燈亮，起到自動控制的作用。 光強(qiáng)測量電路光強(qiáng)測量電路：由穩(wěn)壓管、光敏二極管和電橋組成測量電路。 無光照時(shí)，

6、VA很大，F(xiàn)ET導(dǎo)通，調(diào)整RW使電橋平衡，即指針為0。 有光照時(shí)，VA下降， R2上電流下降， VB減小；光照不同， VA不同， R2上壓降不同，光強(qiáng)可以通過電流計(jì)讀數(shù)顯示出來。二、光敏三極管 結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理：大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對于發(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，當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，會產(chǎn)生電子空穴對，光生電子被拉到集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。 NPc光Nebbec(a)(b)RLE光敏三極管的基本特性光敏三極管的基本特性：類似光敏二極管。光敏三極管的應(yīng)用光敏三極管的應(yīng)用 脈沖編碼器脈沖編碼

7、器：Vi是電源，V0是輸出電壓，A和B是光敏二極管的發(fā)射端和光敏三極管的接收端。轉(zhuǎn)軸以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動時(shí)，輻條樹為N的光柵轉(zhuǎn)盤也轉(zhuǎn)動，輸出電信號為頻率f = nN的脈沖 光電數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器光電數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器：原理如下圖，接收光信號的是光敏二極管或三極管。由脈沖編碼器原理， n= f / N，用頻率計(jì)測出f，就可得到轉(zhuǎn)速n。光電脈沖轉(zhuǎn)換電路如下圖 其中BG3和BG4組成射極耦合觸發(fā)器，有光照BG1時(shí)使U0為高電位，反之U0為低電位 光電式煙塵濃度計(jì)光電式煙塵濃度計(jì)：光敏三極管6和7輸出電壓U1和U2由遠(yuǎn)算器8算出U1和U2的比值，進(jìn)一步算出濃度。 電子蠟燭電子蠟燭：接通電源后，當(dāng)光敏三極管3DU無光照

8、時(shí)可控硅VS觸發(fā)端G因無觸發(fā)電流而關(guān)斷，燈ZD不亮。當(dāng)點(diǎn)燃火柴并靠近3DU時(shí)，其c、e極間電阻迅速降低，VS導(dǎo)通，燈亮。當(dāng)火柴熄滅后，由于VS有自鎖功能，燈一直亮著。若對著氣動開關(guān)SA1吹氣，SA1的動片被吹離觸點(diǎn)，切斷了燈和VS的電源，燈滅。由于VS有自鎖功能，SA1復(fù)原接通電源，燈也不會亮，只有再點(diǎn)燃火柴用光照光敏三極管才行。燈就象電子蠟燭。三、光敏電阻光敏電阻1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理、光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理 光敏電阻又稱光導(dǎo)管, 它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性, 是一個(gè)電阻器件。 制作光敏電阻的材料一般是金屬硫化物和金屬硒化物，通常采用涂敷、噴涂等方法，在陶

9、瓷基片上涂上半導(dǎo)體薄膜，經(jīng)燒結(jié)而成。 光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu)：在底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極與引出線端相連接，通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，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范圍內(nèi)透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，金 屬 電 極半 導(dǎo) 體玻 璃 底 板電 源檢 流 計(jì)RLEI(a)(b)(c)Ra光敏電阻結(jié)構(gòu) 光敏電阻電極 光敏電阻接線圖光敏電阻工作原理光敏電阻工作原理-內(nèi)光電效應(yīng) 光照射到本征半導(dǎo)體上，材料中的價(jià)帶電子吸收了光子能量躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出電子、空穴對，增

10、強(qiáng)了導(dǎo)電性能，使阻值降低。光照停止，電子空穴對又復(fù)合，阻值恢復(fù)。亮電阻很小，暗電阻很大 。 要使價(jià)帶電電子躍遷到導(dǎo)帶，入射光子的能量滿足hgE導(dǎo)帶價(jià)帶uAgREIggEhcorEh/剛好發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長為：nmEmEJEmJEhcgggg1625834010988. 110988. 1)()(10310626. 62、光敏電阻的主要參數(shù)與基本特性、光敏電阻的主要參數(shù)與基本特性主要參數(shù)有 (1) 暗電阻 亮電阻光電流 暗電阻：光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻， 此時(shí)流過的電流稱為暗電流。 亮電阻：光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。 光電流：亮電流與暗電

11、流之差稱為光電流。 (2) 光譜范圍 對應(yīng)于一定敏感程度的波長響應(yīng)區(qū)間 (3) 響應(yīng)時(shí)間 光敏電阻從停止光照到電流下降到原來值的63%所需要的時(shí)間（無其他負(fù)載），一般低于20ms基本特性基本特性：光照特性 光電靈敏度 光譜特性 1）光照特性光照特性：在一定外加電壓下，光敏電阻光電流和光照強(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。圖為硫化鎘光敏電阻的光照特性。0.050.100.150.200.250.300.350.4000.20.40.60.81.01.21.4I / mA / lm光敏電阻不光敏電阻不宜用作測量宜用作測量元件，但可元件，但可用于自動控用

12、于自動控制中的光電制中的光電開關(guān)開關(guān) 2）光電靈敏度光電靈敏度 單位光通量入射時(shí)光敏電阻輸出的光電流 單位外加電壓下的光電靈敏度稱相對靈敏度 3）光譜特性光譜特性 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。光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。ddI/UK/ 對應(yīng)于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。 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)， 常用做火焰探測器的探頭。 /A4）頻率特性頻率特性 光敏電阻的光電流不

13、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(shí)間常數(shù)表示。 大多數(shù)的光敏電阻時(shí)間常數(shù)都較大。 圖表明硫化鉛的使用頻率范圍較大。 100806040200101001 00010 000硫 化 鎘硫 化 鉛S /( %)f / Hz5）溫度特性溫度特性 光敏電阻溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)。 溫度變化時(shí)，影響光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度和暗電阻，尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的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，峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此，硫化鉛光敏 電阻要在低溫、恒 溫的條件下使用。 對于可見光的光敏 電阻， 其溫度影響 要小一

14、些。 光敏電阻優(yōu)缺點(diǎn)：光敏電阻優(yōu)缺點(diǎn)： 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)，所以應(yīng)用廣泛。此外許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。光敏電阻的缺點(diǎn)是型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開關(guān)式光電信號的傳感元件3、光敏電阻的應(yīng)用、光敏電阻的應(yīng)用1）照度監(jiān)視器 RG、R1、RW為采光電路，T1、T2為差動放大電路， T2、T3為復(fù)合開關(guān)，IC為音樂集成電路， T4、T5為復(fù)合功率放大電路， 當(dāng)光照低于100lx時(shí)， RG值大， T1截止， T2、T3導(dǎo)通，IC工作，揚(yáng)聲器發(fā)聲；當(dāng)光照高于100lx時(shí)， RG值小， T1導(dǎo)通， T2、T3截止，IC不工作，揚(yáng)聲器不發(fā)聲；2）應(yīng)急自動照明燈 SA在位置1時(shí)對蓄電池充電3）自動調(diào)光臺燈 當(dāng)開關(guān)SA1在手控位置時(shí)，與普通調(diào)光臺燈一樣，雙向可控4）帶材跑偏檢測裝置 R1作為測量元件安裝在帶