第8章光電式傳感器

1、第八章第八章 光電傳感器光電傳感器2022-6-241 2022-6-242一、教學(xué)目標(biāo)一、教學(xué)目標(biāo)（1 1）了解光電元件的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)。了解光電元件的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)。 （2 2）掌握光電式傳感器的工作原理及光電元件的基本應(yīng)用電路。）掌握光電式傳感器的工作原理及光電元件的基本應(yīng)用電路。（3 3）熟悉光電式傳感器在工程上的應(yīng)用。）熟悉光電式傳感器在工程上的應(yīng)用。二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1 1、重點(diǎn)：、重點(diǎn)：光電效應(yīng)和光電元件。光電效應(yīng)和光電元件。2 2、難點(diǎn)：、難點(diǎn)：光電元件的基本應(yīng)用電路。光電元件的基本應(yīng)用電路。三、教學(xué)學(xué)時(shí)三、教學(xué)學(xué)時(shí) 6 6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 8.1 光電效應(yīng)與光電元件光電效應(yīng)

2、與光電元件 8.2 光電元件的基本應(yīng)用電路光電元件的基本應(yīng)用電路 8.3 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 19051905年德國(guó)物理學(xué)家年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射效說(shuō)解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得應(yīng)，并為此而獲得19211921年諾貝爾物理學(xué)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獎(jiǎng)。 2022-6-2448.1 8.1 光電效應(yīng)與光電元件光電效應(yīng)與光電元件 8.1.1 8.1.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 一束光是由一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流一束光是由一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流組成的，這些粒子稱(chēng)為組成的，這些粒子稱(chēng)為光子光子。 光子具有光子具有能量，每個(gè)光子具有的能量由下式確定：能

3、量，每個(gè)光子具有的能量由下式確定： E=h f （10-1） 式中：式中： h普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)=6.62610-34(Js) f光的頻率（光的頻率（s-1）。）。 光光 電電 效效 應(yīng)應(yīng): :當(dāng)用光照射在某一物體上時(shí)，可以看當(dāng)用光照射在某一物體上時(shí)，可以看做是物體受到一連串能量為做是物體受到一連串能量為hfhf的光子的光子轟擊，組成這種物體的材料轟擊，組成這種物體的材料吸收了光吸收了光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的現(xiàn)象子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的現(xiàn)象 （如（如發(fā)射光電子、電導(dǎo)率變化、產(chǎn)生電動(dòng)發(fā)射光電子、電導(dǎo)率變化、產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等），這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。勢(shì)等），這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)光電效應(yīng)外

4、光電效應(yīng)：光電管、光電倍增管外光電效應(yīng)：光電管、光電倍增管光敏電阻、光敏二極管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管光敏三極管內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：光電池光生伏特效應(yīng)：光電池1. 1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子?；谕夤怆娤蛲獍l(fā)射的電子叫光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有紫外光電管、光電倍效應(yīng)的光電器件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。增管、光電攝像管等。 光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光照射物體，可以看成一連串具

5、有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過(guò)逸出功量超過(guò)逸出功A0時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，產(chǎn)生光電子發(fā)射， 超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒定理出電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒定理式中：式中：m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量； v0電子逸出初速度。電子逸出初速度。 20012EhfmvA 上式為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程式上式為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程式, 由式可知：由式可知： 1)光子能量必須光子能量必須超過(guò)超過(guò)逸出功逸出功A0，才能產(chǎn)生光，才能產(chǎn)生光電子；電子； 2)入射光的頻譜成分

6、不變，產(chǎn)生的入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光電子與光強(qiáng)成正比；光強(qiáng)成正比； 3)光電子逸出物體表面時(shí)光電子逸出物體表面時(shí)具有初始動(dòng)能具有初始動(dòng)能 ，因此對(duì)于外光電效應(yīng)器件，因此對(duì)于外光電效應(yīng)器件， 即使不即使不加初始陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生，為使光加初始陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零，電流為零， 必須加負(fù)的截止電壓必須加負(fù)的截止電壓。 2021mv2.內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線的作用下使物內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線的作用下使物體的體的電阻率發(fā)生改變電阻率發(fā)生改變的光電效應(yīng)。的光電效應(yīng)。常常見(jiàn)的基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光見(jiàn)的基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏

7、二極管、光敏三極管和敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管等。光敏晶閘管等。 3.光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)是指在光線照射下，光生伏特效應(yīng)是指在光線照射下，半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料吸收光能后，引起吸收光能后，引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)的現(xiàn)象。常見(jiàn)的基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光象。常見(jiàn)的基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池。電池。 圖圖8-1 PN8-1 PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)結(jié)的光生伏特效應(yīng)1） 光電管光電管(a)真空光電管真空光電管 (b)充氣光電管充氣光電管圖圖8-2 光電管的結(jié)構(gòu)示意圖光電管的結(jié)構(gòu)示意圖8.1.2 光電元件光電元件 1.基于外光電效應(yīng)的光電元件

8、基于外光電效應(yīng)的光電元件 光電管的工作原理光電管的工作原理當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線（紫外線）照射時(shí)便當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線（紫外線）照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，在（發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，在（紫外）光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生紫外）光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。了電流。2）光電倍增管）光電倍增管 在入射光極為微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就在入射光極為微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小。很小。 光電倍增管：放大光電流光電倍增管：放大光電流 組成：光電陰極組成：光電陰極+ +若干倍增極若干倍增極+ +陽(yáng)極陽(yáng)極 2.基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件基于

9、內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件光敏電阻的工作原理光敏電阻的工作原理 光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管, 它幾乎都是用它幾乎都是用半半導(dǎo)體材料導(dǎo)體材料制成的光電器件。制成的光電器件。 光敏電阻沒(méi)有極性光敏電阻沒(méi)有極性, 純粹是一個(gè)電阻器純粹是一個(gè)電阻器件件, 使用時(shí)既可加直流電壓使用時(shí)既可加直流電壓, 也可以加交也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí)流電壓。無(wú)光照時(shí), 光敏電阻值（暗電光敏電阻值（暗電阻）很大阻）很大, 電路中電流（暗電流）很小。電路中電流（暗電流）很小。1 1）光敏電阻）光敏電阻 當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí), 它的它的阻值（亮電阻）急劇減少阻值（亮電阻）

10、急劇減少, 電路中電路中電流迅速增大電流迅速增大。 一般希望一般希望暗電阻越大越暗電阻越大越好好, 亮電阻越小越好亮電阻越小越好,此時(shí)光敏電阻的靈此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。敏度高。 實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí)在兆歐級(jí), 亮電阻在幾千歐以下。亮電阻在幾千歐以下。光敏電阻演示 2022-6-2418暗電流（越小越好）暗電流（越小越好） 當(dāng)當(dāng)無(wú)光照無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值時(shí)，光敏電阻值(暗電阻暗電阻)很大，很大，電路中電路中電流（暗電流）很小電流（暗電流）很小。 當(dāng)光敏電阻當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)受到光照時(shí)，光生電子，光生電子空空穴對(duì)增加，穴對(duì)增加，阻值（亮電阻）減小，電流阻

11、值（亮電阻）減小，電流（亮電流）增大。（亮電流）增大。光敏電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)光敏電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8-6 光敏電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1玻璃； 2光電導(dǎo)層； 3電極； 4絕緣襯底； 5金屬殼； 6黑色絕緣玻璃； 7引線 半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生光電效應(yīng)只限于光照的半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生光電效應(yīng)只限于光照的表面層，所以光敏電阻的電極一般表面層，所以光敏電阻的電極一般采用梳狀采用梳狀，這樣可以這樣可以提高光敏電阻的靈敏度提高光敏電阻的靈敏度。 圖8-7 梳狀光敏電阻光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻和暗電流暗電阻和暗電流 光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱(chēng)為暗電阻，光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱(chēng)為暗電阻， 此

12、時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流。此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流。（2）亮電阻和亮電流亮電阻和亮電流 光敏電阻在某一光照下的阻值，稱(chēng)為該光照光敏電阻在某一光照下的阻值，稱(chēng)為該光照下的亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。下的亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。（3）光電流光電流 亮電流與暗電流之差，稱(chēng)為光電流。亮電流與暗電流之差，稱(chēng)為光電流。（4）響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間。光敏電阻具有。光敏電阻具有延時(shí)特性延時(shí)特性，上升，上升響應(yīng)的時(shí)間和下降響應(yīng)的時(shí)間均為響應(yīng)的時(shí)間和下降響應(yīng)的時(shí)間均為102103 s，可見(jiàn)光敏電阻可見(jiàn)光敏電阻不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。 光敏電阻光敏電阻 當(dāng)光敏電阻受到光當(dāng)光敏電

13、阻受到光照時(shí)，照時(shí)， 阻值減小。阻值減小。2022-6-24232）光敏二極管）光敏二極管 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。 它裝在透它裝在透明玻璃外殼中明玻璃外殼中, 其其PN結(jié)裝在管的頂部結(jié)裝在管的頂部, 可以直接受可以直接受到光照射到光照射。 光敏二極管在電路中一般是處于光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀反向工作狀態(tài)態(tài), , 在沒(méi)有光照射時(shí)在沒(méi)有光照射時(shí), , 反向電阻很大反向電阻很大, , 反向反向電流很小。電流很小。 當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)結(jié)上時(shí), 光子打在光子打在PN結(jié)附近結(jié)附近, 使使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空

14、穴對(duì)。從而使結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)。從而使P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子的濃度增加，在區(qū)的少數(shù)載流子的濃度增加，在外加反外加反向的電壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下作向的電壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng)定向運(yùn)動(dòng), 形成形成光電流。光電流。 光的照度越大光的照度越大, 光電流越大光電流越大。 因此光敏二極管因此光敏二極管在不受光照射時(shí)在不受光照射時(shí), 處于截止?fàn)顟B(tài)處于截止?fàn)顟B(tài), 受光照射時(shí)受光照射時(shí), 處于導(dǎo)通狀態(tài)。處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖圖8-9 光敏二極管的工作原理光敏二極管的工作原理光敏二極管的反向偏置接法 在沒(méi)有光照時(shí)，由于在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所二極管反向偏置，所以反向電流很小，這以反向電流很

15、小，這時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流，時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的光照射在二極管的PN結(jié)上時(shí)，電子結(jié)上時(shí)，電子-空穴對(duì)空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流也數(shù)量增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。照度成正比。 2022-6-2427光敏二極管的光譜特性光敏二極管的光譜特性 硅光敏二極管的光譜響應(yīng)波段為硅光敏二極管的光譜響應(yīng)波段為0.41.5 m范圍，鍺光敏二極管的光譜響應(yīng)波段為范圍，鍺光敏二極管的光譜響應(yīng)波段為0.62.5 m范圍。范圍。 一種光敏二極管一種光敏二極管只對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光敏只對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光敏感，

16、這是選擇光敏二極管的重要依據(jù)之一。感，這是選擇光敏二極管的重要依據(jù)之一。 圖8-10 光敏二極管的光譜特性光敏二極管外形 2022-6-2429光敏二極管陣列光敏二極管陣列包含包含1024個(gè)個(gè)InGaAs元件的線性光電二極管陣列，元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡?？捎糜诜止忡R。紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形 2022-6-2431紅外發(fā)射管紅外發(fā)射管紅外接收管紅外接收管3）光敏三極管 光敏三極管有兩個(gè)光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。與普通三極管相結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。 多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線，只有多數(shù)光

17、敏三極管的基極沒(méi)有引出線，只有正負(fù)（正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。 2022-6-2432光敏三極管外形 2022-6-2433光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu) a) 內(nèi)部組成 b)管芯結(jié)構(gòu) c）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 1集電極引腳 2管芯 3外殼 4玻璃聚光鏡 5發(fā)射極引腳 6N+ 襯底 7N型集電區(qū) 8SiO2保護(hù)圈 9集電結(jié) 10P型基區(qū) 11N型發(fā)射區(qū) 12發(fā)射結(jié) 2022-6-2434 大多數(shù)光敏三極管的基極無(wú)引出線大多數(shù)光敏三極管的基極無(wú)引出線, 當(dāng)集電極當(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)加上相對(duì)于

18、發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí), 集電結(jié)就是反向偏壓集電結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí), 就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)空穴對(duì), 光生電子被拉光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，基極與發(fā)射極間的到集電極，基區(qū)留下空穴，基極與發(fā)射極間的電壓升高，使大量電子由發(fā)射極經(jīng)過(guò)基區(qū)流向電壓升高，使大量電子由發(fā)射極經(jīng)過(guò)基區(qū)流向集電極，其中少量電子與基區(qū)空穴復(fù)合從而形集電極，其中少量電子與基區(qū)空穴復(fù)合從而形成光生電流成光生電流, 相當(dāng)于三極管的基極電流，而大相當(dāng)于三極管的基極電流，而大部分流向集電極形成集電極電流即光電流，因部分流向集電極形成集電極電流即光電流，因此

19、此光電流是光生電流的光電流是光生電流的倍倍, 所以光敏三極管有所以光敏三極管有放大作用放大作用。3.基于光生伏特效應(yīng)的光電元件基于光生伏特效應(yīng)的光電元件 在在N型襯底上制造一薄層型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子對(duì)光生電子空穴對(duì)，空穴對(duì)， 光生電子光生電子空穴對(duì)的的空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，型區(qū)，空穴留在空穴留在P區(qū)，所以區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)

20、帶正電。區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出光生電動(dòng)勢(shì)輸出。 2022-6-2436光電池光電池外形外形2022-6-2437光敏面光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形2022-6-2438其他光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用2022-6-2439柔光罩下面為圓形光電池光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用2022-6-2440太陽(yáng)能賽車(chē)太陽(yáng)能賽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型太陽(yáng)能太陽(yáng)能 硅光電池板硅光電池板光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）2022-6-2441太陽(yáng)能發(fā)

21、電太陽(yáng)能發(fā)電光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）2022-6-2442光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用8.2光電元件的基本應(yīng)用電光電元件的基本應(yīng)用電路路8.2.1 光敏電阻的基本應(yīng)用電路光敏電阻的基本應(yīng)用電路2022-6-2443a）U與光照變化趨勢(shì)相同的電路與光照變化趨勢(shì)相同的電路 b）U與光照變化趨勢(shì)相反的電路與光照變化趨勢(shì)相反的電路 8.2.2光敏二極管的基本應(yīng)用電路光敏二極管的基本應(yīng)用電路 利用反相器利用反相器可將光敏二可將光敏二極管的輸出極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。電平。 2022-6-24448.2.3光敏三極管的基本應(yīng)用電路光敏三

22、極管的基本應(yīng)用電路（a）發(fā)射極輸出電路）發(fā)射極輸出電路 （b）集電極輸出電路）集電極輸出電路圖圖8-16 鍺光敏三極管的兩種基本應(yīng)用電路鍺光敏三極管的兩種基本應(yīng)用電路 由表由表8-1可知，發(fā)射極輸出電路的輸出電壓變化可知，發(fā)射極輸出電路的輸出電壓變化與光照的變化趨勢(shì)相同，而集電極輸出電壓恰好與光照的變化趨勢(shì)相同，而集電極輸出電壓恰好相反。相反。表表8-1 8-1 鍺光敏三極管發(fā)射極和集電極輸出電路狀態(tài)的比較鍺光敏三極管發(fā)射極和集電極輸出電路狀態(tài)的比較電路形電路形式式無(wú)光照時(shí)無(wú)光照時(shí)強(qiáng)光照時(shí)強(qiáng)光照時(shí)三極管三極管狀態(tài)狀態(tài)I IC CU Uo o三極三極管狀管狀態(tài)態(tài)I IC CU Uo o發(fā)射極發(fā)射

23、極輸出電輸出電路路截止截止0 00 0（低電（低電平）平）飽和飽和（U UCCCC0.0.）/ /R RL LI IC CR RL L（高電平）（高電平）集電極集電極輸出電輸出電路路截止截止0 0U UCCCC（高（高電平）電平）飽和飽和（U UCCCC0.0.）/ /R RL LU UCC CC I IC CR RL L（低電平）（低電平） 當(dāng)無(wú)光照時(shí)，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，V1截止，截止，I =0，則，則V2處于什么處于什么狀態(tài)？繼電器狀態(tài)？繼電器KA吸合還是釋放？如果將吸合還是釋放？如果將V1與與R b2位置上下對(duì)調(diào)，其結(jié)果如何？位置上下對(duì)調(diào)，其結(jié)果如何？ 2022-6-2447光電元件的應(yīng)用1、

24、光電耦合器光電元件的應(yīng)用2、光電開(kāi)關(guān)光電元件的應(yīng)用3、光電續(xù)電器8.3.新型光電傳感器新型光電傳感器8.3.1 色彩傳感器色彩傳感器 在單晶硅晶片上做兩個(gè)在單晶硅晶片上做兩個(gè)PN結(jié)，如圖結(jié)，如圖8-21（a）所示，其等效電路圖如圖所示，其等效電路圖如圖8-21（b）所示，）所示，PNP的結(jié)構(gòu)可以看作是兩個(gè)光敏二極管的結(jié)構(gòu)可以看作是兩個(gè)光敏二極管 及及 的反向連的反向連接。接。（a） 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) （b） 等效電路等效電路 圖圖8-21 色彩傳感器的結(jié)構(gòu)與等效電路色彩傳感器的結(jié)構(gòu)與等效電路色彩傳感器8.3.2 紅外傳感器紅外傳感器自然界的一切物體都會(huì)發(fā)出紅外線。紅外輻射俗稱(chēng)紅外線，自然界的一切物體都

25、會(huì)發(fā)出紅外線。紅外輻射俗稱(chēng)紅外線，是一種不可見(jiàn)光，由于是可見(jiàn)光中紅色光以外的光線，因此是一種不可見(jiàn)光，由于是可見(jiàn)光中紅色光以外的光線，因此被稱(chēng)為紅外線被稱(chēng)為紅外線(波長(zhǎng)：波長(zhǎng)：0.76-1000um)。大氣窗口大氣窗口：波長(zhǎng)在：波長(zhǎng)在2-2.6um，3-5um,8-14um的紅外線非常容的紅外線非常容易穿透大氣，把它們稱(chēng)為大氣窗口。易穿透大氣，把它們稱(chēng)為大氣窗口。 圖圖8-24 光譜特性圖光譜特性圖熱釋電傳感器簡(jiǎn)介 熱釋電紅外傳感器是一種能熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。早在發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。早在1938年，有人提出過(guò)利用熱釋電

26、效應(yīng)探測(cè)紅年，有人提出過(guò)利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶又興起了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用。體的應(yīng)用。 2022-6-2455熱釋電傳感器的內(nèi)部電路熱釋電傳感器的內(nèi)部電路2022-6-2456兩塊反向兩塊反向串聯(lián)的熱串聯(lián)的熱釋電晶片釋電晶片場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管原理：熱釋電晶片檢測(cè)到外界的紅外線時(shí)，原理：熱釋電晶片檢測(cè)到外界的紅外線時(shí)，導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通產(chǎn)生信號(hào)，輸出信號(hào)反應(yīng)導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通產(chǎn)生信號(hào)，輸出信號(hào)反應(yīng)被測(cè)紅外線信號(hào)被測(cè)紅外線信號(hào)。熱釋電傳感器工作原理 熱釋電晶片表面必須罩上一塊

27、由一組平行的熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡，每一透鏡單元，每一透鏡單元都都只有一個(gè)不大的視場(chǎng)角只有一個(gè)不大的視場(chǎng)角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動(dòng)時(shí)，順次地進(jìn)入第一、第二視視野范圍中運(yùn)動(dòng)時(shí)，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場(chǎng)，晶片上的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱單元透鏡的視場(chǎng)，晶片上的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出釋電單元將輸出一串交變脈沖信號(hào)一串交變脈沖信號(hào)。當(dāng)然，如。當(dāng)然，如果人體果人體靜止不動(dòng)靜止不動(dòng)地站在熱釋電元件前面，它是地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見(jiàn)視而不見(jiàn)”的。的。 2022-6-2457菲涅爾透鏡菲涅爾透

28、鏡菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡2022-6-2458熱釋電晶片熱釋電晶片 熱釋電晶體已廣泛用于熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器以及熱輻射探測(cè)器。除了在樓道。除了在樓道自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜報(bào)警報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。比上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。比如：在房間無(wú)人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)；如：在房間無(wú)人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)；電視機(jī)能判斷無(wú)人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)電視機(jī)能判斷無(wú)人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)機(jī)的電路；開(kāi)啟監(jiān)視器或自動(dòng)門(mén)鈴上的應(yīng)用；攝機(jī)的電路；開(kāi)啟監(jiān)視器或自動(dòng)門(mén)鈴上的應(yīng)用；攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或

29、人的活動(dòng)等影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)等等等8.3.3 圖像傳感器圖像傳感器圖像傳感器是利用光圖像傳感器是利用光傳感器的光電轉(zhuǎn)換功能傳感器的光電轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光信號(hào)圖像轉(zhuǎn)換為與之成比例將其感光面上的光信號(hào)圖像轉(zhuǎn)換為與之成比例關(guān)系的電信號(hào)圖像的一種功能器件關(guān)系的電信號(hào)圖像的一種功能器件。攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、彩信手機(jī)上廣泛使用的是攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、彩信手機(jī)上廣泛使用的是固態(tài)圖像傳感器，分為固態(tài)圖像傳感器，分為CCD圖像傳感器和圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。圖像傳感器。固態(tài)圖像傳感器是在單晶硅襯底上布設(shè)若干個(gè)固態(tài)圖像傳感器是在單晶硅襯底上布設(shè)若干個(gè)光敏單元與移位寄存器，集成制造的

30、功能化的光敏單元與移位寄存器，集成制造的功能化的光電轉(zhuǎn)換器件，其中光電轉(zhuǎn)換器件，其中光敏單元光敏單元也稱(chēng)為也稱(chēng)為像素像素，我，我們常說(shuō)的們常說(shuō)的分辨率是指單位面積上的像素分辨率是指單位面積上的像素。 1.CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器（電荷耦合器件）圖像傳感器 圖圖8-29 CCD電荷耦合器件電荷耦合器件 1.CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器工作原（電荷耦合器件）圖像傳感器工作原理理 圖圖8-29 CCD電荷耦合器件電荷耦合器件當(dāng)入射光作用在當(dāng)入射光作用在P型襯底上時(shí)，載流子吸收吸收能量。由于在柵極上加型襯底上時(shí)，載流子吸收吸收能量。由于在柵極上加上脈沖信號(hào)，電子被吸引到加了脈沖信號(hào)的柵極下

31、方。根據(jù)柵極所加信上脈沖信號(hào)，電子被吸引到加了脈沖信號(hào)的柵極下方。根據(jù)柵極所加信號(hào)不同，電子被吸引到不同的柵極下方，由此完成信號(hào)的輸出。然后由號(hào)不同，電子被吸引到不同的柵極下方，由此完成信號(hào)的輸出。然后由儲(chǔ)存器存儲(chǔ)形成圖像。輸出電荷經(jīng)放大器放大變成一連串的模擬脈沖信儲(chǔ)存器存儲(chǔ)形成圖像。輸出電荷經(jīng)放大器放大變成一連串的模擬脈沖信號(hào)。每一個(gè)脈沖信號(hào)反應(yīng)一個(gè)光敏元件的受光情況，脈沖幅度反應(yīng)該光號(hào)。每一個(gè)脈沖信號(hào)反應(yīng)一個(gè)光敏元件的受光情況，脈沖幅度反應(yīng)該光敏元件受光的強(qiáng)弱，脈沖順序反應(yīng)光敏元件的位置，即光點(diǎn)的位置，這敏元件受光的強(qiáng)弱，脈沖順序反應(yīng)光敏元件的位置，即光點(diǎn)的位置，這就實(shí)現(xiàn)了光圖像轉(zhuǎn)化成電圖

32、像。就實(shí)現(xiàn)了光圖像轉(zhuǎn)化成電圖像。 2. CMOS圖像傳感器圖像傳感器1、當(dāng)柵極電壓為零時(shí)：、當(dāng)柵極電壓為零時(shí)： 無(wú)光照無(wú)光照CMOS管截止，管截止，iD =0 有光照有光照CMOS管產(chǎn)生并存儲(chǔ)光電荷。管產(chǎn)生并存儲(chǔ)光電荷。2、加上柵極電壓，源級(jí)通過(guò)漏極電阻形成電、加上柵極電壓，源級(jí)通過(guò)漏極電阻形成電流，由此反應(yīng)光信號(hào)的變化。流，由此反應(yīng)光信號(hào)的變化。圖圖8-32 CMOS型光電放大器件型光電放大器件圖圖8-33 CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成線型圖像傳感器構(gòu)成1、一個(gè)光敏元件和一個(gè)MOSFET組成一個(gè)像素，光敏二極管受光照時(shí)，產(chǎn)生與入射光量成正比的電荷2、掃描電路實(shí)際上是移位寄存器，用于信號(hào)存儲(chǔ)。3

33、. CCD和和CMOS圖像傳感器的比較圖像傳感器的比較 CCD圖圖像傳感器具有像傳感器具有成像效果好成像效果好的特點(diǎn)，但是的特點(diǎn)，但是比較費(fèi)比較費(fèi)電，成本較高電，成本較高，因此常用于，因此常用于數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)；CMOS圖像傳感圖像傳感器具有器具有省電、成本低省電、成本低的特點(diǎn)，但是的特點(diǎn)，但是成像效果較差成像效果較差，故，故常用于常用于手機(jī)手機(jī)。根據(jù)被測(cè)物、光源、光電器件根據(jù)被測(cè)物、光源、光電器件三者之間的關(guān)系，模擬式光電三者之間的關(guān)系，模擬式光電傳感器通常有四種測(cè)量方式：傳感器通常有四種測(cè)量方式： 輻射式、輻射式、 吸收式、吸收式、 反射式、反射式、 遮光式、遮光式、8.4 光電式傳感器的

34、應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用8.4.1光源本身是被測(cè)物體的應(yīng)用實(shí)例光源本身是被測(cè)物體的應(yīng)用實(shí)例 光源本身是被測(cè)物，被測(cè)物發(fā)出的光量投射光源本身是被測(cè)物，被測(cè)物發(fā)出的光量投射到光電器件上，光電器件的輸出反映了光源到光電器件上，光電器件的輸出反映了光源的某些參數(shù)。典型應(yīng)用如非接觸式高溫測(cè)量、的某些參數(shù)。典型應(yīng)用如非接觸式高溫測(cè)量、光照度計(jì)等。光照度計(jì)等。輻射式輻射式2022-6-2468光的照度光的照度E的單的單位是位是lx（勒克勒克斯），它是常用斯），它是常用的光度學(xué)單位之的光度學(xué)單位之一，它表示受照一，它表示受照物體被照亮程度物體被照亮程度的物理量，可以的物理量，可以用照度計(jì)來(lái)測(cè)量。用照度計(jì)來(lái)測(cè)量。

35、 光電池（外加柔光罩）光電池（外加柔光罩）1.1.紅外線輻射溫度計(jì)：紅外線輻射溫度計(jì)： 自然界的物體都會(huì)發(fā)出紅外線。自然界的物體都會(huì)發(fā)出紅外線。 紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測(cè)量，又可用紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測(cè)量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測(cè)量，所以是輻射溫度計(jì)于冰點(diǎn)以下的溫度測(cè)量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。的發(fā)展趨勢(shì)。 市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度范圍可以從市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度范圍可以從-303000，中間分成若干個(gè)不同的規(guī)格，中間分成若干個(gè)不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號(hào)。可根據(jù)需要選擇適合的型號(hào)。2022-6-2469紅外線輻射溫度計(jì)外形激光僅 用于瞄準(zhǔn)2022-6-2470紅外

36、線輻射溫度計(jì)外形 紅外線輻射溫度計(jì)紅外線輻射溫度計(jì)用于食品溫度測(cè)量用于食品溫度測(cè)量2022-6-2471紅外線輻射溫度計(jì)用于人體額溫測(cè)量2022-6-2472 紅外線輻射溫度計(jì)在非紅外線輻射溫度計(jì)在非接接 觸溫度測(cè)量中的應(yīng)觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用用2022-6-2473集成集成IC 溫度測(cè)量溫度測(cè)量2.2.熱釋電傳感器在人體檢測(cè)、報(bào)警中的應(yīng)用熱釋電傳感器在人體檢測(cè)、報(bào)警中的應(yīng)用 熱釋電元件在紅外線檢測(cè)中得到廣熱釋電元件在紅外線檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的人體檢測(cè)，如防盜門(mén)、賓館輻射的人體檢測(cè)，如防盜門(mén)、賓館大廳自動(dòng)門(mén)、自動(dòng)燈的控制等。大廳自動(dòng)門(mén)、自動(dòng)

37、燈的控制等。 2022-6-2474熱釋電元件外形熱釋電元件外形 菲涅爾透鏡外形2022-6-2475傳感器不加菲涅爾透鏡時(shí)，其檢測(cè)距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測(cè)距離可增加3倍以上。熱釋電套件2022-6-2476熱釋電報(bào)警器熱釋電報(bào)警器菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡2022-6-2477設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕高分貝喇叭高分貝喇叭熱釋電報(bào)警器（續(xù)）熱釋電報(bào)警器（續(xù)）菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡2022-6-2478熱釋電報(bào)警器（續(xù)）熱釋電報(bào)警器（續(xù)） 吸頂式吸頂式 熱釋電報(bào)警器熱釋電報(bào)警器2022-6-2479熱釋電傳感器應(yīng)用熱釋電傳感器應(yīng)用 熱釋電傳感器熱釋電傳感器用于自動(dòng)亮燈，用于自動(dòng)亮燈，當(dāng)然也可以用當(dāng)然

38、也可以用于防盜于防盜2022-6-2480熱釋電傳感器熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍的感應(yīng)范圍自動(dòng)感應(yīng)燈（參考施特朗公司資料）2022-6-2481 光源發(fā)射的光量穿過(guò)被測(cè)物。一部分光量由光源發(fā)射的光量穿過(guò)被測(cè)物。一部分光量由被測(cè)物吸收，剩余的光量照射到光電器件上，被測(cè)物吸收，剩余的光量照射到光電器件上，被吸收的光量與被測(cè)物透明度有關(guān)，如圖被吸收的光量與被測(cè)物透明度有關(guān)，如圖(a)所示。典型應(yīng)用如透明度計(jì)、濁度計(jì)等。所示。典型應(yīng)用如透明度計(jì)、濁度計(jì)等。 吸收式吸收式8.4.2 被測(cè)物體吸收光通量的應(yīng)用實(shí)例被測(cè)物體吸收光通量的應(yīng)用實(shí)例 光電式濁度計(jì)和含沙量測(cè)量光電式濁度計(jì)和含沙量測(cè)量2022-6-2483將裝有濁水的試管將裝有濁水的試管插入儀器中插入儀器中光電式濁度計(jì)工作原理光電式濁度計(jì)工作原理 1恒流源恒流源 2半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 3半反半透鏡半反半透鏡 4反射鏡反射鏡 5被測(cè)水樣被測(cè)水樣 6、9光電池光電池 7、10電流電流/電壓轉(zhuǎn)換器電壓轉(zhuǎn)換器 8標(biāo)準(zhǔn)水