光敏傳感器光敏傳感器

光敏傳感器光敏傳感器第一頁，共六十頁，2022年，8月28日第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)目的：1、了解光敏傳感器的作用、分類和使用方法；2、熟悉常用光敏傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍；4、掌握常用光敏傳感器的工作原理及使用方法；5、學(xué)會(huì)正確選用光敏傳感器的方法。第二頁，共六十頁，2022年，8月28日第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)重點(diǎn)：1、光敏傳感器特點(diǎn)與選用；2、光敏傳感器原理及接口電路設(shè)計(jì)方法。教學(xué)難點(diǎn)：1、光溫敏傳感器工作原理；2、光敏傳感器應(yīng)用電路分析與設(shè)計(jì)方法；教學(xué)方法：1、引導(dǎo)文教學(xué)法2、引探教學(xué)法3、頭腦風(fēng)暴法第三頁，共六十頁，2022年，8月28日問題思考：1、光敏傳感器的作用是什么？2、常用的光敏傳感器有哪些種？各自的原理是什么?3、何為光電效應(yīng)？可見光的波長范圍是多少?4、光敏電阻的阻值由什么因素決定？5、光敏二極管工作在什么狀態(tài)？6、光電池的的原理是什么？7、光電開關(guān)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有哪些應(yīng)用？8、舉出20種以上光敏傳感器的應(yīng)用場景。第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù)第四頁，共六十頁，2022年，8月28日第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù)第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)—光譜與光度單位—光電效應(yīng)與光敏器件第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理—光敏傳感器組成與工作原理—光敏電阻—光敏二、三極管—光電池—紅外熱釋電傳感器第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用電路分析與訓(xùn)練—光電開關(guān)報(bào)警電路設(shè)計(jì)

—人體脈搏測量電路設(shè)計(jì)

第五頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)1.光譜

可見光的光譜范圍：380~780nm

對(duì)應(yīng)光色：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫

第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)第六頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)2.光度單位

光通量：單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生光感的能量之和

發(fā)光強(qiáng)度：光源在某一給定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量

發(fā)光效率：發(fā)射光通量與消耗電功率比值

照度：單位被照面積上接收到的光通量

亮度：視角方向上單位面積的發(fā)光強(qiáng)度第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)第七頁，共六十頁，2022年，8月28日二、光敏器件與光電效應(yīng)

1.光敏器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種元器件。

常用的光敏器件有：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、熱釋電紅外熱敏器件等。

光敏器件的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。

2.光電效應(yīng)光照射到某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)的電特性發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。

3.光電效應(yīng)的分類

第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)第八頁，共六十頁，2022年，8月28日二、光敏器件與光電效應(yīng)

1）外光電效應(yīng)在光線作用下使電子逸出物質(zhì)表面的現(xiàn)象。其中

向外發(fā)射的電子稱為光電子，能夠承受光電效應(yīng)

的物質(zhì)稱為光電材料。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管（將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的真空電子器件。）等

器件圖

第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)第九頁，共六十頁，2022年，8月28日二、光電效應(yīng)與光敏器件

2）內(nèi)光電效應(yīng)

在光線作用下所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電阻率發(fā)生變化產(chǎn)生光電流或光生伏特的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。

內(nèi)光電效應(yīng)又可分為：

光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)紅外熱釋電效應(yīng)

第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)第十頁，共六十頁，2022年，8月28日二、光敏器件與光電效應(yīng)

（1）光電導(dǎo)效應(yīng)

當(dāng)入射光子射入到半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體吸收入射光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使其電導(dǎo)率增大。

基于這種效應(yīng)的器件有光敏電阻。

（2）光生伏特效應(yīng)

在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象。基于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏二/三極管。

（3）熱釋電效應(yīng)

一些晶體受到紅外線熱輻射轉(zhuǎn)化為熱量時(shí)，兩端會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等、極性相反的電荷，這種由熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。

能夠承受熱電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電元件.

第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻1.基本概況與參數(shù)光敏電阻沒有極性,純粹是一個(gè)電阻器件,使用時(shí)既可加直流電壓,也可以加交流電壓。暗電阻：光敏電阻在不受光時(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：亮電流與暗電流之差稱為光電流。

第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻1.基本概況與參數(shù)無光照時(shí),光敏電阻值（暗電阻）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(shí),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(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí),亮電阻在幾千歐以下。

第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻2.光敏電阻特點(diǎn)光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對(duì)紅光和紅外輻射）；偏置電壓低，工作電流大；動(dòng)態(tài)范圍寬，既可測強(qiáng)光，也可測弱光；光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；無極性，使用方便；在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差光電響應(yīng)時(shí)間較長，頻率特性較差。

第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻3.光敏電阻基本特性

伏安特性

光照特性

光譜特性

響應(yīng)時(shí)間和頻率特性

溫度特性

第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻①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(guān)系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)。第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻②光照特性光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻③光譜特性光敏電阻對(duì)不同波長的光，靈敏度是不同的第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻④響應(yīng)時(shí)間和頻率特性光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后。通常用響應(yīng)時(shí)間t表示。第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻⑤溫度特性隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對(duì)長波光的響應(yīng)。第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻4.光敏電阻材料、結(jié)構(gòu)、分類與工作原理①制作材料：半導(dǎo)體：硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、硫化鉍、硒化隔、硒化鉛、碲化鉛等

②結(jié)構(gòu)與分類紫外、紅外、可見光光敏電阻

③工作原理

第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏電阻5.光敏電阻用電路分析

感光燈電路第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日二、光敏二極管1.概述

光敏二極管又稱光電二極管，是一種光電轉(zhuǎn)換器件，原理是利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，即光照到PN結(jié)上時(shí)，PN結(jié)吸收光能，產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。

基本結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。在透明玻璃外殼中，PN結(jié)裝在管的頂部，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時(shí)反向電流很小，稱為暗電流；有光照的電流較大，稱為光電流。光的照度越大，光電流越大。第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日二、光敏二極管2.光敏二極管基本特性

(1)光照特性光敏二極管的光照特性曲線的線性較好，在小負(fù)載電阻下其光電流與照度基本成線性關(guān)系。第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日

(2)光譜特性第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理二、光敏二極管2.光敏二極管基本特性第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日(3)伏安特性當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電流隨電壓變化比較敏感，這是由于反向偏壓加大了耗盡層的寬度和電場強(qiáng)度。隨反向偏壓的加大，對(duì)載流子的收集達(dá)到極限，光生電流趨于飽和，這時(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理二、光敏二極管2.光敏二極管基本特性第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日（1）當(dāng)光敏二極管加上反向電壓管子中的反向電流隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流（光電流）越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。（2）光敏二極管上不加反向電壓利用PN結(jié)在受光照時(shí)產(chǎn)生正向電壓的原理，把它用作微型光電池。這種工作狀態(tài)，一般作光電檢測器

第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理二、光敏二極管3.光敏二極管兩種工作狀態(tài)第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日有光照時(shí)，T1、T2導(dǎo)通，

繼電器線圈帶電，常閉觸

點(diǎn)斷開，燈不亮。

光線較暗時(shí)，T1、T2截止，繼電器線圈失電，常

閉觸點(diǎn)閉合，燈亮。路燈控制電路第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理二、光敏二極管4.光敏二極管應(yīng)用電路分析第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理三、光敏三極管1.光敏三極管概述

光敏晶體管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類似。不同之處是光敏晶體管有一個(gè)對(duì)光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用發(fā)射結(jié)作為受光結(jié)，基極無引出線，因此，光敏晶體實(shí)質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的三極管。當(dāng)光照射到PN結(jié)附近時(shí)，由于光生伏特效應(yīng)，產(chǎn)生光電流。光敏三極管具有比光敏二極管更高的靈敏度。IpIcIE第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理三、光敏三極管2.光敏三極管特性

光敏三極管特性與光敏二極管相似3.光敏三極管應(yīng)用電路分析第三十頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理四、光電耦合器與光電斷路器1.光電耦合器

光電耦合器是將發(fā)光元件和光敏元件合并使用并集成在一起，以光為媒介實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞的光電器件。

發(fā)光元件常采用砷化鎵發(fā)光二極管，光敏元件可以

是光敏二極管或光敏晶體管

主要作用：實(shí)現(xiàn)電-光-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理四、光電耦合器與光電斷路器2.光電斷路器

光電斷路器是將發(fā)光元件和光敏元件合并使用并相互隔開，以光為媒介實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞的光電器件。

主要作用：光電開關(guān)、產(chǎn)品計(jì)數(shù)等第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理五、光電池1.光電池分類、結(jié)構(gòu)光電池（photovoltaiccell），是一種在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢的半導(dǎo)體元件。用于光電轉(zhuǎn)換、光電探測及光能利用等方面。光電池種類很多：硅光電池、硒光電池、鍺光電池、硫化鎘光電池、砷化鎵光電池等硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散方法摻入一些P型雜質(zhì)形成PN結(jié)。第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理五、光電池2.光電池原理入射光照射在PN結(jié)上時(shí)，弱光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在內(nèi)電場作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，PN結(jié)產(chǎn)生電勢。第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理五、光電池3.光電池外形

第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理五、光電池4.光電池特性

(a)光照特性不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢是不同的。短路電流與光照度成線性關(guān)系；開路電壓與光照度是非線性的。光電池作為測量元件使用時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用。

第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理五、光電池4.光電池特性

(b)光譜特性光電池對(duì)不同波長的光，靈敏度是不同的。第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理五、光電池4.光電池特性

(c)頻率響應(yīng)指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。

硅光電池具有較高的頻率響應(yīng),用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換。第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理五、光電池4.光電池特性

(d)溫度特性

開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標(biāo)。硅光電池的溫度特性(照度1000lx)第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理五、光電池5.光電池應(yīng)用

（1）光電池作光伏器件，利用光伏作用直接把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池

（2）光電池作光電轉(zhuǎn)換器件，用于光電檢測與指導(dǎo)控制系統(tǒng)中

第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理六、紅外熱釋電傳感器

1.概述

（1）紅外輻射

紅外輻射本質(zhì)上時(shí)一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于決定零度（-273度），就會(huì)向外發(fā)射紅外線。

（2）紅外傳感器分類光電型

熱電型（熱釋電紅外傳感器）

（3）熱釋電紅外傳感器的熱釋電效應(yīng)由于溫度變化引起電介質(zhì)表面產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理六、紅外熱釋電傳感器

2.紅外熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)

第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理3.紅外熱釋電傳感器人體感應(yīng)報(bào)警電路

BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān)。第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理4.紅外熱釋電傳感器人體入侵檢測應(yīng)用電路

RP電位器為靈敏度調(diào)節(jié)，C7、R8、R10位延時(shí)電路

第四十四頁，共六十頁，2022年，8月28日一、光敏傳感器組成光源、光學(xué)通路、光敏器件、檢測處理電路。被測量的變化光信號(hào)的變化電信號(hào)的變化二、光敏傳感器工作原理把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過光敏器件變換成電信號(hào)，檢測電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理。常用光源：白熾燈、氣體放電光源、LED、激光器（固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器）第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日光敏傳感器的構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光敏器件、檢測處理電路。常用光源：白熾燈、氣體放電光源、LED、激光器（固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器）光敏傳感器特點(diǎn)：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式等四種基本形式。第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日光電開關(guān)已被用作物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識(shí)別、信號(hào)延時(shí)、自動(dòng)門傳感、色標(biāo)檢出以及安全防護(hù)等。此外，利用紅外線的隱蔽性還可在銀行、倉庫、商店、辦公室等場合作為防盜警戒之用第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例第四十八頁