第十章上 光電傳感器（上）

自動檢測技術(shù)課程授課教案PAGEPAGE1第十章光電傳感器（上）課題：光電傳感器的原理課時安排：2課次編號：14教材分析難點(diǎn)光電元件的應(yīng)用電路重點(diǎn)光電元件的光譜特性和電路教學(xué)目的和要求1.了解光電元件的分類以及工作原理；2.掌握光敏電阻和光敏二極管的測量轉(zhuǎn)換電路；3.了解光敏晶體管的測量轉(zhuǎn)換電路；3.了解光電池的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂互動、分析教具：各種光電元件各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容演示：做以下的演示：將光敏電阻接到萬用表的電阻量程（1MΩ檔），測量在有光照（朝向地面、窗外、燈光等）和沒有光照（握在手心）情況下的的電阻值。可以看到：隨著光的照度的增加，光敏電阻的阻值從幾個MΩ逐漸減小。在強(qiáng)光照的情況下，大約可減小到幾個kΩ。從以上演示，引入第一節(jié)光電效應(yīng)、光電元件，以及它們的工作原理。第一節(jié)光電效應(yīng)及光電元件介紹光的物理基礎(chǔ)，愛因斯坦的諾貝爾獎，引出三種光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf的光子的轟擊，組成這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)。通常把光電效應(yīng)分為三類：（1）外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件：光電管、光電倍增管、光電攝像管等（玻璃真空管元件）。（2）內(nèi)光電效應(yīng)：在光線的作用下能使物體的電阻率改變的光電效應(yīng)基于內(nèi)光電效應(yīng)光電元件：光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管及光敏晶閘管等。（3）光生伏特效應(yīng)：在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的光電效應(yīng)?；诠馍匦?yīng)的光電元件：光電池等。圖10-1光電管及外光電效應(yīng)示意圖a）光電管b）外光電效應(yīng)示意圖1－陽極a2－陰極k3－石英玻璃外殼4－抽氣管蒂5－陽極引腳6－陰極引腳7－金屬表面8－光子9－光致發(fā)射電子一、基于外光電效應(yīng)的光電元件（只需了解應(yīng)用領(lǐng)域）由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光電陰極對不同頻率的入射光有不同的靈敏度，人們可以根據(jù)檢測對象是可見光或紫外光而選擇不同陰極材料的光電管。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。二、基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件（一）光敏電阻（掌握特性參數(shù)和應(yīng)用）1．工作原理圖10-3光敏電阻a）原理圖b）外形圖c）圖形符號光照愈強(qiáng)，光生電子-空穴對就越多，阻值就愈低。2．光敏電阻的特性和參數(shù)（1）暗電阻置于室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，通常大于1MΩ。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點(diǎn)。（2）光電特性在光敏電阻兩極電壓固定不變時，光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特性。圖10-4光敏電阻的光電特性a）光照/電阻特性b）光照/電流特性從上圖可以得出以下結(jié)論：當(dāng)光照大于100lx時，它的光電特性非線性就十分嚴(yán)重了。照度定義：E=dΦ/dA，所以1lx=1lm/m2。照度是光源照射在被照物體單位面積上的光通量。光通量是光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量總和。光通量單位：流明（lm）照度單位：勒克斯（lux）不同功率白熾燈和不同顆數(shù)LED燈及節(jié)能燈在不同距離的照度性能試驗(yàn)參數(shù)，單位為lx。環(huán)境狀態(tài)照度/lx月時的地面0.220cm遠(yuǎn)處的燭光10～15黃昏室內(nèi)1040W熒光燈正下方1．3米9040W白熾燈下1米30晚上教室桌面＞150晴天中午室內(nèi)窗口桌面2000~4000陰天中午室外6000晴天中午室外10000～80000距離白熾燈40W白熾燈60W白熾燈100WLED180顆LED72顆節(jié)能燈26W0.5m6108151542215573511821.0m1241853345891752721.5m6496179247831292.0m446512214851942.5m2946871013264解釋日常生活中的照度大小：150lx是教育部門要求所有學(xué)校課堂桌面所必須達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)照度。用照度計(jì)測量：距離為2m時，15W白熾燈的照度為50lx；節(jié)能臺燈的照度為2000lx；陰天靠窗的照度為2000lx；太陽光直接照射的照度為10000～40000lx。提問：光敏電阻光電特性為線性？非線性？能否用于光的精密測量？（只能用于定性地判斷有無光照）。價廉，雖然準(zhǔn)確度不高，但可用于照相機(jī)的測光以及控制閃光燈。（3）響應(yīng)時間光敏電阻的時延特性，上升響應(yīng)時間和下降響應(yīng)時間：10–2～10–3s，提問：光敏電阻能否用在要求快速響應(yīng)的場合？不解釋：“3．發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度簡介”。建議跳過。學(xué)生可以自己上網(wǎng)看。（二）光敏二極管、光敏晶體管1．光敏二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理：被測光必須照在PN結(jié)。分析光敏二極管的基本電路，得出結(jié)論：光敏二極管在電路中處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光照射在光敏二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。光敏二極管在應(yīng)用電路中為什么必須反向偏置？提示：否則流過它的電流就與普通二極管的正向電流一樣，不受入射光的控制。光敏二極管的反向偏置接法簡介幾種新型的光敏二極管：（1）PIN光敏二極管它是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率（響應(yīng)頻率可達(dá)GHz）。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高達(dá)100V左右，光電轉(zhuǎn)換效率較高，所以其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，，可用作光盤的讀出光敏元件，特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管還可用于測量紫外線。（2）APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）它是一種具有內(nèi)部倍增放大作用的光敏二極管。它的工作電壓高達(dá)上百伏，它的工作原理有點(diǎn)類似于雪崩型穩(wěn)壓二極管。靈敏度很高，缺點(diǎn)是噪聲大，可以用于數(shù)字光纖通信。2．光敏晶體管結(jié)構(gòu)及工作原理提示：以前教材中，有“三極管”的提法，現(xiàn)在按照國家標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一將“三極管”改稱為“晶體管”（Transistor）。解釋“光敏晶體管”與“光敏二極管”的區(qū)別，與電子學(xué)中的“普通晶體管”的區(qū)別。光敏晶體管有兩個PN結(jié)，但多數(shù)只有正、負(fù)（C、E）兩個引腳，其外形與光敏二極管相似，從外觀上較難區(qū)別。被測光線通過透明窗口落在光敏晶體管的集電結(jié)上。光敏晶體管有“電流增益”，靈敏度比光敏二極管的高β倍。圖10-8光敏晶體管圖形符號a）光敏晶體管圖形符號b）光敏達(dá)林頓晶體管圖形符號分析：光敏晶體管的頻率特性為什么比二極管差、暗電流大？因?yàn)橛谢鶚O放大，漏電流也跟著放大了，溫漂也大了。在要求穩(wěn)定性好的場合，必須選用光敏二極管，再加上低溫漂的放大器來提高靈敏度。光敏晶閘管的導(dǎo)通電流比光敏晶體管大得多，工作電壓有可高達(dá)數(shù)百伏，輸出功率大。主要用于光控開關(guān)電路及大電流光耦中。（三）光敏二極管和光敏晶體管的基本特性1．光譜特性看圖，結(jié)論：不同材料的光敏晶體管對不同波長的入射，其相對靈敏度Kr不同。圖10-9光敏晶體管的光譜特性1－常規(guī)工藝硅光敏晶體管的光譜特性2－濾光玻璃引起的光譜特性紫偏移3－濾光玻璃引起的光譜特性紅偏移顏色傳感器：能輸出紅、綠、藍(lán)三色信號。計(jì)算機(jī)根據(jù)三色信號的比例，可以判斷被測物的顏色。（2）伏安特性（只需簡介）（3）光電特性（重點(diǎn)）結(jié)論：光電流IΦ與光照度成線性關(guān)系。研究：光電特性曲線斜率與靈敏度的關(guān)系。圖10-11某系列光敏晶體管的光電特性1－光敏二極管光電特性2－光敏晶體管光電特性提問：曲線1、2哪一個為光敏二極管？為什么？求：光照度為30lx時，光敏二極管的光電流為多少μA？（4）溫度特性溫度對暗電流的影響；光敏晶體管的溫漂與光敏二極管比較；在高準(zhǔn)確度測量中選用硅光敏二極管的必要性如何提高檢測靈敏度：采用低溫漂、高準(zhǔn)確度的運(yùn)算放大器。（5）響應(yīng)時間工業(yè)級硅光敏二極管的響應(yīng)時間：10_7～10_5s左右，光敏晶體管的響應(yīng)時間與光敏二極管比較。光敏二極管頻率特性：當(dāng)光脈沖的重復(fù)頻率提高時，由于光敏二極管的PN結(jié)電容需要一定的充放電時間，所以它的輸出電流的變化無法立即跟上光脈沖的變化，輸出波形產(chǎn)生失真。提示：光敏二極管頻率特性不是指能否適應(yīng)被測光的頻率，而是指能否測量特定的光的“調(diào)制頻率”。也就是說，如果光是一閃一閃的，閃動的頻率（也稱調(diào)制頻率）從慢到快，到某一個極限頻率時，光敏二極管的輸出電流就無法響應(yīng)這個快速的變化。例如，可以用光敏二極管測量“光導(dǎo)纖維”的數(shù)字通信調(diào)制信號，但如果數(shù)字通信的速度太快，光敏二極管就沒有數(shù)字量輸出了。截止頻率、tr上升時間，tf下降時間：當(dāng)光敏二極管的輸出電流或電壓脈沖幅度減小到低頻時的1/時，失真十分嚴(yán)重，該光脈沖的調(diào)制頻率就是光敏二極管的最高工作頻率fH，又稱截止頻率。光敏晶體管的tr上升時間，tf下降時間與光敏二極管的比較。圖10-12某型號光敏二極管的頻率特性a）輸入調(diào)制光脈沖b）光敏二極管脈沖響應(yīng)提問：當(dāng)某光敏二極管的tr＝tf＝1μs時，截止頻率不可能大于多少kHz？三、基于光生伏特效應(yīng)的光電元件——光電池光電池是一種自發(fā)電型的光電傳感器（一）結(jié)構(gòu)及工作原理（介紹：與光敏二極管的區(qū)別）在大面積的P型襯底上，利用擴(kuò)散法生成一層很薄的N型受光層，作為光照敏感面。當(dāng)入射光子的能量足夠大時（就是說，光的頻率必須大于“紅限”），PN結(jié)每吸收一個光子，就產(chǎn)生一對光生電子-空穴對。PN結(jié)又稱空間電荷區(qū)，它的內(nèi)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－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，P區(qū)帶正電。PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。過去的光電池將P型硅朝著光照方向，上面覆蓋透明電極。產(chǎn)生光伏的原理與上述基本相同，但效率不高。圖10-13硅光電池a）結(jié)構(gòu)示意圖b）圖形符號c）等效電路d）外形（二）光電池的基本特性（1）光譜特性圖10-14光電池的光譜特性提問：硅光電池的靈敏度峰值波長為多少μm？（2）光電特性圖10-15某硅光電池的光電特性1－開路電壓曲線2－短路電流曲線解釋：曲線1：光電池負(fù)載開路時的“開路電壓”Uo與光照度E的關(guān)系特性曲線；曲線2：負(fù)載短路時的“短路電流”IΦ與光照度E的關(guān)系特性曲線。提問：開路電壓Uo與光照度的關(guān)系呈何種關(guān)系？（對數(shù)/指數(shù)/線性），開路電壓在多少lx以上就趨于飽和？。結(jié)論：當(dāng)負(fù)載短路時，光電流在很大范圍內(nèi)與照度成線性關(guān)系。當(dāng)希望光電池的輸出與光照度成正比時，應(yīng)把光電池作為電流源來使用；當(dāng)被測非電量是“開關(guān)量”時，可以把光電池作為電壓源來使用。提問：如果要得到1.5V的輸出電壓，提供給液晶計(jì)算器使用，大約必須將幾塊光電池串聯(lián)/并聯(lián)起來？（3）光電池的溫度特性（略）（4）頻率特性硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，頻率響應(yīng)就越高。第二節(jié)光電元件的基本應(yīng)用電路1．光敏電阻基本應(yīng)用電路分析圖a中，當(dāng)無光照時，光敏電阻RΦ很大，IΦ在RL上的壓降Uo很小。隨著入射光增大，RΦ減小，Uo隨之增大。圖b的情況恰好與圖a相反，入射光增大，Uo反而減小。圖10-17光敏電阻基本應(yīng)用電路a）Uo與光照變化趨勢相同的電路b）Uo與光照變化趨勢相反的電路2．光敏二極管應(yīng)用電路利用反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。圖10-18光敏二極管的一種應(yīng)用電路請學(xué)生逐步分析：強(qiáng)光照時，Uo為何電平？3．光敏晶體管應(yīng)用電路光敏晶體管在電路中：集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。與普通晶體管工作在放大區(qū)時條件？圖10-19光敏晶體管的兩種常用電路a）射極輸出電路b）集電極輸出電路表10-3輸出狀態(tài)比較電路型式無光照時強(qiáng)光照時晶體管狀態(tài)ICUo晶體管狀態(tài)ICUo射極輸出截止00（低電平）飽和（VCC-0.３）/RLVCC-UCES(高電平)集電極輸出截止0VCC（高電平）飽和（VCC-0.３）/RLUCES(0.3V，低電平)分析表10-3：射極輸出電路的輸出電壓變化與光照的變化趨勢相同，而集電極輸出恰好相反。例10-1是利用光敏晶體管來達(dá)到強(qiáng)光照時繼電器吸合的光控繼電器電路如圖10-20，請分析工作過程（主要是得出光照與繼電器的狀態(tài)關(guān)系）。解當(dāng)無光照時，V1截止，IB=0，V2也截止，繼電器KA處于失電（釋放）狀態(tài)。當(dāng)有強(qiáng)光照時，V1產(chǎn)生較大的光