第8章 光電式傳感器與轉(zhuǎn)速檢測(cè) 教案

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》

授課教案課程性質(zhì)：班級(jí)名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：8.1光電效應(yīng)8.2光電器件課時(shí)安排：2授課類型：理論課重難點(diǎn)重點(diǎn)光電式傳感器的結(jié)構(gòu)及特性難點(diǎn)光電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路教學(xué)目的和要求1．熟悉光電式傳感器的結(jié)構(gòu)及種類；2．了解光電式傳感器的特性與技術(shù)參數(shù)。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)教學(xué)內(nèi)容第8章光電式傳感器與轉(zhuǎn)速檢測(cè)8.1光電效應(yīng)光電式傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器。利用光電傳感器測(cè)量非電量時(shí)，首先將非電量的變化轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化，然后通過光電器件的作用，將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化，這樣就可以將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化而進(jìn)行檢測(cè)。8.1.1外光電效應(yīng)在光線照射下，使電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光電器件有光電管、光電倍增管等。外光電效應(yīng)可用愛因斯坦光電方程來描述1/2mv2=hf-W式中，v是電子逸出物體表面時(shí)的初速度；m是電子質(zhì)量；W是金屬材料的逸出功（金屬表面對(duì)電子的束縛）。8.1.2內(nèi)光電效應(yīng)在光線照射下，使物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電器件有光敏電阻、光敏二極管與光敏三極管等。8.1.3光生伏特效應(yīng)在光線照射下，使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)。根據(jù)光伏效應(yīng)制成的光電器件有光電池等。勢(shì)壘效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng)8.2光電器件8.2.1光電管

圖8-1光電管

圖8-2光電管受光照發(fā)射電子圖8-3真空光電管圖8-4充氣離子光電管8.2.2光電倍增管圖8-5光電倍增管外形圖圖8-6光電倍增管1．光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理光電倍增管陰極室的結(jié)構(gòu)與光陰極的尺寸和形狀有關(guān),它的作用是把陰極在光照下由外光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一倍增極的表面上。2．光電倍增管的主要參數(shù)（1）暗電流（2）光譜響應(yīng)特征3.光電倍增管的應(yīng)用8.2.3光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。1．光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)（2）光敏電阻的工作原理2.光敏電阻的分類紫外光敏電阻器、紅外光敏電阻器、可見光光敏電阻器3.光敏電阻的主要參數(shù)（1）光電流、亮電阻（2）暗電流、暗電阻（3）靈敏度（4）額定功率（5）伏安特性曲線圖8-8光敏電阻的伏安特性曲線圖8-9光敏電阻的光照特性曲線（6）光照特性（7）光譜響應(yīng)圖8-10光敏電阻的光譜特性曲線（8）溫度系數(shù)圖8-11光敏電阻的溫度特性4.光敏電阻的應(yīng)用（1）光敏電阻調(diào)光電路圖8-12典型的光控調(diào)光電路（2）光敏電阻式光控開關(guān)圖8-13典型的光控調(diào)光電路[討論1]光電器件還有哪些種類？作業(yè)布置P1638-1、8-2、8-3、8-4

課程性質(zhì)：班級(jí)名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：8.2光電器件8.3光電式傳感器的應(yīng)用課時(shí)安排：2授課類型：理論課重難點(diǎn)重點(diǎn)光電式傳感器的工作原理難點(diǎn)光電式傳感器測(cè)試應(yīng)用教學(xué)目的和要求1．掌握光電式傳感器的測(cè)量原理及應(yīng)用；2．學(xué)會(huì)合理選用光電式傳感器構(gòu)成測(cè)光檢光電路。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)教學(xué)內(nèi)容8.2光電器件8.2.4光電池光電池是一種在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的半導(dǎo)體元件。光電池的種類很多，常用有硒光電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。光電池的結(jié)構(gòu)與工作原理圖8-15光電池的示意圖+光PN－SiO2RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b)光電池的工作原理示意圖PN2.光電池的基本特性（1）光照特性圖8-17硅光電池的光照特性曲線圖（2）光電池的光譜特性圖8-18硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線（3）頻率特性圖8-19光電池的頻率特性（4）溫度特性202004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC/μA600400200UOC——開路電壓硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線圖8-20光電池的溫度特性8.2.5光敏二極管和光敏晶體管1．工作原理（a）結(jié)構(gòu)模型和符號(hào)（b）基本電路2．主要參數(shù)（1）暗電流（2）短路電流（3）正向電阻和反向電阻3．基本特性（1）光照特性(a)光敏三極管的光照特性(b)光敏二極管的光照特性圖8-23光敏二極管和光敏三極管的光照特性（2）光譜特性圖8-24光敏二極管和光敏三極管的光譜特性（3）伏安特性(a)光敏二極管的伏安特性(b)光敏三極管的伏安特性圖8-25光敏二極管和光敏三極管的伏安特性（4）響應(yīng)時(shí)間硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間約為10~6-10~7S左右，光敏晶體管的響應(yīng)速度則比相應(yīng)的二極管大約慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，而鍺管的響應(yīng)時(shí)間要比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí)。（5）溫度特性(a)光敏三極管的溫度特性(b)光敏二極管的溫度特性圖8-26光敏二極管和光敏三極管的溫度特性曲線4．光敏三極管的應(yīng)用（1）測(cè)量光亮度（2）光電隔離（3）非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)速8.3光電式傳感器的應(yīng)用8.3.1光電式傳感器的類型光電式傳感器在檢測(cè)與控制中應(yīng)用非常廣泛，按輸出形式可以分為模擬式傳感器和脈沖式傳感器兩種。按光的傳輸路徑可以分為反射式與遮斷式兩種。按被測(cè)物、光源、光敏元件三者間的關(guān)系，可以將光電式傳感器分為以下四種類型，如圖8-30所示。a)被測(cè)物是光源b)被測(cè)物吸收光通量c)被測(cè)物是有反射能力的表面d)被測(cè)物遮蔽光通量圖8-30模擬式光電傳感器的常見形式8.3.2光電式轉(zhuǎn)速表圖8-31光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表工作原理8.3.3光電式濁度儀平行平行光源光電探測(cè)放大顯示刻度校正 報(bào)警器煙道圖8-32吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖8.3.4帶材跑偏檢測(cè)儀8.3.5聲、光、觸摸三控自動(dòng)燈[討論1]光電式傳感器還有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？作業(yè)布置P1648-5、8-6、8-7、8-8

課程性質(zhì)：班級(jí)名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：實(shí)驗(yàn)十二光電二極管、三極管特性檢測(cè)課時(shí)安排：2授課類型：實(shí)訓(xùn)課重難點(diǎn)重點(diǎn)光電式傳感器的性能難點(diǎn)光電二極管、三極管特性測(cè)試教學(xué)目的和要求1. 了解光電二極管光電特性、伏安特性。2. 了解光電三極管光電特性，當(dāng)光電管的工作偏壓一定時(shí)，光電管輸出光電流與入射光的照度（或通量）的關(guān)系。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)教學(xué)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)十二光電二極管、三極管特性檢測(cè)一、實(shí)驗(yàn)原理光電二極管是一種典型的光伏器件，用高阻P型硅作為基片，表面摻雜生長(zhǎng)一層極薄的N型層（大約1μm），從而形成一很淺的表面PN結(jié)，而空間電荷區(qū)較寬，所以保證大部分光子能夠入射到耗盡層內(nèi)。由光子激發(fā)的電子-空穴對(duì)在反向偏置電壓VBB作用下形成二極管的反向光電流。此光電流通過外加負(fù)載RL后產(chǎn)生電壓信號(hào)輸出。光電三極管是一種光生伏特器件，用高阻P型硅作為基片，然后在基片表面進(jìn)行摻雜形成PN結(jié)。N區(qū)擴(kuò)散得很淺為1um左右，而空間電荷區(qū)（即耗盡層）較寬，所以保證了大部分光子入射到耗盡層內(nèi)。光子入射到耗層內(nèi)被吸收而激發(fā)電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)在外加反向偏置電壓VBB作用下，空穴流向正極，形成了三極管的反向電流即光電流。光電流通過外加負(fù)載電阻RL后產(chǎn)生電壓信號(hào)輸出。二、實(shí)驗(yàn)器材光電二極管、光電二極管變換單元、電壓表、光電三極管、光電三極管變換單元三、實(shí)驗(yàn)步驟直流穩(wěn)壓電源置V檔，光敏二極管探頭用專用導(dǎo)線一端連接后，插入照度實(shí)驗(yàn)架上傳感器安裝孔，導(dǎo)線另一端插入面板上“光敏二極管Ti”插口。開啟光強(qiáng)開關(guān)，并將光強(qiáng)/加熱開關(guān)置“5”檔，此時(shí)入射照度最大。在“光電二極管單元”如圖S12.1接線，并在負(fù)載單元中選擇R=200K作為Rf接入I/V變換器。圖S12.1光電二極管測(cè)量電路關(guān)閉光強(qiáng)開關(guān)，記下電壓表的讀數(shù)（暗電流），并將數(shù)據(jù)填入下表。隨后將光強(qiáng)/加熱開關(guān)置“1”檔。光強(qiáng)012345電壓/V電流（U/Rf）/mA開啟光強(qiáng)開關(guān)，記下電壓表讀數(shù)，并逐步將“光強(qiáng)/加熱”開關(guān)轉(zhuǎn)換到“5”檔，記下每一檔的電壓表讀數(shù)并填入上表。作出照度—電流曲線（ILi=V/Rf）。將光電二極管的“+”極與“|”之間聯(lián)線拆去，在“+”極接入-4V電壓使光電二極管出負(fù)偏壓狀態(tài)。重復(fù)4-5過程，比較一下與零偏壓是有什么區(qū)別？開啟光強(qiáng)開關(guān)，并將光強(qiáng)/加熱開關(guān)置“5”檔，同時(shí)檢查加熱開關(guān)是否關(guān)閉，仍按圖S12.1接線（零偏壓）。記錄下這時(shí)電壓表讀數(shù)，并填入下表偏壓/V0-4-6-8-10電壓Uo/V電流|Vo/Rf|/mA將光電二極管的“+”極與“|”之間聯(lián)線拆去，將“直流穩(wěn)壓電源”單元中“-Vo”端口與光電二極管“+”極相連，給二極管加上偏壓。直流穩(wěn)壓電從-4V逐步調(diào)整至-10V，記錄下每一步的電壓表讀數(shù)值。并填入上表。做出V-I曲線。將光強(qiáng)/加熱開關(guān)分別調(diào)至“4—3”檔，重復(fù)上述9-12步，比較三條V-I曲線有什么不同？直流穩(wěn)壓電源置V檔，光敏三極管探頭用專用導(dǎo)線一端連接后，插入照度實(shí)驗(yàn)架上傳感器安裝孔，導(dǎo)線另一端插入面板上“光電二極管Ti”插口。開啟電源及光強(qiáng)開關(guān)，并將光強(qiáng)/加熱開關(guān)置“5”檔，此時(shí)入射照度最大。同時(shí)檢查加熱開關(guān)是否關(guān)閉。在“光電三極管單元”如圖S12.2接線，選擇Re=200Ω,Rb=2K。關(guān)閉光強(qiáng)開關(guān)，記下電流表的讀數(shù)（暗電流），并將數(shù)據(jù)填入下表。隨后將光強(qiáng)/加熱開關(guān)置“1”檔。光強(qiáng)012345電流（mA）開啟光強(qiáng)開關(guān)