車輛傳感器基礎(chǔ)-光電式傳感器

01掌握光電式傳感器的基本知識02熟悉常用光電器件的工作原理、結(jié)構(gòu)及特點03分析光電式傳感器的應(yīng)用電路學習目標/LEARNINGGOALS一、光電式傳感器的基礎(chǔ)知識外光電效應(yīng)阻擋層光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管。在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象。如光敏電阻等屬于這類光電器件。阻擋層光電效應(yīng)又稱為光生伏特效應(yīng)在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管。二、光電式傳感器的光電器件1光電管當陰極受到適當波長的光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。二、光電式傳感器的光電器件真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點是靈敏度高。所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體,其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差。二、光電式傳感器的光電器件當入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。紫外線紫外管外形二、光電式傳感器的光電器件2光電倍增管在入射光極為微弱時，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽極二、光電式傳感器的光電器件光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理二次電子發(fā)射系數(shù)σ=二次發(fā)射電子樹／入射電子數(shù)

陽極光電倍增極光電陰極倍增極上涂有Sb-Cs(銻-銫)或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級升高。陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射。二、光電式傳感器的光電器件3光敏電阻光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的基本特性二、光電式傳感器的光電器件當無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小。當有光照時，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加。(1)光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)二、光電式傳感器的光電器件玻璃光電導(dǎo)層電極絕緣襯底金屬殼黑色絕緣玻璃引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴密封裝在帶有玻璃的殼體中。光敏電阻的結(jié)構(gòu)二、光電式傳感器的光電器件梳狀電極半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層。光敏電阻的電極一般采用梳狀，提高了光敏電阻的靈敏度。靈敏度高，光譜特性好，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定。二、光電式傳感器的光電器件1）暗電阻和暗電流光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差，稱為光電流。

3）光電流

2）亮電阻（2）光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，稱為暗電流。二、光電式傳感器的光電器件（3）光敏電阻的基本特性伏安特性光照特性光譜特性響應(yīng)時間和頻率特性溫度特性1）2）3）4）5）二、光電式傳感器的光電器件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)。二、光電式傳感器的光電器件

2）光照特性光敏電阻的光電流與光強之間的關(guān)系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件。二、光電式傳感器的光電器件3）光譜特性光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的。二、光電式傳感器的光電器件

4）響應(yīng)時間和頻率特性光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。通常用響應(yīng)時間t表示。二、光電式傳感器的光電器件光敏電阻的頻率特性不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。二、光電式傳感器的光電器件5）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。硫化鎘光敏電阻的溫度特性在一定光照下，溫度每變化1℃，光敏電阻阻值的平均變化率

溫度系數(shù)：二、光電式傳感器的光電器件溫度對光譜特性影響隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性二、光電式傳感器的光電器件4光敏二極管和光敏晶體管工作原理1基本特性2二、光電式傳感器的光電器件結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的。光敏二極管

(1)工作原理二、光電式傳感器的光電器件光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁圖）及光電特性演示。在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。當光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照二、光電式傳感器的光電器件與一般晶體管很相似，具有兩個pn結(jié)。把光信號轉(zhuǎn)換為電信號同時，又將信號電流加以放大。光敏晶體管二、光電式傳感器的光電器件

（2）基本特性光譜特性伏安特性光照特性溫度特性頻率響應(yīng)1）2）3）4）5）二、光電式傳感器的光電器件1）光譜特性入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。在紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性二、光電式傳感器的光電器件2）伏安特性硅光敏管的伏安特性二、光電式傳感器的光電器件

3）光照特性硅光敏管的光照特性光敏二極管的光照特性曲線的線性較好二、光電式傳感器的光電器件

4）溫度特性溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大。其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系二、光電式傳感器的光電器件5）頻率響應(yīng)具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流(或負載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系。

硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)二、光電式傳感器的光電器件光敏三極管外形二、光電式傳感器的光電器件5光電池有光線作用下實質(zhì)上就是電源，電路中有了這種器件就不再需要外加電源。工作原理1基本特性2二、光電式傳感器的光電器件(1)工作原理直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個大面積的pn結(jié)。當光照射到pn結(jié)上時，便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢(p區(qū)為正，n區(qū)為負)。用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來，就有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開，就可以測出光生電動勢。二、光電式傳感器的光電器件(2)基本特性光譜特性光照特性頻率響應(yīng)溫度特性穩(wěn)定性1）2）3）4）5）二、光電式傳感器的光電器件1）光譜特性光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的。二、光電式傳感器的光電器件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，應(yīng)把它當作電流源的形式來使用。2)光照特性不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的。二、光電式傳感器的光電器件光電池的短路電流外接負載電阻相對于它的內(nèi)阻來說很小情況下的電流值。負載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。二、光電式傳感器的光電器件指輸出電流隨調(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),用于高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換。3)頻率響應(yīng)二、光電式傳感器的光電器件

4)溫度特性硅光電池的溫度特性(照度1000lx)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。影響性能和壽命因素二、光電式傳感器的光電器件

5)穩(wěn)定性光電池的材料及制造工藝使用環(huán)境條件當光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時，光電池的性能是相當穩(wěn)定的硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。二、光電式傳感器的光電器件光電池外形光敏面二、光電式傳感器的光電器件能提供較大電流的大面積光電池外形二、光電式傳感器的光電器件光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能硅光電池板光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用二、光電式傳感器的光電器件6熱釋電紅外傳感器凡是自然界的物體，例如人體、冰、火焰等都會發(fā)出不同波形的紅外線。熱釋電傳感器就是一種能檢測這些物體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。檢測紅外線要比檢測可見光方便。具體原因：紅外線不受可見光的影響，可不分晝夜進行檢測。被測對象自身發(fā)射紅外線，不必另設(shè)光源。大氣對某些特定波長的紅外線吸收甚少，這些波長的紅外線非常容易被檢測出來。例如：2~2.6?，3~5?，8~14?這三個波段，它們被稱為大氣窗口。二、光電式傳感器的光電器件（1）熱釋電紅外傳感器的分類熱釋電紅外傳感器分為熱型和量子型兩種類型1）熱型

2）量子型又稱熱釋電或被動式紅外傳感器，其響應(yīng)紅外線波長范圍寬、價格便宜，適合常溫使用。但其靈敏度低、響應(yīng)速度慢。安全、報警、防盜等領(lǐng)域以熱型紅外傳感器應(yīng)用得比較廣泛。響應(yīng)紅外線波長范圍窄，價格相對較貴，要求冷卻在一定溫度下使用。但其靈敏度高、響應(yīng)速度快。二、光電式傳感器的光電器件（2）熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器（縮寫為PIR）是由高熱電系數(shù)材料配合濾光鏡片窗口組成的。它能夠以非接觸的形式檢測出人體或其他物體所發(fā)射出的紅外線變化量，并且將其轉(zhuǎn)化成電信號輸出。二、光電式傳感器的光電器件（3）熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用①人體感應(yīng)②防盜報警感應(yīng)范圍三、光電式傳感器的應(yīng)用模擬式傳感器01脈沖式傳感器02三、光電式傳感器的應(yīng)用1模擬式光電傳感器基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化，是光通量的函數(shù)。對于光通量的任意一個選定值，對應(yīng)的光電流就有一個確定的值，而光通量又隨被測非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測非電量的函數(shù)。三、光電式傳感器的應(yīng)用（1）光電式濁度計和含沙量測量將裝有濁水的試管插入儀器中三、光電式傳感器的應(yīng)用光電比色計光電比色計的工作原理三、光電式傳感器的應(yīng)用光電式濁度計工作原理被測物吸收光通量參比通道1—恒流源2—半導(dǎo)體激光器3—半反半透鏡4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池7、10—電流/電壓轉(zhuǎn)換器8—標準水樣三、光電式傳感器的應(yīng)用可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器（2）無線煙霧報警器三、光電式傳感器的應(yīng)用反射式煙霧報警器被測物體反射光通量在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達紅外光敏三極管。當煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意）。使部分紅外光到達光敏三極管，有光電流輸出。三、光電式傳感器的應(yīng)用可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器無線煙霧報警器內(nèi)部結(jié)構(gòu)三、光電式傳感器的應(yīng)用光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)。2脈沖式光電傳感器光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測量線位移、線速度、角位移、角速度(轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。三、