《物理（醫(yī)藥衛(wèi)生類）》教案 高職 9.5光電傳感器

.5光電傳感器及其應(yīng)用教學(xué)目標(biāo)：1.知道光電傳感器的組成及功能。2.知道光電傳感器的特點(diǎn)以及光電傳感器在各行各業(yè)的應(yīng)用。3.了解光電傳感器在我國(guó)發(fā)展的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)，增強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新的使命感。教學(xué)重點(diǎn)：掌握不同類型光電傳感器的類型、工作原理及應(yīng)用場(chǎng)合。教學(xué)難點(diǎn)：光電傳感器中光敏元件的選擇和光路設(shè)計(jì)。教學(xué)方法：講授法、討論法教學(xué)準(zhǔn)備：硬件材料：光電傳感器實(shí)物多媒體材料：PPT課件。教學(xué)過程：一、導(dǎo)入新課：光電傳感器是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，它已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、醫(yī)療設(shè)備、智能家居等領(lǐng)域，通過本章節(jié)學(xué)習(xí)，我們共同了解光電傳感器的工作原理及相關(guān)應(yīng)用。二、新課講解：（一）常用的光接收器光電傳感器是將被測(cè)光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的一種裝置，它由光源、接收器和檢測(cè)電路組成，接收器依據(jù)光電效應(yīng)感知光的某個(gè)物理量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光接收器由光敏元件構(gòu)成，常見的光接收器件有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池等。光電管和光電倍增管依據(jù)外光電效應(yīng)工作，在受到對(duì)應(yīng)頻率的光照時(shí)，陰極發(fā)射出光電子；光敏電阻和光敏二極管依據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)工作，在受到光照時(shí)，在光敏電阻和光敏二極管中激發(fā)出電子—空穴對(duì)，增強(qiáng)了導(dǎo)電能力；光電池依據(jù)光生伏特效應(yīng)工作，光照在光電池中激發(fā)出電子—空穴對(duì)，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，正負(fù)電荷分別移到光電池的兩端，在光電池的兩端形成穩(wěn)定的電勢(shì)差。光電管：光電管是一種能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能的電子器件，它的基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)密封的玻璃或石英管，管內(nèi)有一個(gè)金屬板作為陽(yáng)極，另一個(gè)金屬板作為陰極，陰極通常是由容易發(fā)射電子的材料（如銫或銻）制成。光電管在接收光照并滿足一定條件時(shí)，能對(duì)外發(fā)射電子，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。光電管依據(jù)光電效應(yīng)原理，利用陰極發(fā)射電子，陽(yáng)極收集電子將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，可用于探測(cè)和分析不同波長(zhǎng)的光，也用于在光纖通信的接收端將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電倍增管：光電倍增管是利用光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射，將單個(gè)光子轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)的一種高靈敏度光檢測(cè)器，它由光電陰極、聚焦極、倍增極和陽(yáng)極幾個(gè)部分構(gòu)成。光電倍增管通過光電發(fā)射、電子倍增和信號(hào)收集一系列過程，將檢測(cè)到的微弱光信號(hào)放大為可測(cè)量的電信號(hào)，具有極高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間，在天文學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理研究和化學(xué)分析等許多科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。光敏電阻：光敏電阻主要由硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛、銻化銦等半導(dǎo)體材料制造，受到光照時(shí)，半導(dǎo)體材料中激發(fā)出電子——空穴對(duì)，材料的導(dǎo)電能力增強(qiáng)，光敏電阻的阻值降低；光照停止后，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光敏電阻阻值的變化反映出接收到的光通量的變化。由于常用光敏電阻的光照特性曲線光電流與光通量是非線性，因此光敏電阻不適合做測(cè)量元件，常用作開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。光敏二極管：光敏二極管的內(nèi)部是具有光敏特性的PN結(jié)，工作時(shí)光敏二極管反向偏置。當(dāng)光線照射到二極管的PN結(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子——空穴對(duì)，在PN結(jié)中形成反向光電流，由于電子——空穴對(duì)的數(shù)量隨著入射光的強(qiáng)度發(fā)生變化，所以光敏二極管的中的光電流也隨之變化。光敏二極管具有光譜響應(yīng)范圍廣、靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小，便于集成的特點(diǎn)，在光檢測(cè)、光通信、煙霧探測(cè)器、光電控制系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。（二）光電傳感器的光路設(shè)計(jì)根據(jù)光源與光接收器的位置關(guān)系，光電傳感器可以分為對(duì)射型光電傳感器、反射型光電傳感器和漫反射型光電傳感器三類。對(duì)射型光電傳感器探測(cè)距離遠(yuǎn)，工作可靠；反射型光電傳感器需要在光源對(duì)面安裝反光板，常用于深色物體的檢測(cè)；漫反射型光電傳感器常用于狹小的空間，但不適合檢測(cè)深色物體。（三）光電傳感器的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用光電傳感器的優(yōu)勢(shì)：響應(yīng)速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)需接觸、壽命長(zhǎng)光電傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)自動(dòng)化，如位置檢測(cè)、計(jì)數(shù)與分類、安全監(jiān)控等；交通控制，如交通信號(hào)燈的控制、自動(dòng)門的開關(guān)；停車場(chǎng)管理等；醫(yī)療器械，如血氧飽和度監(jiān)測(cè)、心率監(jiān)測(cè)等；光通信，如光纖通信中接收和轉(zhuǎn)換光信號(hào)；安全監(jiān)控，如非法入侵檢測(cè)、煙霧探測(cè)報(bào)警等；科學(xué)研究，如光譜分析、距離測(cè)量等（四）應(yīng)用拓展：光敏電阻與光敏二極管在應(yīng)用上的差別光敏電阻和光敏二極管都是基于光電導(dǎo)效應(yīng)工作的半導(dǎo)體光電器件，在對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光照下，從半導(dǎo)體材料中激發(fā)出電子——空穴對(duì)，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。由于兩類半導(dǎo)體光電器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同、應(yīng)用場(chǎng)景不同，光敏電阻主要用作開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器件，而且半導(dǎo)體內(nèi)部沒有PN結(jié)，所以光敏電阻接入電路時(shí)不用區(qū)分極性，光敏二極管用于檢測(cè)光線的強(qiáng)度，要求產(chǎn)生的光電流與光照強(qiáng)度間滿足較好的線性關(guān)系，依據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?，光敏二極管工作時(shí)內(nèi)部的PN結(jié)應(yīng)當(dāng)處于反向偏置狀態(tài)，沒有光照時(shí)，反向電流為零，光照激發(fā)出載流子，光敏二極管中才會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反向電流，光照超強(qiáng)，激發(fā)出的載流子數(shù)越多，反向電流隨之增大。三、課堂小結(jié)：知識(shí)梳理：光電管和光電倍增管是基于外光電效應(yīng)工作的光電器件，主要用于精確計(jì)量光信號(hào)；光敏電阻和光敏二極管是基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件，與光電管和光電倍增管相比，光敏電阻和光敏二極管成本低、體積小，易于集成，在日常生活中應(yīng)用更為廣泛。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)：光敏電陰、光敏二極管對(duì)不同波長(zhǎng)的光敏感度不同，選用時(shí)要注意它們適用的