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1、传感器与检测技术,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,项目七 光电式传感器的应用,任务二 热释电红外传感器在报警电路中的应用,1.能识别各类光电式传感器。 2.能根据任务要求，正确安装光电式传感器。 3.正确完成光电式传感器测量转速的电路接线。 4.正确测量转速并且读数正确。,学习重点,项目七 光电式传感器的应用,用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串具有能量（每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘以光的频率，即E=h）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应
2、分为：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。 1.外光电效应 在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。,一、光电效应,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,2.内光电效应 半导体材料受到光照时，使其导电性能增强，光线越强，阻值越低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。 3.光生伏特效应 在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象，称为光生伏特效应。具有光生伏特效应的光电器件有硅、硒、砷化镓、氧化铜、锗等材料做成的光电池。
3、,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,一、光电效应,1. 基于外光电效应的光电元件 （1）光电管 光电管是基于外光电效应原理工作的光电元件。根据爱因斯坦光量子学说，一个光子的能量只能给一个电子，要使电子逸出物体表面，需对其做功A，以克服物体对电子的约束，A称为逸出功。设电子质量为m，逸出物体表面时的速度为，则电子的动能为 。按照能量守恒与转换定律：,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,根据上式电子能否逸出物体表面，取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。每种物体都有相对应的光频阈值，称为红限频率，用0表示。 对于一定的物体，如果入射光的频率高于该物体的红限频率，会使照
4、射的物体有光电子发射出来，光线越强，意味着入射的光子数目越多，逸出的光电子数也就越多。电路中的光电流也越大。反之入射光的频率小于该物体红限频率，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，光再强也不会产生光电效应。,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极K、阳极A，光阴极涂有光敏材料，如图所示。光敏材料的不同导致光阴极对不同频率的入射光灵敏度不同。人们可以根据被测对象是可见光还是紫外光而选择不同的光阴极的光电管。由于可见光很难激发电子逸出，所以现在常用的是紫外光电管。当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出
5、，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,光电管的结构 1阳极2光阴极3玻璃外壳4底座5电极引脚6定位销,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,下图是光电管的符号及测量电路。当光线照射在涂在光阴极的光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,光电管的符号及测量电路,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,（2）光电
6、倍增管 光电管输出较小，实际应用中常采用光电倍增管。光电倍增管的电流是逐级增加的。由于光电倍增管具有放大作用，因此适于做灵敏的弱光探测器。 如图所示在阳极和阴极之间有若干个光电倍增极(又称二次发射极)，涂有光敏物质。,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,光电倍增管的结构和工作原理,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,工作时，这些电极的电位是逐级增高的，当光线照射到光电阴极后，它产生的光电子受第一级倍增极正电位作用，加速并打在这个倍增极上，产生二次发射；由第一倍增极产生的二次发射电子，在更高电位的倍增极作用下，又将加速入射到第二倍增极上，在第二倍增极上又将产生
7、二次发射，这样逐级前进，一直到达阳极A为止。,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,2.基于内光电效应的光电元件 （1）光敏电阻 如图（a）所示，在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，并且在其两端引出梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜，并封装在玻璃管壳中就构成了光敏电阻。光敏电阻的图形符号如图（b）所示。,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,光敏电阻,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,构成光敏电阻的材料主要是金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料，光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可以加直流电压, 也可以加交流电压。
8、当无光照时, 光敏电阻值很大,此时的电阻称为暗电阻，实际光敏电阻的暗电阻值一般是兆欧级，所以电路中电流很小，这时的电流称为暗电流；当光敏电阻受到光照时，阻值减小，此时的光敏电阻的阻值称为亮电阻，一般在几千欧以下，导致电路中的电流增大，此时电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,（2）光敏二极管 光敏二极管是一种利用PN结的单向导电性工作的光电元件，与一般的二极管不同之处在于光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，以便接受光线照射，如图（c）所示。 光敏二极管,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,下图为光敏二
9、极管的基本应用电路，PN结在电路中处于反向截止状态。 光敏二极管的基本应用电路,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,（3）光敏三极管 光敏三极管有两个PN结，与普通三极管相似，如图（a）所示。 光敏三极管,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,当光线照射在基区和集电结上，导致集电结附近产生较大的光电流，与普通三极管相似，集电极电流Ic是原始电流的倍，所以光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。光敏三极管常见的应用电路如图所示。,二、光电元件,任务一 光电式传感器
10、在转速检测中的应用,有时有些厂家还会把光敏三极管和一个普通的三极管组合成复合管形式，做在一个管芯里，成为达林顿光敏三极管，如图所示。采用复合管形式是为了得到更大的灵敏度 ，但是同时达林顿光敏三极管的暗电流也比一般的光敏三极管大，频率响应差，温漂也较大。,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,达林顿光敏三极管,二、光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,（1）光电池 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源太阳能电池，所以广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓
11、电池、氧化铜电池等。硒、硅光电池转换效率高、价廉；砷化镓材料的光谱响应与太阳光谱吻合、耐高温和宇宙射线。,三. 基于外光电效应的光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,如图（a）所示，光电池实质是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面, 例如p型面时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向内迅速扩散,如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。最后建立一个与光照强度有关的电动势。,三. 基于外光电效应的光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,光电池,三. 基于外光电效
12、应的光电元件,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,1.光照特性 光照特性是指光电元件的光电流和光电元件上的光照度E的对应关系，用 表示。图是各种光电元件的光照特性，从图（a）可以看出，光敏电阻的光照特性是非线性的，所以，光敏电阻一般在检测电路中被做为开关元件使用。,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,各种光电元件的光照特性,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,图（b）是光敏二极管的光照特性，是线性的。因此可以使用光敏二极管检测光信号。图（c）是光敏三极管的光照特性，也是非
13、线性的，但是从图中可以看出相同照度下，光敏三极管的光电流要比光敏二极管大，即灵敏度高。 光电池的开路电压和短路电流均与光照度E有关，开路电压与光照度的关系曲线是非线性的，如图（d）所示，当光照度超过2 000 lx时，开路电压趋于饱和。当负载保持不变，光电池的短路电流和光照度成正比，为线性关系。光电池的负载对短路电路是有影响的，实验测得负载越小，光电流和光照度之间的线性度就越好。,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,2.光谱特性 光电元件对于不同波长的入射光的相对灵敏度Kr是不同的，即如果有一单色光照射在光电元件上，在保持入射光的功率不变的情况下， 光电流会随着入射
14、光的波长变化而变化。因此将入射光波长和光电元件的相对灵敏度之间的关系称为该光电元件的光谱特性，如图所示为硅光敏晶体管的谱特性。,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,硅光敏晶体管的光谱特性,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,光电元件的材料不同，导致各种光电元件对不同波长的光线灵敏度不同。图中的1、2、3分别代表三种对蓝紫光、可见光、红外线敏感的光敏晶体管的光谱特性。 在实际使用时，应该要根据光谱特性来确定光源和光电元件是否匹配，要使所选的光电元件工作灵敏度在较高的光谱区间。 目前已经研制出了几种光敏材料的光谱波长峰值见表，表是光的波长和颜
15、色的关系。,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,几种光敏材料的光谱峰值波长 光的波长与颜色的关系,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,各种光电元件的伏安特性,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,3.伏安特性,图为各种光电元件的伏安特性曲线。图（a）为光敏电阻的伏安特性，从图中可知光敏电阻两端电压越高，相同照度下，产生的光电流越大。图（b）为光电池的伏安特性曲线，从图中可以看出，当负载电阻较小（100 ）时，光照度每变化100 lx，输出的光电流基本上间隔相等，两者成线性关系；当负载增大时，光电流和光照度之间的非
16、线性越来越明显。所以尽量要减小负载电阻对光电池输出光电流的影响。图（c）和图（d）为光敏二极管和光敏三极管的伏安特性，与普通二极管和三极管的伏安特性类似。,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,4. 温度特性 温度对光电元件影响较大，尤其是对光敏电阻和光敏晶体管，温度主要是对光电元件的暗电流影响较大。暗电流的增大会影响元件的灵敏度，还会给微光测量带来误差。一般硅管的暗电流比锗管的要小很多，所以通常采用硅管，并且通过差动放大器等提高灵敏度。 5. 响应时间 一般工业用的硅光敏二极管的响应时间较短，在10-710-5s左右，硅光敏三极管由于要进行电流放大，比光敏二极管要慢一个数量级，光敏电阻的响应时间比光敏三极管还要慢。所以在需要快速响应或者入射光调制频率较高时，应采用硅光敏二极管检测。,四、光电元件的基本特性,任务一 光电式传感器在转速检测中的应用,光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用, 以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半
