《《自动检测技术及应用》第6章光电传感器及其应用教学幻灯片》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《自动检测技术及应用》第6章光电传感器及其应用教学幻灯片（113页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2020/8/3,1,第6章 光电传感器及其应用,本章学习光电效应、光电元器件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，掌握光电开关及光电断续器的使用。,光电传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电元件转换成电信号，光电传感器属于非接触测量。,2020/8/3,2,电磁波辐射波谱,可见光,频率/Hz,波长/m,无线电波105,红外线 1010,紫外线1015,X射线1020,宇宙射线1025,3103m,310-2m,310-7m,310-12m,310-17m,2020/8/3,3,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔
2、物理学奖。,2020/8/3,5,外光电效应 在光线作用下能使电子从物 体表面逸出。 内光电效应 在光线作用下能使物体电阻 率发生变化。 光生伏特效应 在光线作用下，物体产生一 定方向电动势。,光电发射效应,光电导效应,分类：,2020/8/3,6,二、光电元件、特性及基本测量电路,（一）光电管、光电倍增管 1、光电管 原理：基于外光电效应。 组成：光电管由真空玻璃管、光电阴极K和光电阳极A组成。,2020/8/3,7,当一定频率的光照射到光电阴极上时，光电阴极吸收了光子的能量便有电子逸出而形成光电子。这些光电子被具有正电位的阳极所吸引，因而在光电管内便形成定向空间电子流，外电路就有了电流。,
3、光电管的结构,2020/8/3,8,如右图，在电路中串入一个适当的电阻，则电路中的电流便转换为电阻上的电压。 电流或电压的变化与光成一定的函数关系，从而实现了光电转换。,光电管符号及测量电路,2020/8/3,9,2、光电倍增管 光电阴极和阳极之间增加了若干个光电倍增极D，且外加电位逐级升高，因而逐级产生二次电子发射而获得倍增光电子，使得最终到达阳极的光电子数目猛增。 适合微光测量,灵敏度高。,2020/8/3,10,光电特性,指当阳极电压一定时，光电流I与光电阴极接收到的光通量之间的关系；,光谱特性,由于不同材料的光电阴极对不同波长的入射光有不同的灵敏度，因此光电管对光谱也有选择性；,伏安特
4、性,当入射光的频谱及光通量一定时，光电流与阳极电压之间的关系称伏安特性,铯氧银,锑化铯,光电管的阳极电压应选择在UQ附近, I才稳定,3、特性和参数,2020/8/3,11,(二)光敏电阻,其原理是基于内光电效应。是一种没有极性的纯电阻器件。,它的结构简单，在半导体光敏材料的两端引出电极，再将其封装在透明管壳内就构成光敏电阻。,光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。,2020/8/3,12,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,2020/8/3,13,光敏
5、电阻,当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。,为提高灵敏度，两电极做成梳状，以增大极板面积。,2020/8/3,14,光敏电阻的基本应用电路,a）U与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路,2020/8/3,15,1.暗电阻、亮电阻及光电流,暗电阻：指光敏电阻置于室温、全暗条件下，经过一段时间稳定后测得的阻值，这时在给定的电压下测得的电流称为暗电流。 亮电阻：光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，这时在给定工作电压下的电流称为亮电流。 光电流：亮电流与暗电流之差称光敏电阻的光电流I,暗阻值与亮阻值差值越大，光敏电阻性能越好，灵敏度也越高。,2020/8/3,1
6、6,2.光照特性 光敏电阻的光电流I与光通量的关系。由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不能用于光的精密测量，只能用作开关式的光电转换器。,2020/8/3,17,3.光谱特性,光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度K也是不同的。因此，在选用光敏电阻时，应考虑光源的发光波长与光敏电阻的光谱特性峰值的波长相接近，这样才能获得高的灵敏度。,2020/8/3,18,4.伏安特性,光敏电阻的伏安特性为线性关系，且不同照度下，其斜率不同。同一般电阻一样，光敏电阻也有最大功率，超过额定功率将会导致光敏电阻永久性的损坏。,2020/8/3,19,5.响应时间,光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后
7、，尽管不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，但都存在着这种时延特性。因此，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。,6.温度特性,光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度的影响较大，随着温度的升高，它的暗电阻与灵敏度都下降。,2020/8/3,20,（三）光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管,1结构与工作原理,光敏二极管,结构示意及符号,光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是其PN结装在透明管壳的顶部，可以直接接受到光的照射。,2020/8/3,21,工作原理基于内光电效应。,光敏二极管在电路中必须反向偏置。 无光照时：电路中只有很小的反向饱和漏电流，称暗电流。 有光照时：PN结受到光子的轰击，激发形成
8、光子空穴对，在反向电压的作用下，反向电流大大增加，形成光电流。,即反向偏置的PN结受光照控制,2020/8/3,22,光敏二极管外形,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,2020/8/3,23,光敏二极管外形,2020/8/3,24,光敏三极管,光敏三极管是在光敏二极管的基础上形成的。由于它具有放大作用，所以具有更高的灵敏度。和普通三极管一样，光敏三极管分PNP和NPN两种类型，有两个PN结。 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。,202
9、0/8/3,25,光敏三极管外形,2020/8/3,26,在电路中，同普通三极管的放大状态一样，集电结反偏，发射结正偏。,反偏的集电结受光照控制，光电转换原理同光敏二极管，产生的光电流相当于普通三极管的基极电流。因而在集电极上则产生倍的光电流，所以光敏三极管比光敏二极管有着更高的灵敏度。,结构图 等效电路 图形符号,2020/8/3,27,射极输出的电压与光照的变化趋势相同； 集电极输出的电压与光照的变化趋势相反。,光敏三极管的应用电路,2020/8/3,28,将光敏三极管与另一只普通三极管做在一个管壳里，称为达林顿光敏三极管。 它有更高的灵敏度，即： 12,复合管,2020/8/3,29,光
10、敏晶闸管,光敏晶闸管是由入射光触发而导通的可控硅，简称光控晶闸管。它有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g。 它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。 当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到反偏的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。 光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。,2020/8/3,30,反偏的PN结在透明管壳的顶部，相当于受光照控制的光敏二极管。当光照射在J2产生的光电流相当于普通的晶闸管的门极电流，当光电流大于某一阈值时，光敏晶闸管触发
11、导通。,2020/8/3,31,光敏晶闸管外形,光敏面,2020/8/3,32,2光敏晶体管的基本特性,光谱特性,不同材料的光敏晶体管对不同波长的入射光其相对灵敏度Kr是不同的,即使是同一材料，只要PN结的厚度不同，也能得到不同的光谱特性。,硅光敏晶体管,2020/8/3,33,伏安特性,a) 光敏二极管伏安特性,b) 光敏三极管伏安特性,流过它的电流与光照度成正比，且在相当范围内与反向偏置电压Uo无关。 当Uo0时，只要有光照，仍然有电流，此时把它看作光电池，只不过其PN结面积小，光电效应很低而已，光敏二极管正常使用时应施加1.5V以上的反向工作电压。,形状与一般三极管的输出特性相似，只不过
12、将不同的基极电流换作不同的光照度即可。,2020/8/3,34,光电特性,0,光照,光电流,光敏 三极管,光敏 二极管,3000lx,4mA,0.3mA,I,E,光电流与光照度成线性关系。,灵敏度比较?,2020/8/3,35,响应时间,硅光敏二极管的响应时间约为105107s左右，光敏三极管的响应时间则比相同材料的二极管约慢一个数量级，而锗管的响应时间要比硅管小一个数量级。因此在要求快速响应或入射光调制频率（明暗交替频率）较高时，应选用硅光敏二极管。,温度特性,硅管的暗电流比锗管小几个数量级，所以在微光测量中应采用硅管。另外硅光敏三极管的温漂大，在高精度测量中应选择硅光敏二极管。,2020/
13、8/3,36,（四）光电池,光电池的工作原理基于光生伏特效应 ,它是把光能直接转换成电能的半导体光电器件。 其中应用最广泛的是硅光电池，硅光电池性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递（转换）效率高且价格便宜。,2020/8/3,37,在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。,1结构及工作原理,当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子空穴对，光生电子空穴对的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。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。,2020/8/3,38,光电池外形,
14、光敏面,2020/8/3,39,能提供较大电流的大面积光电池外形,2020/8/3,40,2基本特性,光谱特性,硅光电池的响应波长约在0.451.1m范围，而硒光电池约在0.340.57m范围。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。,两者不仅光谱波峰位置不同,而且光谱响应波长范围也不同。,2020/8/3,41,光电特性,其中曲线1是光电池负载开路时的开路电压与光照度的关系曲线，显然这是非线性关系，起始电压上升很快，在2000lx以上便趋于饱和,曲线2是当负载短路时的短路电流与光照度的关系曲线，可见为线性关系。当随着负载电阻的增加，这种线性关系将变差。,2020/8/3,42,频率特性,
15、频率特性是指入射光的调制频率与光电池输出电流间的关系。,硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池的频率特性较差。,2020/8/3,43,光电池的开路电压与短路电流随温度变化的特性。 开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而缓慢增加。,温度特性,2020/8/3,44,3光电池短路电流测量电路,图为光电池短路电流测量的实用电路，即I/V转换电路。,运算放大器相当于光电池的负载，由于运算放大器的开环放大倍数Aod，A为虚地。 作为光电池的负载满足了短路条件。所以IRfI。输出电压Uo为：,UoURfIRf 输出电压Uo与光电流I正比，从而达到I/U转换的目的。,2020/8/3,
16、45,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能 硅光电池板,2020/8/3,46,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,2020/8/3,47,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,2020/8/3,48,休 息 一 下,2020/8/3,49,6.2 光电开关及光电断续器,光电开关及光电断续器是开关式光电传感器的常用元件，主要用来检测物体的靠近、通过等状态，广泛用于生产流水线、自动控制等各方面开关量的检测。 从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成。 只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。,2020/8/3,50,光电开关可分为直射型和反射型两大类。 直射型光电开关 直射型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。 直
