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1、2017/7/19,1,第三章 光电传感器,本章学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用。,2017/7/19,2,1905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年诺贝尔物理学奖。,2017/7/19,3,3.1 光电效应与光电传感器,用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf 的光子的轰击。 由于光线照射，引起材料内部的载流子和迁移率改变，从而导致材料电导率变化的现象称为光电效应。,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光电管、光电倍增管、光电摄像管等。,2017
2、/7/19,4,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金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。,紫外线,2017/7/19,5,内光电效应：在光线的作用下，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应。1)光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到 自由状态，引起材料电导率的变化，这种现象被称为 光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2)光生伏特效应 在光线作用下,能够使物体产生一定方向的电动势， 这种现象叫做光生
3、伏特效应。基于这种效应的光电器 件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。,2017/7/19,6,3.2 光敏电阻,当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。,光敏电阻是基于光电效应制成的光敏元件，内部电阻随光照射变化。,2017/7/19,7,有一个光感应窗，如果照射在感应窗上的光照强度发生变化，它的阻值就会随之变化。,光敏电阻功能：把光照强弱转换为光电阻的大小。用途：做光控制用，测光照强度。,光敏电阻在电路图中的图形符号：,光敏电阻功能演示：,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）,2017/7/19,8,光敏电阻的基本应用电路串联电路,a）U与光照变化趋势
4、相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路,2017/7/19,9,光敏电阻的基本应用电路桥式电路,电桥平衡条件RGRC=RARB 检测灵敏度由RB/RC决定 RB=RC时灵敏度最高,2017/7/19,10,3.3 光电二极管,光电二极管也叫光敏二极管。,光电二极管是一种将光能量变换为点能量的器件，它基于半导体的光生伏特效应。,将光电二极管的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。,2017/7/19,11,光电二极管外形,光电二极管阵列,包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。,2017/7/19
5、,12,红外发射管,红外接收管,红外发射/接收对管外形,PIN光电二极管,PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。,2017/7/19,13,APD光电二极管（雪崩光电二极管）,雪崩光电二极管对光电流具有放大作用，具有高信噪比、高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。,2017/7/19,14,光电二极管的反向偏置接法,在没有光照时，由于二 极管反向偏置，所以反 向电流很小，这时的电 流称为暗电流，相当于 普通二极管的反向饱和 漏电流。当光照射在二极管的PN 结上时，
6、在PN结附近产 生的电子-空穴对数量随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。,2017/7/19,15,光电二极管的反向偏置接线图及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。,当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。,光电二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,2017/7/19,16,光敏二极管应用电路,利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。,2017/7/19,17,3.4 光电晶体管,光电晶体管又称光敏三极管，由两个PN结构成。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光电二极管高。多数光电晶体管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚
7、，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,2017/7/19,18,光电晶体管类型,光敏三极管有PNP型和NPN型两种。其结构与一般三极管相似，只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积，且基极不接引线。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。,2017/7/19,19,a)内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+ 衬底 7N型集电区 8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结,光电晶体管内部结构,2017/7/19,20,光电晶体管基本工作电路,a)发射极输出形式 b)集电极
8、输出形式,要求入射光信号于输出信号相位相同时采用a)图；要求输出信号电平较大时采用b)图。,2017/7/19,21,光敏三极管光控继电器电路,当无光照时，V1截止，I =0，则V2处于什么状 态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与R b2 位置上下对调，其结果如何？,2017/7/19,22,*基于光生伏特效应的光电元件 光电池,最简单的光电池：在N型衬底上制造一薄层P型层作 为光照敏感面。当入射光子的能量足够大时，光生电子空穴对的的扩散运动使N区带负电、P区带正电。如果光照是连续的，PN结两侧会有稳定的光生电动势输出。,光敏面,2017/7/19,23,能提供较大电流的大面积光电池,20
9、17/7/19,24,光电池在照度测量中的应用,柔光罩下面为圆形光电池,光电池在动力方面的应用,太阳能硅光电池板,太阳能赛车,2017/7/19,25,太阳能发电,光电池在人造卫星上的应用,2017/7/19,26,光电池的光电特性,一个典型的硅光电池的光电特性: 1-开路电压曲线； 2-短路电流曲线,开路电压为 对数特性,短路电流为 线性特性,2017/7/19,27,光电池的应用电路 光电池短路电流测量电路,I/U 转换电路的输出电压Uo与光电流I成正比。若光电池用于微光测量时，I可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。,2017/7/19,28,* 光电
10、传感器的应用,1.红外线辐射温度计,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下温度测量，测量范围可以从-30 3000，是辐射温度计的发展趋势。,耳温仪,温度计,2017/7/19,29,红外线辐射温度计用于人体额温测量,2017/7/19,30,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,集成IC 温度测量,利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）,2017/7/19,31,2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用,热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出
11、电信号的传感器。,2017/7/19,32,热释电报警器,菲涅尔透镜,设定按钮,高分贝喇叭,2017/7/19,33,热释电传感器应用,热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗。,热释电传感器的感应范围,2017/7/19,34,热释电感应灯,热释电传感器,2017/7/19,35,3.光电式转速表,光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。,n =60( f /z ),2017/7/19,36,水泵转速测量,2017/7/19,37,4.色标传感器,色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色
12、。,色标传感器在流水线上检测产品的颜色,2017/7/19,38,5. 光电自动门,自动门光电传感器放大图,有效检测区域,2017/7/19,39,由红外线发射元件与光敏接收元件组成。其中，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米。,6. 光电开关及光电断续器,光电开关可分为遮断型和反射型两大类。,当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。,遮光报警,漫反射光电开关,2017/7/19,40,1. 何为光电效应、光电导效应和光生伏特效 应?2. 基于外光电效应和内光电效应制成的光电 传感器都有哪些？3. 简述各类常用光电传感器的适用场合。4. 利用光敏元件设计一个路灯控制系统，要求路灯可由外界的光照强度控制亮灭，画出具体电路并用文字说明所设计系统的具 体工作过程。,本章作业,
