光电传感器毕业论文

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1、光电传感器摘要在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。 由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。关键词：关键词：光电元件；光电特性；传感器分类；传感器应用目录目录1 引言5 2 光敏电阻6 2.

2、1 光敏电阻的工作原理6 2.2 光敏电阻的主要参数7 2.3 光敏电阻的基本特性 7 3 光敏二极管和光敏晶体管93.1 光敏二极管结构原理 93.2 光敏晶体管结构原理103.3 光谱特性光敏二极管和晶体管的基本特性10 4 光电池12 4.1 光谱特性光电池12 4.2 光照特性光电池13 4.3 温度特性光电14 5 光电传感器的结构及应用15 5.1 光电传感器的结构15 5.2 光电传感器的应用16 5.2.1 火焰探测报警器 17 5.2.2 光电式危险探测器 17 5.2.3 燃气热水器中脉冲点火控制器 18 5.2.4 透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用 19 6 结论

3、 20 参考文献21 致谢221引言引言光电传感器由于非接触、高可靠性等优点，在测量时对变被测物体损害小，所以自其发明以来就在测量领域有着举足轻重的地位，目前它已广泛应用于测量机械量、热工量、成分量、智能车系统等。现在它在电力系统自动并网装置中起到了非常重要的作用，因为发电机投入电网运行常采用准同法，必须满足：三相线序一致，频率一致，相位一致，电压幅值相等，其中的一个条件在系统设计时已经满足，后三个条件必须同时满足才能并网，当然人工并网比较困难，光电并网比较容易。时代在发展，科学技术在更新，光电传感器种类也日益增多，应用领域也越来越广泛，例如近来一种红外光电传感器已在智能车方面得了到应用，其中

4、一种基于红外传感器的智能车的核心就是反射式红外传感器，它运用反射式红外传感器设计路径检测模块和速度监测模块；另外一种基于红外传感器的自寻迹小车则利用红外传感器来采集数据光电传感器具有其他传感器所不能取代优越性，因此它发展前景非常好，应用也会越来越广泛。2 2 光敏电阻光敏电阻光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件响应快、结构简单、 使用方便, 而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、计算机和控制系统中, 应用非常广泛。 光电器件工作的物理基础是光电效应。 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件。在光

5、线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。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, 即阻挡层光电效应, 如光电池、 光敏晶体管等就属于这类光电器件。 光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧

6、减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。 2.12.1 光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理图 2 - 1 为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。 为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。图 2-12.22.2 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数（） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称

7、为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。 （） 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流。（） 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。 2.32.3 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性（1） 伏安特性在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图 2 - 2 为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。 由图可见, 光敏电阻在一定的电压范围内, 其 I-U 曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关, 而与电压、电流无关。 图 2-2 硫化镉光敏电阻的福安特性（2） 光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性, 亦称为光谱响应

8、。 图 2 - 3 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域, 常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头。 图 2-3 光敏电阻的光谱特性（3） 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应, 同时, 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变, 尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。 图 2 - 4 为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。 对于可见光的光敏电

9、阻, 其温度影响要图 2-4 硫化铅光敏电阻的光谱特性3 3 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管3.13.1 光敏二极管结构原理光敏二极管结构原理光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃外壳中, 其 PN 结装在管的顶部, 可以直接受到光照射（见图 3-1） 。 光敏二极管在电路中一般是处于反向（图 3-2）工作状态, 在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流。 当光照射在 PN 结上时, 光子打在 PN 结附近, 使 PN 结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在 PN 结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越大。

10、因此光敏二极管在不受光照射时, 处于截止状态, 受光照射时, 处于导通状态。 图 3-1 光敏二极管简图和符号图 3-2 光敏二极管接地法3.23.2 光敏晶体管结构原理光敏晶体管结构原理光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个 PN 结, 只是它的发射极一边做得很大, 以扩大光的照射面积。图 3-3 为 NPN 型光敏晶体管的结构简图和基本电路。大多数光敏晶体管的基极无引出线, 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时, 集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加, 因此集电极电流是光生电流的

11、 倍, 所以光敏晶体管有放大作用。 光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅（Si） 。在形态上, 有单体型和集合型, 集合型是在一块基片上有两个以上光敏二极管, 比如在后面讲到的 CCD 图像传感器中的光电耦合器件, 就是由光敏晶体管和其它发光元件组合而成的。 图 3-3NPN 型光敏晶体管结构图和基本电路 （a） 结构简化模型；（b）基本电路3.33.3 光谱特性光敏二极管和晶体管的基本特性光谱特性光敏二极管和晶体管的基本特性10光谱特性光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图 3-4 所示。从曲线可以看出, 硅的峰值波长约为 0.9 m, 此时灵敏度最大, 而当入射光的波长增加或缩短时, 相对

12、灵敏度也下降。一般来讲, 锗管的暗电流较大, 因此性能较差, 故在可见光或探测赤热状态物体时, 一般都用硅管。 但对红外光进行探测时, 锗管较为适宜。 伏安特性图 3-5 为硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线。从图中可见, 光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。 图 3-4 硅光敏晶体管光谱特性图 3-5 硅光敏管的伏安特性 （a） 硅光敏二极管；（b）硅光敏晶体管11温度特性光敏晶体管的温度特性是指其暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图 3 - 6 所示。 从特性曲线可以看出, 温度变化对光电流影响很小, 而对暗电流影响很大, 所以在电子线路中应该对暗电流进行温度

13、补偿, 否则将会导致输出误差。图 3-6 光敏晶体管的温度特性4 4 光电池光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。 光电池在有光线作用下实质就是电源, 电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。 它实质上是一个大面积的 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, 在结电场的作用下, 最后建立一个与光照强度有关的电动势。 图 4 - 1 为工作原理图。 12图 4-1 光电池工作原理4.14.1 光谱特性

14、光电池光谱特性光电池光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。图 4 - 1 为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知, 不同材料的光电池, 光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的, 硅光电池在 0.8m 附近, 硒光电池在 0.5 m 附近。 硅光电池的光谱响应波长范围为 0.41.2 m, 而硒光电池的范围只能为 0.380.75 m。 可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 13图 4-1 光电池的光谱特性4.24.2 光照特性光电池光照特性光电池光照特性光电池在不同光照度下, 光电流和光生电动势是不同的, 它们之间的关系就是光照特性。 图 4 - 2 为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。 从图中看出, 短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系, 开路电压（负截电阻 RL 无限大时）与光照度的关系是非线性的, 并且当照度在 2000 lx 时就趋于饱和了。因此光把电池作为测量元件时, 应把它当作电流源的形式来使用, 不能用作电压源。14图 4-2 硅光电池的光照特性4.34.3温度特性光电池温度特性光电池温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移, 影响到测量精度或控制精度等重要指标, 因此温度特性是光电池的重要特性之