《传感器原理与应用 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 王长涛 尚文利 夏兴华 韩忠华 候静 第二章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器原理与应用 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 王长涛 尚文利 夏兴华 韩忠华 候静 第二章（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2.1 光敏传感器的基本效应,测试是人类认识自然、掌握自然规律的实践途径之一，是科学研究中获得感性材料、接受自然信息的途径，是形成、发展和检验自然科学理论的实践基础。人类早期在从事生产活动时，就已经对长度（距离）、面积、时间和重量进行测量。,2.1.1外光电效应,（1）光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质的表面电子逸出功A0。不同物质具有不同的逸出功，这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值，称为红限频率或者红限波长（对应的光波长称为临界波长）。光的频率小于红限频率时，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。相反，入射光频率高于红限
2、频率，即使光线微弱也会有电子发射出来。,2.1.2内光电效应,内光电效应是指在光的照射下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发载流子，但这些载流子仍留在物质内部，而使其导电性或物体内部的电荷分布变化的现象。内光电效应分为两种：光电导效应和光生伏特效应。 1光电导效应 光电导效应是指物体受光照射后，物质吸收光子照射的能量使其内部载流子被激发而使其导电率增加，电阻值下降的现象。 几乎所有的高电阻率半导体都有这种效应。而要产生这种光电导效应，光子能量hv必须大于半导体材料的禁带宽度E_(g )，由此入射光光能导出光电导效应的临界波长_0 1239/E_(g ) nm。 2光生伏特效应 在光线作用下
3、，能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。光生伏特效应根据其产生电势的机理又可分为：侧向光生伏特效应、PN结光生伏特效应、光电磁效应和贝克勒尔效应四种。,（1）侧向光生伏特效应 （2）PN结光生伏特效应 （3）光电磁效应 （4）贝克勒尔效应,2.2 光敏二极管,2.2.1基本结构与工作原理,光敏二极管的主要技术参数如下： （1）最高反向工作电压：指光敏二极管在无光照条件下，反向漏电流不大于0.1A时所能承受的最高反向电压。 （2）暗电流：指光敏二极管在无光照、最高反向电压条件下的漏电流。 （3）光电流：指光敏二极管受到一定光照、在最高反向电压下产生的电流，其值越大越好。 （4）灵敏度
4、：反映光敏二极管对光的敏感程度的一个参数。 （5）响应时间：表示光敏二极管将信号转换成电信号所需的时间。,2.2.2 光敏二极管的基本特性,2.2.3 典型元件（2DU系列）,2.2.4 典型电路设计举例,根据上述对光敏二极管的特性功能的介绍可知，光敏二极管的应用十分广泛。以下图2-4光强测量电路为例简单地介绍光敏二极管的应用情况。该电路是由稳压管、光敏二极管和电桥组成的。当无光照射时，VA很大，FET导通，调整RW，使电桥平衡，即指针为0。当有光照射时，光敏管产生IL，A点电位VA下降，R2上电流下降，VB减小。可见，光照强度不同，IL不同，VA不同，R2上的压降也不同，光强可以通过电流计读
5、数显示出来。,2.3 光敏电阻,光敏电阻是一种利用光敏感材料的内光电效应（光导效应）制成的光电元件。它具有精度高、体积小、性能稳定、价格低等特点，所以被广泛应用在自动化技术中作为开关式光电信号传感元件。,2.3.1基本工作原理,光敏元件由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，电极和半导体之间呈欧姆接触，使用时在它的两极施加直流或者交流工作电压。下图2-5为光敏电阻结构图。 在无光照作用时，光敏电阻RG呈高阻状态， 回路中仅有微弱的暗电流通过。在有光照射时，光敏材 料吸收光能，使电阻率变小，RG呈低阻态，从而在回 路中有亮电流通过。光照越强，阻值越小，亮电流越大。如果将该亮电流取出，经放大后即可
6、作为其他电路的 控制电流。当光照射停止时，光敏电阻又逐渐恢复到高 阻状态，电路又只有微弱的暗电流通过。,2.3.2 典型元件,2.3.3 典型电路设计举例,在学生中普遍存在着视力下降的问题，其原因之一就是读书环境的光线太暗，监视器利用光敏电阻采光可监测阅读环境的照度。当光照度低于100Lx时，扬声器发出报警。照度监视器电路如图2-6所示。,2.4 色敏传感器,色敏传感器是指对外界光波波长进行检测的器件，实际是光电传感器的一种特殊类型。它可广泛地用于色标的判别、产品涂料的色调、颜色色码的读数、几何形状的检测和表面质量的检查等。在不同的应用场合，有时侧重检测光的强弱，有时侧重于测量波的长短。,2.
7、4.1基本工作原理,色敏传感器具有以下几个特点： （1）能够得到直接反映物质基本特性的信息； （2）输入能量小； （3）可以进行非接触测量； （4）可实现远距离检测； （5）利用其高速灵敏度的特点可用于实时自动控制； （6）利用传感器对输入的信号进行运算处理，可用不同的时序对再生图像进行组合； （7）运算处理容易，具有高级信号处理功能。,2.4.2 典型元件,典型的色敏传感器有CLS9032。该传感器有2个垂直连接的PN结，其厚度可以给色敏传感器起到一个光学滤波器的作用，波长较短的光在硅的表面就被吸收了，而波长较长的光到达深一些的位置才会被吸收。基于这种光谱的敏感性，根据光的波长来选择信号(颜
8、色)，使用2个光电二极管之间的对数电流比作为信号处理的方法。不同颜色的光照射时，该色敏传感器红、绿、蓝区3个引脚都会输出电流信号，但是相应颜色的引脚输出的电流信号会比其他引脚输出的电流信号强。利用这种原理能够有效地避免外界环境造成的输出电流的起伏，因此这种器件具有较高的可靠性。,2.4.3 典型电路设计举例,2.5 红外热释电传感器,2.5.1基本工作原理与结构,2.5.2 典型元件,2.5.3 典型电路设计举例,本章小结,本章主要介绍了光电式传感技术的理论基础光电效应，并在此基础之上介绍了基于光电效应的几种器件。分别介绍了光敏二极管、光敏电阻、色敏传感器和红外热释电传感器的基本特点、结构和工
9、作原理以及常用的典型元件，并根据它们的这些特点分别列举了各自的典型应用电路予以说明。 课堂互动内容 根据课堂所学的光敏传感器的知识，讨论大学教室内照明控制系统原理？ 设计节能感光路灯电路？ 讨论智能环境监控系统中各种光敏传感器应用场景？,习 题,1什么叫光电效应？光电效应有哪几种？什么是外光电效应、内光电效应、光电导效应和光生伏特效应？光生伏特效应又有哪几种？ 2试比较光敏二极管、光敏电阻和色敏传感器的性能差异，并简述在不同场合应选用哪种器件最为合适。 3光电导效应的物理意义是什么？ 4试分别使用光敏二极管、光敏电阻设计一种适合TTL电平输出的光电开关电路，并叙述其工作原理。 5试设计一个红外控制的电扇开关控制电路。,
