机械工程测试技术PPT电子课件-第五章信号的获取与调理05.3.3光电式传感器.ppt

1、主要内容： 1 光电效应 2 光电器件 光敏电阻 光电池 光电三极管 3 光电式传感器的应用,5.3.3 光电式传感器,5.3.3 光电式传感器,概述,光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。 光敏器件种类很多，如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。 在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛,5.3.3 光电式传感器,概述,5.3.3 光电式传感器,概述,5.3.3 光电式传感器,1 光电效应,传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为： 外光电效应: 在光

2、线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,光电倍增管等。 内光电效应,光电导效应: 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为光电导效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻，光敏晶体管等,光生伏特效应:在光线作用下物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等,2、光电器件 （1）光敏电阻,光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，某些半导体材料的电阻随着光照强度的增大而减小。 其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜,光敏电阻结构及符号,光敏电阻主要参数: 暗电阻无光

3、照时的电阻； 暗电流无光照时的电流； 亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流； 光电流亮电流与暗电流之差称光电流,光敏电阻要求：暗电阻要大（暗电流要小），亮电阻要小，光电流要大,其优点是灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足有需要外部电源，有电流时会发热,伏安特性：在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。 给定偏压 光照越大光电流越大； 给定光照度 电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制,光敏电阻基本特性,光敏电阻伏安特性,光照特性:光电流与光强的关系 无光照时，内部电子被原子束缚，

4、具有很高的电阻值； 有光照时，电阻值随光强增加而降低，光电流增大； 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值,3）光敏电阻基本特性,光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关; 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关,光敏电阻基本特性,光敏电阻基本特性,温度特性 温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应,硫化铅光敏电阻温度特性,2 光电器件 (2) 光敏二极管和光敏三极管,光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、 可靠性高; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置,2) 光敏二极管和光敏三极 光敏二极管,光敏二极

5、管结构与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大,硅光敏二极管结构,工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态， 无光照时，反向电阻很大， 反向电流很小； 有光照时，PN结处产生光生 电子空穴对； 在电场作用下形成光电流， 光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致,光敏二极管基本电路,与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。 大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区,2) 光敏二极管和

6、光敏三极管 光敏三极管,光敏晶极管结构,光敏晶体管的光谱特性 硅材料的光敏管峰值波长在0.9m附近（可见光） 灵敏度最大； 可见光或探测赤热状 物体时一般都用硅管 锗管的峰值波长约为 1.5m（红外光） 对红外进行探测时用 锗管较适宜,2) 光敏二极管和光敏三极管特性,光敏晶体管光谱特性,光敏二极管伏安特性,伏安特性 光敏二极管：当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度,温度特性 由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感,光敏二极管暗电流与温度关系,频率响应: 光敏管的频率响应

7、是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降,光敏二极管频率响应曲线,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，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、氧化铜等等,3) 光电池（有源器件,光 电 池 符 号,结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，

8、在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.6V电压50mA电流,光照特性 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度2000lx下趋于饱和。 短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线曲线，短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流,光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度不同。 硅光电池的光谱响应峰值在0.8m附近，波长范围0.41.2m。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。 硒光电池光谱响应峰值在0.5m附近, 波长范围0.380.75m,频率特性 频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。 硅、硒光电池

9、的频率特性不同，硅光电池频率响应较好硒光电池较差。 所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件,硅、硒光电池的频率特性,温度特性 指开路电压和短路电流随温度变化的关系,光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,传感器的结构简单,形式灵活多样,体积小。近年来,随着光电技术的发展,光电传感器已成为系列产品,其品种及产量日益增加,在各种轻工自动机上获得广泛的应用,3 光电传感器的应用,1）测量物体,2) 光电器件的测量方法,3) 烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化,4) 光电转速传感器,图示为光电式数字转速表工作原理图。图(a)表示转轴上涂黑白两种颜色的工作方式。当电机转动时，反光与不反光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉冲。经放大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机的转速。图(b)为电机轴上固装一齿数为z的调制盘相当图(a)电机轴上黑白相间的涂色的工作方式。其工作原理与图(a)相同。若频率计的计数频率为f，由下式： n=60f/z 即可测