光电传感器Ⅰ

1、第七章 光电传感器课题：光电传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：14教材分析难点：光电元件的应用电路重点：光电传感器的应用教学目的和要求1、了解光电元件的分类以及工作原理；2、掌握光电元件的应用电路；3、了解光电池的电流/电压转换电路及计算；4、掌握光电传感器的应用。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种光电元件、光电传感器各教学环节和内容演示：做以下的演示：将光敏电阻接到万用表的电阻量程，测量在有光照和没有光照情况下的的电阻值。可以看到：随着光的照度的增加，光敏电阻的阻值从几个M逐渐减小。在强光照的情况下，大约可减小到几个k。从以上演示，引入第一节光电效应、光电元件，以及

2、它们的工作原理。第一节 光电效应及光电元件讲述光的物理基础，以及三种光电效应：光电效应：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，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。通常把光电效应分为三类：（1）外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的光电效应。基于外光电效应的光电元件：光电管、光电倍增管、光电摄像管等（玻璃真空管元件）。 （2）内光电效应：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的光电效应基于内光电效应光电元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。（3）光生伏特效应：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的光电效应。基于光生

3、伏特效应的光电元件：光电池等。 一、简单介绍光电管（掌握应用领域）由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象是可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。光电管的图形符号及测量电路如图10-2所示。目前紫外光电管在工业检测中多用于紫外线测量、火焰监测等，可见光较难引起光电子的发射。 二、基于内光电效应的光电元件 （一）光敏电阻（掌握特性参数和应用） 1工作原理光照愈强，光生电子-空穴对就越多，阻值就愈低。2光敏电阻的特性和参数 （1）暗电阻 置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1M。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电

4、阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。（2）光电特性 在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。某型号光敏电阻的光电特性如图10-4所示。从图中可以得出的结论：当光照大于100lx时，它的光电特性非线性就十分严重了。照度定义：E=d/dA，所以1 lx=1 lm/m2。照度是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。光通量是光源在单位时间内发出的光量总和。光通量单位：流明（lm）照度单位：勒克斯（lux）不同功率白炽灯和不同颗数LED灯及节能灯在不同距离的照度性能试验参数，单位为lx距离白炽灯40W白炽灯60W白炽灯100WLED180颗LED72颗节

5、能灯26W0.5m6108151542215573511821.0m1241853345891752721.5m6496179247831292.0m446512214851942.5m2946871013264解释日常生活中的照度大小：150lx是教育部门要求所有学校课堂桌面所必须达到的标准照度。用照度计测量：距离为2m时，15W白炽灯的照度为50lx；节能台灯的照度为2000lx；阴天靠窗的照度为2000lx；太阳光直接照射的照度为1000040000lx。提问：光敏电阻光电特性为线性？非线性？能否用于光的精密测量？（只能用于定性地判断有无光照）。价廉，虽然准确度不高，但可用于照相机的测光

6、以及控制闪光灯。图10-4 某型号光敏电阻的光电特性a）光照/电阻特性 b）光照/电流特性（3）响应时间 光敏电阻的时延特性，上升响应时间和下降响应时间：102103s，提问：光敏电阻能否用在要求快速响应的场合？（二）光敏二极管、光敏三极管1光敏二极管的结构及工作原理：光照在PN结。分析光敏二极管的基本电路结论：在电路中处于反向偏置状态。当光照射在光敏二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。光敏二极管在应用电路中为什么必须反向偏置？（否则流过它的电流就与普通二极管的正向电流一样，不受入射光的控制）图10-6 光敏二极

7、管的反向偏置接法2光敏三极管结构及工作原理解释与光敏二极管的区别，与普通三极管的区别。光敏三极管有两个PN结，但只有正负（C、E）两个引脚，其外形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。光线通过透明窗口落在基区及集电结上。光敏三极管比二极管的灵敏度高倍。图10-8 光敏三极管图形符号a）光敏三极管图形符号 b）光敏达林顿三极管图形符号分析光敏三极管的频率特性为什么比二极管差、暗电流大。光敏晶闸管的导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有可高达数百伏，输出功率大。主要用途：用于光控开关电路及光耦中。（三）光敏晶体管的基本特性（1）光谱特性 看图，结论：不同材料的光敏晶体管对不同波长的入射，其相对灵敏度

8、Kr不同。图10-9 光敏晶体管的光谱特性1常规工艺硅光敏晶体管的光谱特性 2滤光玻璃引起的光谱特性紫偏移3滤光玻璃引起的光谱特性红偏移颜色传感器：能输出红、绿、蓝三色信号。计算机根据三色信号的比例，可以判断被测物的颜色。（2）伏安特性（简介）（3）光电特性 结论：光电流I与光照度成线性关系。研究：光电特性曲线斜率与灵敏度的关系。图10-11 某系列光敏晶体管的光电特性1光敏二极管光电特性 2光敏三极管光电特性提问：曲线1、2哪一个为光敏二极管？为什么？求：光照度为30lx时，光敏二极管的光电流为多少A？（4）温度特性 温度对暗电流的影响；光敏三极管的温漂与光敏二极管比较；在高准确度测量中选用

9、硅光敏二极管的必要性如何提高检测灵敏度：采用低温漂、高准确度的运算放大器。（5）响应时间 工业级硅光敏二极管的响应时间：10_710_5s左右，光敏三极管的响应时间与光敏二极管比较。光敏二极管频率特性：当光脉冲的重复频率提高时，由于光敏二极管的PN结电容需要一定的充放电时间，所以它的输出电流的变化无法立即跟上光脉冲的变化，输出波形产生失真。截止频率、tr上升时间，tf下降时间：当光敏二极管的输出电流或电压脉冲幅度减小到低频时的1/时，失真十分严重，该光脉冲的调制频率就是光敏二极管的最高工作频率fH，又称截止频率。光敏三极管的tr上升时间，tf下降时间与光敏二极管的比较。图10-12 某型号光敏

10、二极管频率特性a）输入调制光脉冲 b）光敏二极管脉冲响应提问：当某光敏二极管的trtf1s时，截止频率不可能大于多少kHz？三、基于光生伏特效应的光电元件光电池人造卫星上的太阳能光电池板。光电池是一种自发电型的光电传感器（一）结构及工作原理与光敏二极管的区别在大面积的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，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，PN结又称空间电荷区，它的内电场（N区带正电、P区带负电）使扩散到PN结附近的电子空穴对分离，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。PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。（二）光电

11、池的基本特性（1）光谱特性 提问：硅光电池的灵敏度峰值波长为多少m？（2）光电特性 曲线1：光电池负载开路时的“开路电压”Uo的特性曲线；曲线2：负载短路时的“短路电流”I的特性曲线。提问开路电压Uo与光照度的关系呈何种关系？（对数/指数/线性），在多数lx以上就趋于饱和？。当负载短路时，光电流在很大范围内与照度成线性关系。当希望光电池的输出与光照度成正比时，应把光电池作为电流源来使用；当被测非电量是开关量时，可以把光电池作为电压源来使用。提问：如果要得到1.5V的输出电压，提供给液晶计算器使用，必须将几块光电池串联/并联起来？图10-15 某系列硅光电池的光电特性1开路电压曲线 2短路电流曲

12、线（3）光电池的温度特性 （略）（4）频率特性 硅光电池的面积越小，PN结的极间电容也越小，频率响应就越高。第二节 光电元件的基本应用电路1光敏电阻基本应用电路分析图10-17a中，当无光照时，光敏电阻R很大，I在RL上的压降Uo很小。随着入射光增大，R减小，Uo随之增大。图10-17b的情况恰好与图17-a相反，入射光增大，Uo反而减小。图10-17 光敏电阻基本应用电路a）Uo与光照变化趋势相同的电路 b）Uo与光照变化趋势相反的电路2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。图10-18 光敏二极管的一种应用电路请学生逐步分析：强光照时，Uo为何电平？ 3光敏

13、三极管应用电路光敏三极管在电路中：集电结反偏，发射结正偏。与普通三极管工作在放大区时条件？图10-19 光敏三极管的两种常用电路a）射极输出电路 b）集电极输出电路表10-3 输出状态比较电路型式无光照时强光照时三极管状态ICUo三极管状态ICUo射极输出截止00（低电平）饱和（VCC-0.）/RLVCC-UCES(高电平)集电极输出截止0VCC（高电平）饱和（VCC-0.）/RLUCES(0.3V，低电平)分析表10-3：射极输出电路的输出电压变化与光照的变化趋势相同，而集电极输出恰好相反。例10-1 是利用光敏三极管来达到强光照时继电器吸合的光控继电器电路如图10-20，请分析工作过程。解

14、 当无光照时，V1截止，IB=0，V2也截止，继电器KA处于失电（释放）状态。当有强光照时，V1产生较大的光电流I，I一部分流过下偏流电阻RB2（起稳定工作点作用），另一部分流经RB1及V2的发射结。当IB>IBS（IBS=ICS/）时，V2也饱和，产生较大的集电极饱和电流ICS，ICS=（VCC0.3V）/RKA，因此继电器得电并吸合。如果将V1与RB2位置上下对调，其结果相反，请读者自行分析。图10-20 光控继电器电路4光电池的应用电路（略）第三节 光电传感器的应用光电传感器的最大特点：非接触式测量。1）光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某

15、些物理参数，如图10-22a所示。典型的例子有光电高温比色温度计、光照度计、照相机曝光量控制等。2）恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数，如图10-22b所示，典型例子如透明度计、浊度计等。3）恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数，如图10-22c所示。典型的例子如用反射式光电法测转速、测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。4）恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸，如图10-22

16、d所示。典型的例子如振动测量、工件尺寸测量等。图10-22 光电传感器的几种形式a）被测物是光源 b）被测物吸收光通量c）被测物是有反射能力的表面 d）被测物遮蔽光通量1被测物 2光电元件 3恒光源、光源本身是被测物的应用实例1红外线辐射温度 辐射温度计可分为高温辐射温度计、高温比色温度计、红外辐射温度计等。2热释电传感器在人体检测、报警中的应用演示将热释电传感器放置于讲台，接通电源开关。在学生晃动身体时，发出报警声响。不动时，无反应。解释菲涅尔透镜在防干扰中的用途。二、被测物吸收光通量的应用实例光电式浊度图10-26 光电式浊度计原理图1恒流源 2半导体激光器 3半反半透镜 4反射镜 5被测

17、水样6、9光电池 7、10电流/电压转换器 8标准水样分析工作过程，提问;Uo1/Uo2值的范围是多少？采用参比通道的好处：当环境温度升高时：光电池灵敏度降低，Uo1、Uo2同时下降。由于两个通道的结构完全一样，所以在最后运算Uo1/Uo2值时，上述误差可自动抵消，减小了测量误差。复习差动的概念：P62，图33；P99，图54。将上述装置略加改动，还可以制成什么仪器：光电比色计，用于血色素测量、化学分析等。三、被测物体反射光通量的应用实例1反射式烟雾报警器判断火灾发生时伴随时的有光和热的化学反应：（1）产生热量，使环境温度升高：热敏电阻；（2）产生可燃性气体：气敏电阻；（3）产生烟雾：烟雾报警

18、器；（4）产生火焰：辐射出红外线、可见光和紫外线：紫外线报警器。分析：在火灾报警中，为什么不能测量单凭红外线增大，判断火灾？取暖设备、电灯、太阳光线都包含有红外线或可见光。紫外线的判断：利用本章第一节介绍过的紫外线管（外光电效应型）、也可以用某些专用的半导体内光电效应型紫外线传感器，能够有效地监测火焰发出的紫外线，但应避开太阳光的照射，以免引起误动作。分析遮光型和反光型光电反射型烟雾传感器的结构和工作原理。为什么要采用反光型光电反射型烟雾传感器？反光型光电反射型烟雾传感器的输出本底小！经过放大，可以得到脉冲信号。为什么反光型光电反射型烟雾传感器中的LED的激励电流要采用脉冲调制？解释调制的概念！在反射式烟雾报警器