传感器第8章 (2)课件

光电式传感器是将被测量的变化转变为光信号，再转换为电信号的一种传感器。第8章光电式传感器光电器件响应快、结构简单、使用方便,而且有较高的可靠性,在自动检测、计算机和控制系统中,应用广泛。光源光学通路被测量被测量光量光量测量电路电量光电器件电量原理框图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。8.1光电器件光电器件工作的物理基础是光电效应。在光作用下,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。在光作用下,使物体产生一定方向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。1、外光电效应光子能量E=hv2、内光电效应光敏电阻又称光导管,是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。暗电阻很大,暗电流很小。8.1.1光敏电阻１．光敏电阻的结构与工作原理当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,光敏电阻的灵敏度高。光敏电阻的暗电阻值在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。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。光敏电阻的原理结构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,亦称光谱响应。图为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对于不同波长,光敏电阻的灵敏度是不同的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。3）温度特性：温度变化影响光敏电阻的光谱响应,灵敏度和暗电阻,尤其是硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图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阻,其温度影响要小一些。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；光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅（Si）。集电极电流是光生电流的β倍,故光敏晶体管有放大作用有单体型和集合型,集合型是在一块基片上有两个以上光敏二极管,如CCD图像传感器中的光电耦合器件。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。光敏晶体管有两个PN结,发射极做得大,扩大光的照射面积图为NPN型光敏晶体管的结构简图和基本电路。当入射光的波长增加或缩短时,相对灵敏度也下降。２．基本特性１)光谱特性:光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图锗管的暗电流较大,性能较差,在可见光或探测赤热状态物体时用硅管。对红外光探测时,锗管较为适宜。２)伏安特性：图为硅光敏管在不同照度的伏安特性曲线9001500S%硅锗l/nm光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。３)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所示温度对光电流影响很小,对暗电流影响很大,在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿,否则将会导致输出误差。每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表向内扩散,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。图为工作原理图8.1.3光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。AAI光电池的基本特性１）光谱特性：对不同波长的光的灵敏度是不同的。图为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线２）光照特性：不同光照度下,光电流和光生电动势不同,其关系就是光照特性。图为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线把光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。3)温度特性：描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。它关系到温度漂移,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重要特性之一。光电池的温度特性如图所示。开路电压随温度升高快速下降,短路电流随温度升高缓慢增加,50002.21002.01.8开路电压I/mA短路电流U/mV作测量器件用时,最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用,以光作为媒介传递信号的光电器件。8.1.4光电耦合器件光电耦合器中发光元件通常是半导体的发光二极管,接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等根据其结构和用途，分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。1．光电耦合器图a形式结构简单、成本较低,且输出电流较大,可达100mA,响应时间为3~4μs图c形式传输效率高,但只适用于较低频率的装置中。图d是高速、高传输效率新颖器件图b形式结构简单,成本较低、响应时间约1μs,输出电流50~300μA无论何种形式,为保证较佳灵敏度,都考虑了发光与接收波长的匹配。光电耦合器是一个电量隔离转换器抗干扰性能和单向信号传输功能,广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合.光电开关是利用感光元件对入射光加以接收,并进行光电转换,加以放大和控制,获得控制输出”开关”信号的器件。2.光电开关图a是透射式的光电开关,光轴是重合的。阻断光路,接收元件收不到发光元件的光起到检测作用图b是反射式的光电开关,有物体时,接收元件收到反射的光,没有物体时则接收不到。特点是小型、高速、非接触,易与TTL、MOS等电路结合图为用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图8.1.4光电传感器的应用1.火焰探测报警器采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定地工作。电路中有打火确认产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀