第十章上 光电传感器（上）

自动检测技术课程授课教案PAGEPAGE1第十章光电传感器（上）课题：光电传感器的原理课时安排：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元件的光谱特性和电路教学目的和要求1.了解光电元件的分类以及工作原理；2.掌握光敏电阻和光敏二极管的测量转换电路；3.了解光敏晶体管的测量转换电路；3.了解光电池的电流/电压转换电路。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（1MΩ档），测量在有光照（朝向地面、窗外、灯光等）和没有光照（握在手心）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MΩ逐渐减小。在强光照的情况下，大约可减小到几个kΩ。从以上演示，引入第一节光电效应、光电元件，以及它们的工作原理。第一节光电效应及光电元件介绍光的物理基础，爱因斯坦的诺贝尔奖，引出三种光电效应：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、光敏晶体管及光敏晶闸管等。（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。基于光生伏特效应的光电元件：光电池等。图10-1光电管及外光电效应示意图a）光电管b）外光电效应示意图1－阳极a2－阴极k3－石英玻璃外壳4－抽气管蒂5－阳极引脚6－阴极引脚7－金属表面8－光子9－光致发射电子一、基于外光电效应的光电元件（只需了解应用领域）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。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．工作原理图10-3光敏电阻a）原理图b）外形图c）图形符号光照愈强，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1MΩ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，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。图10-4光敏电阻的光电特性a）光照/电阻特性b）光照/电流特性从上图可以得出以下结论：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=dΦ/dA，所以1lx=1lm/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。环境状态照度/lx月时的地面0.220cm远处的烛光10～15黄昏室内1040W荧光灯正下方1．3米9040W白炽灯下1米30晚上教室桌面＞150晴天中午室内窗口桌面2000~4000阴天中午室外6000晴天中午室外10000～80000距离白炽灯40W白炽灯60W白炽灯100WLED180颗LED72颗节能灯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10000～40000lx。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以及控制闪光灯。（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：10–2～10–3s，提问：光敏电阻能否用在要求快速响应的场合？不解释：“3．发光强度、光通量、照度简介”。建议跳过。学生可以自己上网看。（二）光敏二极管、光敏晶体管1．光敏二极管的结构及工作原理：被测光必须照在PN结。分析光敏二极管的基本电路，得出结论：光敏二极管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？提示：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。光敏二极管的反向偏置接法简介几种新型的光敏二极管：（1）PIN光敏二极管它是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率（响应频率可达GHz）。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高达100V左右，光电转换效率较高，所以其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，，可用作光盘的读出光敏元件，特殊结构的PIN二极管还可用于测量紫外线。（2）APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）它是一种具有内部倍增放大作用的光敏二极管。它的工作电压高达上百伏，它的工作原理有点类似于雪崩型稳压二极管。灵敏度很高，缺点是噪声大，可以用于数字光纤通信。2．光敏晶体管结构及工作原理提示：以前教材中，有“三极管”的提法，现在按照国家标准，统一将“三极管”改称为“晶体管”（Transistor）。解释“光敏晶体管”与“光敏二极管”的区别，与电子学中的“普通晶体管”的区别。光敏晶体管有两个PN结，但多数只有正、负（C、E）两个引脚，其外形与光敏二极管相似，从外观上较难区别。被测光线通过透明窗口落在光敏晶体管的集电结上。光敏晶体管有“电流增益”，灵敏度比光敏二极管的高β倍。图10-8光敏晶体管图形符号a）光敏晶体管图形符号b）光敏达林顿晶体管图形符号分析：光敏晶体管的频率特性为什么比二极管差、暗电流大？因为有基极放大，漏电流也跟着放大了，温漂也大了。在要求稳定性好的场合，必须选用光敏二极管，再加上低温漂的放大器来提高灵敏度。光敏晶闸管的导通电流比光敏晶体管大得多，工作电压有可高达数百伏，输出功率大。主要用于光控开关电路及大电流光耦中。（三）光敏二极管和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（只需简介）（3）光电特性（重点）结论：光电流IΦ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－光敏晶体管光电特性提问：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μA？（4）温度特性温度对暗电流的影响；光敏晶体管的温漂与光敏二极管比较；在高准确度测量中选用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_7～10_5s左右，光敏晶体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。提示：光敏二极管频率特性不是指能否适应被测光的频率，而是指能否测量特定的光的“调制频率”。也就是说，如果光是一闪一闪的，闪动的频率（也称调制频率）从慢到快，到某一个极限频率时，光敏二极管的输出电流就无法响应这个快速的变化。例如，可以用光敏二极管测量“光导纤维”的数字通信调制信号，但如果数字通信的速度太快，光敏二极管就没有数字量输出了。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。光敏晶体管的tr上升时间，tf下降时间与光敏二极管的比较。图10-12某型号光敏二极管的频率特性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tr＝tf＝1μs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——光电池光电池是一种自发电型的光电传感器（一）结构及工作原理（介绍：与光敏二极管的区别）在大面积的P型衬底上，利用扩散法生成一层很薄的N型受光层，作为光照敏感面。当入射光子的能量足够大时（就是说，光的频率必须大于“红限”），PN结每吸收一个光子，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。过去的光电池将P型硅朝着光照方向，上面覆盖透明电极。产生光伏的原理与上述基本相同，但效率不高。图10-13硅光电池a）结构示意图b）图形符号c）等效电路d）外形（二）光电池的基本特性（1）光谱特性图10-14光电池的光谱特性提问：硅光电池的灵敏度峰值波长为多少μm？（2）光电特性图10-15某硅光电池的光电特性1－开路电压曲线2－短路电流曲线解释：曲线1：光电池负载开路时的“开路电压”Uo与光照度E的关系特性曲线；曲线2：负载短路时的“短路电流”IΦ与光照度E的关系特性曲线。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），开路电压在多少lx以上就趋于饱和？。结论：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，大约必须将几块光电池串联/并联起来？（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a中，当无光照时，光敏电阻RΦ很大，IΦ在RL上的压降Uo很小。随着入射光增大，RΦ减小，Uo随之增大。图b的情况恰好与图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．光敏晶体管应用电路光敏晶体管在电路中：集电结反偏，发射结正偏。与普通晶体管工作在放大区时条件？图10-19光敏晶体管的两种常用电路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晶体管状态ICUo晶体管状态ICUo射极输出截止00（低电平）饱和（VCC-0.３）/RLVCC-UCES(高电平)集电极输出截止0VCC（高电平）饱和（VCC-0.３）/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是利用光敏晶体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（主要是得出光照与继电器的状态关系）。解当无光照时，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