第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)目的：1、了解光敏傳感器的作用、分類和使用 方法；2、熟悉常用光敏傳感器的特點及應(yīng)用范 圍；4、掌握常用光敏傳感器的工作原理及使 用方法；5、學(xué)叁正確選用光敏傳感器的方法。深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)重點1、光敏箱戰(zhàn)器特點與選用；2、光敏傳感器原理及接口電路設(shè)計方法。教學(xué)難點：1、光溫嬴專感器工作原理；2、光敏傳感器應(yīng)用電路分析與設(shè)計方法；教學(xué)方法：1、引導(dǎo)文教學(xué)法2、引探教學(xué)法3、頭腦風(fēng)暴法問題思考:1、光敏傳感器的作用是什么？2、常用的光敏傳感器有哪些種？各自的原理是 什么？3、何為光電效應(yīng)？可見光的波長范圍是多少？4、光敏電阻的阻值由什么因素決定？5、光敏二極管工作在什么狀態(tài)？6、光電池的的原理是什么？7、光電開關(guān)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有哪些應(yīng) 用？8、.舉出20種以上光敏傳感器的應(yīng)用場景術(shù)學(xué).第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù)第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識- 光譜與光度單位- 光電效應(yīng)與光敏器件第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理- 光敏傳感器組成與工作原理一光敏電阻光敏二、三極管光電池紅外熱釋電傳感器第三節(jié)光敏商感篥應(yīng)用電路分析與訓(xùn)練- 光電開關(guān)報警電路設(shè)計4人體脈搏測量電路設(shè)計門廣一第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識i一、光敏傳感器基礎(chǔ)知識L光譜可見光的光譜范圍:380780nm深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院對應(yīng)光色：紅、橙、黃、綠、青、藍、紫Gamma紫外線紅外線FM 短波 I I 11 I 111 -中關(guān)村在 zoLX射為雷達波 TV AM第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識i一、光敏傳感器基礎(chǔ)知識2.光度單位光通量：單位時間內(nèi)產(chǎn)生光感的能量之和 發(fā)光強度：光源在某一給定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量發(fā)光效率：發(fā)射光通量與消耗電功率比值 限度：單位被照面積上接收到的光通量 亮度：視角方向上單位面積的發(fā)光強度第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識二、光敏露祥看光電效應(yīng)k孵1 .光敏器件把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種元器件。常用的光敏器件有：光敏電阻、光敏二極管、 光敏三極管、光電池、熱釋電紅外熱敏器件等。光敏器件的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。2 .光電效應(yīng)光照射到某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)的電特性發(fā)生變 化的物理現(xiàn)象。3 .光電效應(yīng)的分類 日/外光電效應(yīng)光電效應(yīng)9t內(nèi)光電效應(yīng)第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識 1二、光敏器件與光電效應(yīng)1）外光電效應(yīng)在光線作用下使電子逸出物質(zhì)表面的現(xiàn)象。其中 向外發(fā)射的電子稱為光電子，能夠承受光電效應(yīng) 的物質(zhì)稱為光電材料。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增 管 曾條微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號的真空電子器件。）等器件圖第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識二、光電效應(yīng)與光敏器件2）內(nèi)光電效應(yīng)仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，使物質(zhì)的電阻率發(fā)生變化產(chǎn)在光線作用下所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）生光電流或光生伏特的現(xiàn)象，稱為也 內(nèi)光電效應(yīng)又可分為：光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)紅外熱釋電效應(yīng)深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識i二、光敏器件與光電效應(yīng)(1)光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)入射光子射入到半導(dǎo)件時，半導(dǎo)體吸收入射光 子產(chǎn)生電子空穴對，使其電導(dǎo)率增大。基于這種效應(yīng)的器件有光敏電阻O(2)光生伏特效應(yīng)在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二/三極管.(3)熱釋電效應(yīng)一些晶體受到紅外線熱輻射轉(zhuǎn)化為熱量時，兩端 會產(chǎn)生數(shù)量相等、極性相反的電荷，這種由熱變 化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)能夠承受熱電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電元件一院_第二節(jié)常用光敏傳感器工作原遮一、光敏電阻1 .基本概況與參數(shù) 光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用 時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。暗電阻：光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流 亮電阻：光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電 阻，此時流過的電流稱為亮電流。 光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。第三節(jié) 常用光敏傳感器工作原理S . ? * 一耳屈胞I一、光敏電阻L基本概況與參數(shù) 無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中 電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長 范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減少， 電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時 光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值 一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。常用光敏傳感器工作原理?A>*r 一 一H弟一下一、光敏電阻2.光敏電阻特點-光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對紅光和紅外輻射）；-偏置電壓低,工作電流大;- 動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光;- 光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；- 無極性，使用方便；- 在強光照射下，光電線性度較差- 光電響應(yīng)時間較長，頻率特性較差。第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理11 L:鬻尊: Bl蹙蘇聶?W一、光敏電阻3.光敏電阻基本特性伏安特性光照特性光譜特性響應(yīng)時間和頻率特性溫度特性深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院第二節(jié)常用光敏傳感器工作原嚶一、光敏電阻伏安特性在給定的偏壓情況下，光照度在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流 之間的關(guān)系 越大，光電流也就越大；40302010】00200功耗大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象光敏電阻電壓（V） 在一定光照度下，加的電壓越 光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的, 耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理鬻逮解罐I晨mm辱I一、光敏電阻光照特性光敏電阻的光電流與光強之間的關(guān)系0.30.6光通量(Im)5 0 5 0 5 2 2 11 O o o o o O (W5爆屈率1.231深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院第二節(jié)常用光敏傳感器工二作原琥臨。,八，二寸一、光敏電阻 光譜特性光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的1500030000入疑劇招送）()弱施映次要o o o o O0 8 6 4 21JL第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理一、光敏電阻4）響應(yīng)時間和頻率特性光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變化, 在時間上有一個滯后。通常用響應(yīng)時間t表示。00 163O()速騰他W室第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理鬻逮解罐I晨mm辱I一、光敏電阻溫度特性隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動。因 止匕，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的 響應(yīng)。01X104 2X 1043XI04 4X 104入射光波長(1)()翹稀喔初轉(zhuǎn)第二節(jié)常用光敏傳感器工作原酸一、光敏電阻4 .光敏電阻材料、結(jié)構(gòu)、分類與工作原理制作材料:半導(dǎo)體：硫化鎘、硫化鉛、硫化銘、 硫化例、硒化隔、硒化鉛、不帝化鉛等電極r(ELECTRCDE)|.CDS J樹脂膠舊2與BLUE)X電極 gJHTROOfi?結(jié)構(gòu)與分類紫外、紅外、可見光光敏電阻工作原理eR5E)導(dǎo)/L.FRDJ第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理一、光敏電阻5 .光敏電阻用電路分析12VOfO-5VRI2KJR22R22K2555XUA+ILB5qLo2 mK：S3RCDLEDGXD一 C2T o-iG：T>RLJ感光燈電路深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ,第二節(jié)一常用光敏傳感器工作原理1目修* &/格/二、光敏二極管 1 .概述光敏二極管又稱光電二極管，是一種光電轉(zhuǎn)換器件 ,原理是利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，即光照到PN結(jié) 上時，PN結(jié)吸收光能，產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理二、光敏二極管2.光敏二極管基本特性(1)光照特性0200 400 600 800 1000 1200昭府“X、光敏二極管的光照特性曲線的線性較好，在小 負載電阻下其光電流與照度基本成線性關(guān)系。碑硼聯(lián)亞技 術(shù)學(xué)院第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理、光敏二極管2.光敏二極管基本特性(2)光譜特性波長 x 1 o2(nm). 潦圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院(武)照睇映我要飽和，這時光生電流與所加偏壓幾乎無關(guān)，只取決于光 照強度。第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理二、光敏二極管2 .光敏二極管基本特性 (3)伏安特性當(dāng)反向偏壓較低時，光電流 隨電壓變化比較敏感，這是 由于反向偏壓加大了耗盡層 的寬度和電場強度。隨反向 偏壓的加大，對載流子的收 集達到極限，光生電流趨于第二節(jié)常用光敏傳感器工作原堡二、光敏二極管3 .光敏二極管兩種工作狀態(tài)(1)當(dāng)光敏二極管加上反向電壓 管子中的反向電流隨著光照強度的 改變而改變，光照強度越大，反向 電流(光電流)越大，大多數(shù)都工 作在這種狀態(tài)。(2)光敏二極管上不加反向電壓 利用PN結(jié)在受光照時產(chǎn)生正向電 壓的原理，把它用作微型光電池。 這種工作狀態(tài)，一般作光電檢測器第二節(jié)常用光敏傳感器工作原普、光敏二極管4 .光敏二極管應(yīng)用電路分析有光照時，Tl. T2導(dǎo)通,繼電器線圈帶電，常閉觸點斷開，燈不亮。光線較暗時，Tl> T2截止,繼電器線圈失電，常閉觸點閉合，燈亮。路燈控制電路深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院第二節(jié)常用光敏傳感器工彳三原理三、光敏三極管L光敏三極管概述光敏晶體管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類似。不同之處是光敏 晶體管有一個對光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用發(fā)射結(jié) 作為受光結(jié)，基極無引出線，因此，光敏晶體實質(zhì)上是一 種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的三極管。當(dāng)光照射到PN結(jié)附近時，由于光生伏特效應(yīng)，產(chǎn)生光電流。光敏三極管具有比光敏二極管更高的靈敏度。第二節(jié)常用光敏傳三、光敏三極管2 .光敏三極管特性光敏三極管特性與光敏二極管相似3 .光敏三極管應(yīng)用電路分析輸入第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理I、光電耦合器與光電斷路器L光電耦合器.光電耦3器是將發(fā)光元件和光敏元件合并使用并集成在一起，以光為媒介實現(xiàn)信號傳遞的光電器件。發(fā)光元件常采用碑化鐵發(fā)光二極管，光敏元件可以是光敏二極管或光敏晶體管主要作用：實現(xiàn)電-光-電信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)信號隔離0第二節(jié)常用光敏傳感器光電耦合器與光電斷路器2.光電斷路器光電斷路器是將發(fā)光元件和光敏元件合并使用并 相互隔開，以光為媒介實現(xiàn)信號傳遞的光電器件。主要作用：光電開關(guān)、產(chǎn)品計數(shù)等深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院檢測物外形圖輸入端僦魄皿 V第二節(jié)常用光敏傳感器五、光電池L光電池分類、結(jié)構(gòu)光電池(photovoltaic cell),是一種在光的照 射下產(chǎn)生電動勢的半導(dǎo)體元件。用于光電轉(zhuǎn)換、光 電探測及光能利用等方面。光電池種類很多：硅光電池、硒光電池、楮光電池、硫化鎘光電池、碑化錢光電池等硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散方法摻入一些P型雜質(zhì)形成PN結(jié)。太陽光線上電極N型硅PN疆P型硅下電極太陽電池結(jié)構(gòu)原理第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理五、光電池2.光電池原理 入射光照射在PN結(jié)上時，弱光子能量大于半導(dǎo)體材 料的禁帶寬度，則在PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對, 在內(nèi)電場作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū), 使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負電，PN結(jié)產(chǎn)生電勢梳狀電極sunlightbast,<-rear contactelectnm-hok pairantir<flcctioii coating七二 fnimt contact emitterN 一I .n BHi-Y 11I Jtw+ IT IT pumSOS第二節(jié)常用光敏傳感器工五、光電池4.光電池特性(a)光照特性照度(lx)短路電流與光照度成線性關(guān)系；開路電壓與光照度是非線性的。光電池作為測量元件使用時，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用。第二節(jié)常用光敏傳感器工，五、光電池4.光電池特性(b)光譜特性00110400 600 800 1000 1200入射光波長(nm) 一 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院80604020光電池對不同波 長的光，靈敏度 是不同的。第二節(jié)常用光敏傳感器五、光電池4.光電池特性(c)頻率響應(yīng)指輸出電流隨調(diào)制光 頻率變化的關(guān)系。0 1500 3000 4500 6000 7500入射光頻率（Hz）O6040O2()爆相親友至硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，用于高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換。第二節(jié)常用光敏傳感器五、光電池4.光電池特性(d)溫度特性開路電壓和短路電流500112.2隨溫度變化的關(guān)系。關(guān)系到應(yīng)用光電池的 儀器的溫度漂移，影響到 測量精度或控制精度等重 要指標<s爆出曲宗O>E)出出卅次8LOJ OH就,60I40,20L O硅光電池的溫度特性(照度lOOOlx)深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院第二節(jié)常用光敏傳感器五、光電池5.光電池應(yīng)用(1)光電池作光伏器件，利用光伏作用直接把太陽 能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池(2)光電池作光電轉(zhuǎn)換器件，用于光電檢測與指導(dǎo) 控制系統(tǒng)中六、紅外熱釋電傳感器1.概述(1)紅外輻射紅外輻射本質(zhì)上時一種熱輻射。任何物體，只要 它的溫度高于決定零度(-273度),就會向外發(fā)射 紅外線。(2)紅外傳感器分類光電型熱電型(熱釋電紅外傳感器)(3)熱釋電紅外傳感器的熱釋電效應(yīng)由于溫度變化引起電介質(zhì)表面產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理w六、紅外熱釋電傳感器2.紅外熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)rrrrnrririroi rrYr rei rraranrtir rrorrav rw rBrr-rsrro> rc r/r rn> rrr rev ronrran rrwi 、，ron rr，r、rreirri ri，r rrtn ai，r rrn rr，r濾光片深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院FET管座 高阻 引腳三紅外輻射(a)結(jié)構(gòu)(b)電留圖3.紅外熱釋電傳感器人體感應(yīng)報警電路BISS0001調(diào)理電路12Uo2匚膠Uo3F31o$15585EEEPBISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制 器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的 數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。具有較高性能的傳感信號 處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外 接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。比較判別吉光報警器-NOwrRF1孫口Z(iSpeaker :而舉,我技術(shù)學(xué)院第二節(jié)常用光敏傳感器工彳4.紅外熱釋電傳感器人體入侵檢測應(yīng)用電路RP電位器為靈敏度調(diào)節(jié)，C7、R8、R10位延時電路GND第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例一、光敏傳感器組成光源、光學(xué)通路、光敏器件、檢測處理電路。常用光源：白熾燈、氣體放電光源、LED、激光器（固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器）二、光敏傳感器工作原理把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然 后通過光敏器件變換成電信號，檢測電路 對電信號進行處理。被測量的變化電信號 的變化光信號 的變化第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例I飛 光敏傳感器的構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光 敏器件、檢測處理電路。 常用光源：白熾燈、氣體放電光源、LED、 激光器（固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光 器） 光敏傳感器特點：非接觸、響應(yīng)快、性能 可靠。第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例I光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式（直射式）、吸收式、遮光式、反射式等四種基本形式。被測物光電元件光源輻射式遮光式吸收式被測物 光電元件被鋤物光電元件彳皮溺物圖反時式第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例IT光電開關(guān)已被用作物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、色標檢出以及安全防護等。此外，利用紅外線的隱蔽性還可在銀行、倉庫、商店、辦公室等場合作為防盜警戒之用光也開美林松楣物悻光電開葵 發(fā)射豁接收器漫反射光電開兵被檢費I物體般反射-rfX府部較強漫反 葉的光度分布推臣見 式比咆 開關(guān)財?shù)墓舛确植蓟诜呆焦怆婇_力技改雷光纖插人式獴頭光舒鴕發(fā)射器藪檢測物建此纖控制器光軒仲雄霹圖3各種光電開美光線工作示意圖深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例I飛深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院6光接收器名光發(fā)射器被檢測物體第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例