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第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù) 梁長(zhǎng)垠教授ProfessorLiang 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(diǎn)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)會(huì)正確選用光敏傳感器的方法 第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù) 教學(xué)重點(diǎn) 1 光敏傳感器特點(diǎn)與選用 2 光敏傳感器原理及接口電路設(shè)計(jì)方法 教學(xué)難點(diǎn) 1 光溫敏傳感器工作原理 2 光敏傳感器應(yīng)用電路分析與設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(chǎng)景 第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù) 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(shí) 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 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)光敏傳感器應(yīng)用電路分析與訓(xùn)練 光電開關(guān)報(bào)警電路設(shè)計(jì) 人體脈搏測(cè)量電路設(shè)計(jì) 一 光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)1 光譜可見光的光譜范圍 380 780nm對(duì)應(yīng)光色 紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫 第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí) 一 光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí)2 光度單位光通量 單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生光感的能量之和發(fā)光強(qiáng)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照度 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(qiáng)度 第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí) 二 光敏器件與光電效應(yīng)1 光敏器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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 第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí) 光電效應(yīng) 外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng) 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 將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(shí) 二 光電效應(yīng)與光敏器件2 內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下所產(chǎn)生的載流子 自由電子或空穴 仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng) 使物質(zhì)的電阻率發(fā)生變化產(chǎn)生光電流或光生伏特的現(xiàn)象 稱為內(nèi)光電效應(yīng) 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) 第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí) 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)體時(shí) 半導(dǎo)體吸收入射光子產(chǎn)生電子空穴對(duì) 使其電導(dǎo)率增大 基于這種效應(yīng)的器件有光敏電阻 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(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象 基于該效應(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(shí) 兩端會(huì)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 第一節(jié)光敏傳感器基礎(chǔ)知識(shí) 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(gè)電阻器件 使用時(shí)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(shí)的阻值稱為暗電阻 此時(shí)流過的電流稱為暗電流 亮電阻 光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻 此時(shí)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 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 一 光敏電阻1 基本概況與參數(shù)無光照時(shí) 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(zhǎng)范圍的光照時(shí) 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(shí)光敏電阻的靈敏度高 實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí) 亮電阻在幾千歐以下 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 一 光敏電阻2 光敏電阻特點(diǎn)光譜響應(yīng)范圍寬 特別是對(duì)紅光和紅外輻射 偏置電壓低 工作電流大 動(dòng)態(tài)范圍寬 既可測(cè)強(qiáng)光 也可測(cè)弱光 光電導(dǎo)增益大 靈敏度高 無極性 使用方便 在強(qiáng)光照射下 光電線性度較差光電響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng) 頻率特性較差 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 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(shí)間和頻率特性溫度特性 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 一 光敏電阻 伏安特性在一定照度下 光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系在給定的偏壓情況下 光照度越大 光電流也就越大 在一定光照度下 加的電壓越大 光電流越大 沒有飽和現(xiàn)象 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 一 光敏電阻 光照特性光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 一 光敏電阻 光譜特性光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光 靈敏度是不同的 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 一 光敏電阻 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象 光電流的變化對(duì)于光的變化 在時(shí)間上有一個(gè)滯后 通常用響應(yīng)時(shí)間t表示 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 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(dòng) 因此 采取降溫措施 可以提高光敏電阻對(duì)長(zhǎng)波光的響應(yīng) 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 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 硫化鉈 硫化鉍 硒化隔 硒化鉛 碲化鉛等 結(jié)構(gòu)與分類紫外 紅外 可見光光敏電阻 工作原理 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 感光燈電路 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 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(shí) PN結(jié)吸收光能 產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象 基本結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)與一般二極管相似 在透明玻璃外殼中 PN結(jié)裝在管的頂部 可直接受到光照射 光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài) 在沒有光照射時(shí)反向電流很小 稱為暗電流 有光照的電流較大 稱為光電流 光的照度越大 光電流越大 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 光敏二極管的光照特性曲線的線性較好 在小負(fù)載電阻下其光電流與照度基本成線性關(guān)系 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 2 光譜特性 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(shí) 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(chǎng)強(qiáng)度 隨反向偏壓的加大 對(duì)載流子的收集達(dá)到極限 光生電流趨于飽和 這時(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無關(guān) 只取決于光照強(qiáng)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 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(qiáng)度的改變而改變 光照強(qiáng)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(shí)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(cè)器 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 二 光敏二極管3 光敏二極管兩種工作狀態(tài) 有光照時(shí) T1 T2導(dǎo)通 繼電器線圈帶電 常閉觸點(diǎn)斷開 燈不亮 光線較暗時(shí) T1 T2截止 繼電器線圈失電 常閉觸點(diǎn)閉合 燈亮 路燈控制電路 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 二 光敏二極管4 光敏二極管應(yīng)用電路分析 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 三 光敏三極管1 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(gè)對(duì)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(shí)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(shí) 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)常用光敏傳感器工作原理 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 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 四 光電耦合器與光電斷路器1 光電耦合器光電耦合器是將發(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(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞的光電器件 發(fā)光元件常采用砷化鎵發(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(shí)現(xiàn)電 光 電信號(hào)轉(zhuǎn)換 實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 四 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(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞的光電器件 主要作用 光電開關(guān) 產(chǎn)品計(jì)數(shù)等 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 五 光電池1 光電池分類 結(jié)構(gòu)光電池 photovoltaiccell 是一種在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的半導(dǎo)體元件 用于光電轉(zhuǎn)換 光電探測(cè)及光能利用等方面 光電池種類很多 硅光電池 硒光電池 鍺光電池 硫化鎘光電池 砷化鎵光電池等 硅光電池是在一塊N型硅片上 用擴(kuò)散方法摻入一些P型雜質(zhì)形成PN結(jié) 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(shí) 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(duì) 在內(nèi)電場(chǎng)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(fù)電 PN結(jié)產(chǎn)生電勢(shì) 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 五 光電池3 光電池外形 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 五 光電池4 光電池特性 a 光照特性 不同光照度下 光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的 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(cè)量元件使用時(shí) 應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 五 光電池4 光電池特性 b 光譜特性 光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光 靈敏度是不同的 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 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 硅光電池具有較高的頻率響應(yīng) 用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 五 光電池4 光電池特性 d 溫度特性 開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系 關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移 影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo) 硅光電池的溫度特性 照度1000lx 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 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(cè)與指導(dǎo)控制系統(tǒng)中 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 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(shí)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(huì)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 六 紅外熱釋電傳感器 2 紅外熱釋電傳感器結(jié)構(gòu) 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 3 紅外熱釋電傳感器人體感應(yīng)報(bào)警電路 BISS0001是由運(yùn)算放大器 電壓比較器 狀態(tài)控制器 延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路 具有較高性能的傳感信號(hào)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(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān) 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 4 紅外熱釋電傳感器人體入侵檢測(cè)應(yīng)用電路 RP電位器為靈敏度調(diào)節(jié) C7 R8 R10位延時(shí)電路 一 光敏傳感器組成光源 光學(xué)通路 光敏器件 檢測(cè)處理電路 被測(cè)量的變化 光信號(hào)的變化 電信號(hào)的變化 二 光敏傳感器工作原理把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化 然后通過光敏器件變換成電信號(hào) 檢測(cè)電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理 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 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 光敏傳感器的構(gòu)成 光源 光學(xué)通路 光敏器件 檢測(cè)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(diǎn) 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 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 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 光電開關(guān)已被用作物位檢測(cè) 液位控制 產(chǎn)品計(jì)數(shù) 寬度判別 速度檢測(cè) 定長(zhǎng)剪切 孔洞識(shí)別 信號(hào)延時(shí) 自動(dòng)門傳感 色標(biāo)檢出以及安全防護(hù)等 此外 利用紅外線的隱蔽性還可在銀行 倉(cāng)庫(kù) 商店 辦公室等場(chǎng)合作為防盜警戒之用 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 光線被遮斷 報(bào)警 當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí) 傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào) 起保護(hù) 預(yù)警等作用 光幕應(yīng)用 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 產(chǎn)品高度測(cè)量 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 長(zhǎng)度測(cè)量 寬度測(cè)量 高度測(cè)量 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 光幕用于自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車輛檢測(cè) 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 木材外形截面積檢測(cè) 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 反射型光電開關(guān) 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 定區(qū)域反射式光電開關(guān)原理 檢測(cè)距離 檢測(cè)距離 定區(qū)域式光電開關(guān)有一個(gè)非常確定的檢測(cè)區(qū)域 不經(jīng)過該區(qū)域的被測(cè)物體不會(huì)引起光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號(hào) 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 請(qǐng)思考如何將光電開關(guān)用于衛(wèi)生間的自動(dòng)沖水設(shè)備 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 齒盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒 光電斷續(xù)器就輸出一個(gè)脈沖 通過脈沖頻率的測(cè)量或脈沖計(jì)數(shù) 即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移 光電斷續(xù)器應(yīng)用 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 電梯自動(dòng)運(yùn)行條件判斷 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 人體脈搏檢測(cè)應(yīng)用 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例