光电传感器光电器件原理和特性.ppt
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1、光敏传感器-理论,内容,光敏传感器光敏器件类型和原理常用光敏器件特性和基本应用光敏二极管光敏晶体管光敏电阻,光敏传感器,光敏传感器的工作原理是:把被测量的变化转换成光信号的变化,然后通过光敏器件变换成电信号,检测电路对电信号进行处理。,被测量的变化,光信号的变化,电信号的变化,光敏传感器,光敏传感器的构成:光源、光学通路、光敏器件、检测处理电路。常用光源:白炽灯、气体放电光源、LED、激光器(固体、气体、液体、半导体激光器)光敏传感器特点:非接触、响应快、性能可靠。,光敏器件类型和原理,光敏器件是把光信号转换为电信号的一种元器件,广泛应用于自动控制、安防、广播电视等领域。半导体光敏器件体积小、
2、重量轻、灵敏度高、功耗低、便于集成。光敏器件的工作基础是光电效应。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面,被光激发产生的电子逸出物质表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,被光激发所产生的载流子(自由电子或空穴)仍在物质内部运动,使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象,称为内光电效应。,光电效应,外光电效应:物质吸收光子并激发出自由电子的现象。基于外光电效应的器件有光电管、光电倍增管。内光电效应:光电导效应:当入射光子射入到半导体时,半导体吸收入射光子产生电子空穴对,使其电导率增大。基于这种效应的器件有光敏电阻。光生伏特效应:在光作用下能使物体产
3、生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。,检测对象,可见光和不可见光,不可见光有紫外线和近红外线由于光的波长和电磁波的性质不同,要根据被检测对象的性质,即光的波长和响应速度来选择传感器,常用光敏器件,器件介绍-光敏电阻,图6.2-1,硫化镉CdS,无光照时,载流子极少,电阻较大,随着光的照度增大,CdS材料中载流子浓度增加,电阻值变小。,器件介绍-光敏电阻,光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)很小。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
4、路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。,光敏电阻特点,光谱响应范围宽(特别是对于红光和红外辐射);偏置电压低,工作电流大;动态范围宽,既可测强光,也可测弱光;光电导增益大,灵敏度高;无极性,使用方便;在强光照射下,光电线性度较差光电响应时间较长,频率特性较差。,光敏电阻的主要参数,暗电阻:光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。亮电阻:光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。光电流:亮电流与暗电流之差称为光电流。,(1)伏安特性(2)光照特性(3)光
5、谱特性(4)响应时间和频率特性(5)温度特性,光敏电阻的基本特性,(1)伏安特性,在一定照度下,光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系,在给定的偏压情况下,光照度越大,光电流也就越大;在一定光照度下,加的电压越大,光电流越大,没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的,耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。,使用时注意功率超过该值?,(2)光照特性,光敏电阻的光电流与光强之间的关系,人眼对光的感觉量为基准的单位-光通量来衡量光能量。光通量的用符号表示,单位为流明(lm)。,(3)光谱特性,光敏电阻对不同波长的光,灵敏度是不同的,A=0.1nm=10(-10)m念埃 就是10的负
6、10次方米,(4)响应时间和频率特性,光电导的弛豫现象:光电流的变化对于光的变化,在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。,(5)温度对光谱特性影响,随着温度升高,光谱响应峰值向短波方向移动。因此,采取降温措施,可以提高光敏电阻对长波光的响应。,A=0.1nm=10(-10)m念埃 就是10的负10次方米,光的波长,A=0.1nm=10(-10)m念埃 就是10的负10次方米,光敏电阻应用电路,光强度超限报警电路,光控振荡电路,用万用表或示波器观察光强度变化时U+、U-和Uo的变化,Uo,应用电路分析,图1.34 亮光报警电路P28图1.35 标志灯电路P29,器件介绍光电二极管概述,光电二
7、极管和普通二极管一样,也是由一个PN结组成的半导体器件,也具有单方向导电特性。但是,在电路中不是用它作整流元件,而是通过它把光信号转换成电信号。那么,它是怎样把光信号转换成电信号的呢?普通二极管在反向电压作用在处于截止状态,只能流过微弱的反向电流,光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的,没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;有光照时,反向电流迅速增大到几十微安,称为光电流。光的强度越大,反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化,这就可以把光信号转换成电信号,成为光电传感器件。,检测方法,电阻测量法用万用表1k挡。光电二极管
8、正向电阻约10k左右。在无光照情况下,反向电阻为时,这管子是好的(反向电阻不是时说明漏电流大);有光照时,反向电阻随光照强度增加而减小,阻值可达到几k或1k以下,则管子是好的;若反向电阻都是或为零,则管子是坏的。,检测方法,电压测量法用万用表1V档。用红表笔接光电二极管“+”极,黑表笔接“”极,在光照下,其电压与光照强度成比例,一般可达0204V。,检测方法,短路电流测量法用万用表50A档。用红表笔接光电二极管“+”极,黑表笔接“”极,在白炽灯下(不能用日光灯),随着光照增强,其电流增加是好的,短路电流可达数十至数百A。,如何区分发光二极管和光敏二极管,判据一:在红外对管的端部不受光线照射的条
9、件下调换表笔测量,发射管的正向电阻小,反向电阻大,且黑表笔接正极(长引脚)时,电阻小的(1k20k)是发射管。正反向电阻都很大的是接收管。判据二:黑表笔接负极(短引脚)时电阻大的是发射管,电阻小并且万用表指针随着光线强弱变化时,指针摆动的是接收管。注:(1)黑表笔接正极,红表笔接负极时测量正向电阻。(2)电阻大是指三用表指针基本不动。,红外发光管的判别,管子的极性不能搞错,通常较长的引脚为正极,另一脚为负极。如果从引脚长度上无法辨识(比如已剪短引脚的),可以通过测量其正反向电阻确定之。测得正向电阻较小时,黑表笔所接的引脚即为正极。通过测量红外发光二极管的正反向电阻,还可以在很大程度上推测其性能
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