光电式传感器培训.ppt

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1、光电式传感器,主要内容光电元件（光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻、光电池）红外光传感器光纤传感器光栅传感器激光传感器,光电式传感器的工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电器件的作用是将光信号转变为电电信号。其工作的物理基础是光电效应。,光电效应：在光照射下，物体中的电子吸收了入射光子的能量，发生电学效应的现象 光电效应的分类：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。外光电效应：在光作用下电子逸出物体表面的现象。光电效应方程发生光电效应入射光的最小频率：对应的最大波长（称红限频率）：要发生光电效应，入射光频率或波长应该满足：,内光电效应：光作用使光电

2、器件的电阻率发生变化的现象。如：光敏电阻。光生伏特效应：光作用使物体产生一定方向电动势的现象。如光电池，光敏二极管、光敏三极管。,2.1 光电元件,光电元件通常分为半导体光电元件和真空光电元件。半导体光电元件有：光敏二极管、光敏三极管、光电池、光敏电阻等；真空光电元件有：光电倍增管等。一、光敏二极管 1、工作原理：利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、光电检测等,光敏二极管在在电路中通常处于反向偏置状态，没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小,这反向电流称为暗电流。二极管处于截止状态。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近

3、,使PN结附近产生电子-空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。,2、光敏二极管的基本特性：光谱特性：光敏二极管在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。,伏安特性：当光照时，反向电流随着光照强度的变化。在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行。光的颜色会随着温度的升高而变化，这种光源的温度就叫该光源的色温。,色温1526K,光照特性：光电流与照度的关系，线性关系温度特性：暗电流及光电流与温度的关系。温度变化 对光电流影响很小，而对暗电流影响很大频率特性：光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。

4、光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种。响应特性：硅光敏二极管的上升时间不超过5纳秒，适合用于快速响应或高频调制。,3、光敏二极管的应用 光电路灯控制电路：无光照时，光敏二极管反向截止，R1上的压降VA很小，T1和T2截止，继电器J不动作，路灯保持亮；有光照时，光敏二极管反向电阻下降，VA上升T1和T2导通，J动作常闭端打开，路灯保持亮。白天灯灭，晚上灯亮，起到自动控制的作用。,光强测量电路：由稳压管、光敏二极管和电桥组成测量电路。无光照时，VA很大，FET导通，调整RW使电桥平衡，即指针为0。有光照时，VA下降，R2上电流下降，VB减小；光照不同，VA不同，R2上压降不同，光强可以

5、通过电流计读数显示出来。,二、光敏三极管 结构与工作原理：大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，当光照射在集电结时，会产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。,光敏三极管的基本特性：类似光敏二极管。光敏三极管的应用 脉冲编码器：Vi是电源，V0是输出电压，A和B是光敏二极管的发射端和光敏三极管的接收端。转轴以转速n转动时，辐条树为N的光栅转盘也转动，输出电信号为频率f=nN的脉冲,光电数字转速传感器：原理如下图，接收光信号的是光敏二极管或三极管。由脉冲编码器原理，n=f

6、/N，用频率计测出f，就可得到转速n。,光电脉冲转换电路如下图 其中BG3和BG4组成射极耦合触发器，有光照BG1时使U0为高电位，反之U0为低电位,光电式烟尘浓度计：光敏三极管6和7输出电压U1和U2由远算器8算出U1和U2的比值，进一步算出浓度。,电子蜡烛：接通电源后，当光敏三极管3DU无光照时可控硅VS触发端G因无触发电流而关断，灯ZD不亮。当点燃火柴并靠近3DU时，其c、e极间电阻迅速降低，VS导通，灯亮。当火柴熄灭后，由于VS有自锁功能，灯一直亮着。若对着气动开关SA1吹气，SA1的动片被吹离触点，切断了灯和VS的电源，灯灭。由于VS有自锁功能，SA1复原接通电源，灯也不会亮，只有再

7、点燃火柴用光照光敏三极管才行。灯就象电子蜡烛。,三、光敏电阻1、光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,是一个电阻器件。制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物和金属硒化物，通常采用涂敷、喷涂等方法，在陶瓷基片上涂上半导体薄膜，经烧结而成。,光敏电阻的结构：在底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极与引出线端相连接，通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，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。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，,光敏电阻结

8、构 光敏电阻电极 光敏电阻接线图,光敏电阻工作原理-内光电效应 光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。亮电阻很小，暗电阻很大。要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足,刚好发生内光电效应的临界波长为：,2、光敏电阻的主要参数与基本特性主要参数有(1)暗电阻 亮电阻光电流 暗电阻：光敏电阻在不受光照射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。(2)光谱范围 对应于一定敏

9、感程度的波长响应区间(3)响应时间 光敏电阻从停止光照到电流下降到原来值的63%所需要的时间（无其他负载），一般低于20ms,基本特性：光照特性 光电灵敏度 光谱特性 1）光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻光电流和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图为硫化镉光敏电阻的光照特性。,光敏电阻不宜用作测量元件，但可用于自动控制中的光电开关,2）光电灵敏度 单位光通量入射时光敏电阻输出的光电流 单位外加电压下的光电灵敏度称相对灵敏度 3）光谱特性 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度

10、与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。,对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。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。,/A,4）频率特性 光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常数都较大。图表明硫化铅的使用频率范围较大。,5）温度特性 光敏电阻温度变化影响光敏电阻的光谱响应。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏

11、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，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。,光敏电阻优缺点：,光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件,3、光敏电阻的应用1）照度监视器 RG、R1、RW为采光电路，T1、T2为差动放大电路，T2、T3为复合开关，

12、IC为音乐集成电路，T4、T5为复合功率放大电路，当光照低于100lx时，RG值大，T1截止，T2、T3导通，IC工作，扬声器发声；当光照高于100lx时，RG值小，T1导通，T2、T3截止，IC不工作，扬声器不发声；,2）应急自动照明灯,SA在位置1时对蓄电池充电,3）自动调光台灯 当开关SA1在手控位置时，与普通调光台灯一样，双向可控,4）带材跑偏检测装置 R1作为测量元件安装在带料下方，R2作为温度补偿元件。带材在中间位置时，调整电桥平衡，输出U0=0；带材左偏时，光照增大，电阻减小，输出负U0；带材右偏时，光照减小，电阻增大，输出正U0；将正负U0送到纠偏控制系统，驱动执 行机构，产生纠偏动作的控制信号。,5）标志灯控制电路 电路由环境光强检测电路、多谐振荡器和直流电源电路组成环境光检测电路由光敏电阻、可变电阻和VT1组成。超低频使可控硅VS导通，标志灯点亮；其输的出负半周使可控硅VS截止，灯熄灭这样标志灯就不停闪烁。,完,