《光电式传感器教案》doc版

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1、光电式传感器教案4.1光电效应4.1.1三种类型（1）外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应。红限频率：物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。（2）内光电效应（光导效应）在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。由于这里没有电子自物体向外发射，仅改变物体内部的电阻或电导，有时也称为内光电效应。与外光电效应一样，要产生光电导效应，也要受到红限频率限制

2、。利用光电导效应可制成半导体光敏电阻和光敏晶体管。（3）光生伏特效应在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。4.1.2光电器件的特性（1）光电流光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。（2）暗电流光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。（3）光照特性当光敏元件加一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E教学内容及步骤之间的关系，称为光照特性。一般可表示为。（4）光谱特

3、性当光敏元件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射光功率不变时，光电流随入射光波长变化而变化的关系，称为光谱特性。光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。（5）伏安特性在一定照度下，光电流I与光敏元件两端的电压U的关系I=f(U)称为伏安特性。（6）频率特性在相同的电压和相同幅值的光强度下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏元件输出

4、的光电流I和灵敏度S随调制频率f变化的关系：I=f1(f)、S=f2(f)称为频率特性。（7）温度特性环境温度变化后，光敏元件的光学性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。4.2光电器件4.2.1光敏电阻①光敏电阻工作原理和结构光敏电阻是利用光电导效应制成的。制造光敏电阻的材料一般由金属的硫化物、硒化物、碲化物组成。由于光电导效应只限于光照的表面薄层，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，如图所示。它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。教学内容及步骤　为了避

5、免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求光谱范围的透明保护窗（如玻璃）。为了避免光敏电阻的灵敏度受潮湿等因素的影响，将电导体严密封装在金属壳中。如图所示。　　②光敏电阻的基本特性和主要参数光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，则性能越好。实际用的光敏电阻的暗电阻在1MΩ～100MΩ之间，而亮电阻在几千欧姆以下。不同类型的光敏电阻，其光照特性也不相同，多数光敏电阻的光照特性类似于图所示的曲线形状。因此，光敏电阻不宜作为线性测量元件，这是光敏电阻的一个缺点。在一般的控制系统中用作开关式光电信号传感元件。教学内

6、容及步骤光敏电阻对温度变化比较敏感，当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都将下降。4.2.2光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管统称光敏管。(1)光敏二极管原理和结构光敏二极管的结构与一般的二极管相似，其PN结对光敏感。将其PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在PN结上。下图给出了NPN型光敏三极管基本线路。基极开路，基极-集电极处于反偏状态。当光照射到PN结附近时，由于光生伏特效应，产生光电流。该电流相当于普通三极管的基极电流，因此将被放大（1+β）倍，所以光敏三极管具有比光敏二极管更

7、高的灵敏度教学内容及步骤(2)光敏管的基本特性和主要参数教学内容及步骤半导体色敏器件利用半导体特有的光吸收特性与厚度有关的原理，将两个光电二极管（PD1，PD2）深浅不一地集成于同一硅片上，构成彩色识别元件，其结构如图（a）所示。色敏器件检测颜色的原理是：集成片表面（PN结距表面约0.5μm）的光电二极管PD1对短波长光谱响应较强，深处（PN结深约10μm）的光电二极管PD2对于长波长光谱响应较强，如图所示。这样PD1和PD2短路电流的比值为图示的一条曲线，根据比值与入射光波长的一一对应关系，就可直接求得入射光波长

8、。结型场效应光敏管的缺点是响应速度慢，一般只适宜探测恒定或缓慢变化的微弱光。教学内容及步骤4.2.3光电传感器的应用光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。案例一、光电测微计案例二、光电转速传感器教学内容及步骤案例三、光电鼠标：利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。案例四、亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值