自动检测技术 教学课件 作者 刘丽红 第5章 光电传感器.ppt

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1、第五章光电传感器主要讲授:1、光电效应2、光电器件（光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管、光电池）的工作原理、基本特性，光电阵列。3、光电传感器的应用需要掌握的内容：1、理解光电效应2、理解光电器件的工作原理，掌握光电器件的基本特性3、掌握光电传感器的应用导入：爱因斯坦认为，光由光子组成，每一个光子具有的能量为，正比于光的频率，即（为普郎克常数），光子的频率越高（即波长越短）光子的能量就越大。绿色光的光子就比红色光的光子能量大，相同光通量的紫外线能量比红外线的能量大得多，紫外线可以杀死病菌，改变物质的结构等。光电传感

2、器是将光信号转换为电信号的一种传感器。光电器件的物理基础是光电效应，此种测量方法具有反应快，非接触等优点，故在非电量检测中应用较广。下面是光电元件的一些图片光敏二极管光敏三极管硅光电池透射型光电开关光电编码器圆柱型光电开关光电耦合器反射型光电开关5.1光电效应及光电元件5.1.1光电效应光电效应：用光照射到某一物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生相应电效应的现象称为光电效应。产生的光电效应现象诸如电阻率的变化、电子逸出、电动势的变化等。外光电效应：光电管、光电倍增管、光电摄像管等。光电导效应：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶

3、闸管。内光电效应光生伏特效应：光电池1、光电倍增管特点：①放大光电流②灵敏度非常高③信躁比大④线性好⑤多用于微光测量⑥体积大、易破碎，工作电压高。光电倍增管原理图5.1.2光电元件2、光敏电阻它的工作原理基于内光电效应：若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子能量后跃迁到导带，就产生一个电子—空穴对，使电阻率变小。光照越强，阻值越低。入射光消失，电子—空穴对逐渐复合，电阻值也逐渐恢复原值。材料：金属硫化物、硒化物、蹄化物等。暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值。亮电阻：置于室温和一定光照度下测得的稳定电阻值

4、。外形图图形符号原理图3、光敏二极管普通的二极管不论在有光照射或者无光情况下，都单向导通，而光敏二极管在有光照射时双向导通。图5-4光敏二极管a)内部结构b)结构示意图c)图形符号1—负极引角2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜5—正极引角几种新型的光敏二极管PIN光敏二极管它是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。工作电压高达100V左右，光电转换效率较高，灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作光盘的读出光敏元件，特殊结构的可用于测量紫外线或射线，以及短距离光纤通信。APD光

5、敏二极管（雪崩光敏二极管）它利用了二极管的雪崩效应，灵敏度极高，响应速度极快，响应频率可达几千兆赫，可用于光纤通信及微光测量。4、光敏三极管光敏三极管有两个PN结，它的灵敏度比二极管高许多倍。图5-5光敏三极管a)内部结构b)结构示意图c)图形符号d)光敏达林顿三极管e)光敏三极管的等效电路1-集电极引角2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜5—发射极引角5、光敏晶闸管导通电流比光敏三极管大得多，工作电压可达数百伏，输出功率大。图5-6光敏晶闸管a)结构简图b)图形符号5.1.3光电器件的基本特性（1）光电特性：光电特性是指在加在光电元件上的电

6、压不变的情况下，光照度与光敏器件的电阻或光电流之间的关系。从图5-8可以看出：此种光敏晶体管光电流与光照度成线性关系，光敏三极管的光电特性曲线斜率较大，说明其灵敏度较高。图5-7某光敏电阻的光电特性图5-8某光敏晶体管的光电特性1-光敏二极管2-光敏三极管（2）伏安特性：在保持入射光频谱成分不变的条件下，光电器件的电流和电压之间的关系称为光电器件的伏安特性。图5-9光敏电阻的伏安特性图5-10某光敏晶体管的伏安特性a)光敏二极管b)光敏三极管（3）光谱特性是指光线波长和相对光谱灵敏度之间的关系。结论：1、当入射光波长增加时，光电器件的相

7、对灵敏度会下降；当入射光波太短时，相对光谱灵敏度也下降。2、材料不同，则响应峰值波长也不同，以此可确定光源和光电器件的最佳匹配。图5-11硅、锗光敏晶体管的光谱特性（4）温度特性：温度特性是指光电器件在工作温度范围内的灵敏度、暗电流或光电流与温度的关系。由于硅管的暗电流比锗管小几个数量级，所以在微光测量中采用硅管，并用差动电路来减小温度的影响。硅光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但它的温漂大，所以在精密测量中，一般采用硅光敏二极管。（5）频率特性和时间常数光敏管频率特性是指其受不同频率的调制光照时，它的输出与调制频率的关系。图5-12是

8、光敏二极管的频率特性曲线。光敏管的响应时间常数一般在10-4s～10-5s。硅管时间常数较小，响应频率高。光敏管的响应时间常数一般在10-4s～10-5s。硅管时间常数较小，响应频率高。图5-12光敏二极管