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1、第第2章章 光電式傳感器光電式傳感器主要內(nèi)容主要內(nèi)容光電元件 （光敏二極管、光敏三極管、光敏電阻、光電池）紅外光傳感器光纖傳感器光柵傳感器激光傳感器 光電式傳感器的工作原理：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。光電器件的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡婋娦盘?hào)。其工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)光電效應(yīng)：在光照射下，物體中的電子吸收了入射光子的能量，發(fā)生電學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)象 光電效應(yīng)的分類(lèi)光電效應(yīng)的分類(lèi)：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光作用下電子逸出物體表面的現(xiàn)象。光電效應(yīng)方程發(fā)生光電效應(yīng)入射光的最小頻率：對(duì)應(yīng)的最大波長(zhǎng)（稱(chēng)紅限頻率）：要發(fā)生

2、光電效應(yīng)，入射光頻率或波長(zhǎng)應(yīng)該滿(mǎn)足：內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：光作用使光電器件的電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。如：光敏電阻。光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：光作用使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。如光電池，光敏二極管、光敏三極管。2.1 光電元件光電元件 光電元件通常分為半導(dǎo)體光電元件和真空光電元件。半導(dǎo)體光電元件有：光敏二極管、光敏三極管、光電池、光敏電阻等；真空光電元件有：光電倍增管等。一、光敏二極管 1、工作原理工作原理：利用光子引起的電子躍遷將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，光生電流與光強(qiáng)成正比。用于光纖通信、紅外線(xiàn)遙控器、光電耦合器、光電檢測(cè)等 光敏二極管在在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，沒(méi)有光照射時(shí),反向電阻很大,

3、反向電流很小,這反向電流稱(chēng)為暗電流。二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí),光子打在PN結(jié)附近,使PN結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng),形成光電流。二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大,光電流越大。2、光敏二極管的基本特性、光敏二極管的基本特性：光譜特性光譜特性：光敏二極管在一定照度時(shí)，輸出的光電流（或用相對(duì)靈敏度表示）與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系。100806040200 0.51.01.52.0入射光鍺硅K/(%)伏安特性伏安特性：當(dāng)光照時(shí)，反向電流隨著光照強(qiáng)度的變化。在不同的照度下，伏安特性曲線(xiàn)幾乎平行。光的顏色會(huì)隨著溫度的升高而變化，這種光源的溫度就叫該光源的色溫色溫

4、。色溫1526K3、光敏二極管的應(yīng)用光敏二極管的應(yīng)用 光電路燈控制電路光電路燈控制電路：無(wú)光照時(shí)，光敏二極管反向截止，R1上的壓降VA很小，T1和T2截止，繼電器J不動(dòng)作，路燈保持亮；有光照時(shí)，光敏二極管反向電阻下降，VA上升T1和T2導(dǎo)通，J動(dòng)作常閉端打開(kāi)，路燈保持亮。白天燈滅，晚上燈亮，起到自動(dòng)控制的作用。光強(qiáng)測(cè)量電路光強(qiáng)測(cè)量電路：由穩(wěn)壓管、光敏二極管和電橋組成測(cè)量電路。無(wú)光照時(shí)，VA很大，F(xiàn)ET導(dǎo)通，調(diào)整RW使電橋平衡，即指針為0。有光照時(shí)，VA下降，R2上電流下降，VB減?。还庹詹煌?，VA不同，R2上壓降不同，光強(qiáng)可以通過(guò)電流計(jì)讀數(shù)顯示出來(lái)。二、光敏三極管 結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理

5、：大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引出線(xiàn)，當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。光敏三極管的基本特性光敏三極管的基本特性：類(lèi)似光敏二極管。光敏三極管的應(yīng)用光敏三極管的應(yīng)用 脈沖編碼器脈沖編碼器：Vi是電源，V0是輸出電壓，A和B是光敏二極管的發(fā)射端和光敏三極管的接收端。轉(zhuǎn)軸以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輻條樹(shù)為N的光柵轉(zhuǎn)盤(pán)也轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出電信號(hào)為頻率f=nN的脈沖 光電數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器光電數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器：原理如下圖，接收光信號(hào)的是光敏二極管或三極管。由脈沖編碼器原理，

6、n=f/N，用頻率計(jì)測(cè)出f，就可得到轉(zhuǎn)速n。光電脈沖轉(zhuǎn)換電路如下圖 其中BG3和BG4組成射極耦合觸發(fā)器，有光照BG1時(shí)使U0為高電位，反之U0為低電位 光電式煙塵濃度計(jì)光電式煙塵濃度計(jì)：光敏三極管6和7輸出電壓U1和U2由遠(yuǎn)算器8算出U1和U2的比值，進(jìn)一步算出濃度。電子蠟燭電子蠟燭：接通電源后，當(dāng)光敏三極管3DU無(wú)光照時(shí)可控硅VS觸發(fā)端G因無(wú)觸發(fā)電流而關(guān)斷，燈ZD不亮。當(dāng)點(diǎn)燃火柴并靠近3DU時(shí)，其c、e極間電阻迅速降低，VS導(dǎo)通，燈亮。當(dāng)火柴熄滅后，由于VS有自鎖功能，燈一直亮著。若對(duì)著氣動(dòng)開(kāi)關(guān)SA1吹氣，SA1的動(dòng)片被吹離觸點(diǎn)，切斷了燈和VS的電源，燈滅。由于VS有自鎖功能，SA1復(fù)原接

7、通電源，燈也不會(huì)亮，只有再點(diǎn)燃火柴用光照光敏三極管才行。燈就象電子蠟燭。三、光敏電阻光敏電阻1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理、光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理 光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管,它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒(méi)有極性,是一個(gè)電阻器件。制作光敏電阻的材料一般是金屬硫化物和金屬硒化物，通常采用涂敷、噴涂等方法，在陶瓷基片上涂上半導(dǎo)體薄膜，經(jīng)燒結(jié)而成。光光敏敏電電阻阻的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)：在底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱(chēng)為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極與引出線(xiàn)端相連接，通過(guò)引出線(xiàn)端接入電路。為了防止周?chē)橘|(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透

8、射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，光敏電阻結(jié)構(gòu) 光敏電阻電極 光敏電阻接線(xiàn)圖光敏電阻工作原理光敏電阻工作原理-內(nèi)光電效應(yīng) 光照射到本征半導(dǎo)體上，材料中的價(jià)帶電子吸收了光子能量躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出電子、空穴對(duì)，增強(qiáng)了導(dǎo)電性能，使阻值降低。光照停止，電子空穴對(duì)又復(fù)合，阻值恢復(fù)。亮電阻很小，暗電阻很大。要使價(jià)帶電電子躍遷到導(dǎo)帶，入射光子的能量滿(mǎn)足導(dǎo)帶價(jià)帶uA剛好發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長(zhǎng)為：2、光敏電阻的主要參數(shù)與基本特性、光敏電阻的主要參數(shù)與基本特性主要參數(shù)有 (1)暗電阻 亮電阻光電流 暗電阻：光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱(chēng)為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流。亮電阻：光敏電阻

9、在受光照射時(shí)的電阻稱(chēng)為亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。光電流：亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流。(2)光譜范圍 對(duì)應(yīng)于一定敏感程度的波長(zhǎng)響應(yīng)區(qū)間 (3)響應(yīng)時(shí)間 光敏電阻從停止光照到電流下降到原來(lái)值的63%所需要的時(shí)間（無(wú)其他負(fù)載），一般低于20ms 2）光電靈敏度光電靈敏度 單位光通量入射時(shí)光敏電阻輸出的光電流 單位外加電壓下的光電靈敏度稱(chēng)相對(duì)靈敏度 3）光譜特性光譜特性 光敏電阻對(duì)入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱(chēng)為光敏電阻的光譜特性，亦稱(chēng)為光譜響應(yīng)。對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)，光敏電阻的靈敏度是不同的，不同材料的光敏電阻光譜

10、響應(yīng)曲線(xiàn)也不同。硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域，常被用作照度計(jì)的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)，常用做火焰探測(cè)器的探頭。/A光敏電阻從停止光照到電流下降到原來(lái)值的63%所需電子蠟燭：接通電源后，當(dāng)光敏三極管3DU無(wú)光照時(shí)功能，SA1復(fù)原接通電源，燈在不同的照度下，伏安特性曲線(xiàn)幾乎平行。光電數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器：原理如下圖，接收光信號(hào)的是收了入射光子的能量，發(fā)生電學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)象吹離觸點(diǎn)，切斷了燈和VS的亮電阻很小，暗電阻很大。光敏電阻、光電池）由脈沖編碼器原理，n=f/N，2、光敏電阻的主要參數(shù)與基本特性1、工作原理：利用光子引起的電子躍遷將光SA在位置1時(shí)對(duì)蓄電池充電發(fā)生光電

11、效應(yīng)入射光的最小頻率：有光照時(shí)，光敏二極管敏二極管的發(fā)射端和光敏三極管的接收端。4）頻率特性頻率特性 光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時(shí)間常數(shù)表示。大多數(shù)的光敏電阻時(shí)間常數(shù)都較大。圖表明硫化鉛的使用頻率范圍較大。單位外加電壓下的光電靈敏度稱(chēng)相對(duì)靈敏度光照停止，電子空穴對(duì)又復(fù)合，阻值恢復(fù)。由脈沖編碼器原理，n=f/N，其中BG3和BG4組成射極耦合觸發(fā)器，有光照BG1時(shí)內(nèi)光電效應(yīng)：光作用使光電器件的電阻率發(fā)單位光通量入射時(shí)光敏電阻輸出的光電流其中BG3和BG4組成射極耦合觸發(fā)器，有光照BG1時(shí)對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)，光敏電阻的靈敏度是不同的，

12、不用頻率計(jì)測(cè)出f，就可得到轉(zhuǎn)速n。功能，SA1復(fù)原接通電源，燈為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，RG、R1、RW為采光電路，T1、T2為差動(dòng)放大電路，T2、T3為復(fù)合開(kāi)關(guān)，IC為音樂(lè)集成電路，T4、T5為復(fù)合功率放大電路，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。大多數(shù)的光敏電阻時(shí)間常數(shù)都較大。同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線(xiàn)也不同。3、光敏電阻的應(yīng)用、光敏電阻的應(yīng)用1）照度監(jiān)視器 RG、R1、RW為采光電路，T1、T2為差動(dòng)放大電路，T2、T3為復(fù)合開(kāi)關(guān)，IC為音樂(lè)集成電路，T4、T5為復(fù)合功率放大電路，當(dāng)光照低于100lx時(shí)，RG值大，T1截止，T2、T3導(dǎo)通，IC工作，揚(yáng)聲器發(fā)聲；當(dāng)光

13、照高于100lx時(shí)，RG值小，T1導(dǎo)通，T2、T3截止，IC不工作，揚(yáng)聲器不發(fā)聲；2）應(yīng)急自動(dòng)照明燈 SA在位置1時(shí)對(duì)蓄電池充電4）帶材跑偏檢測(cè)裝置 R1作為測(cè)量元件安裝在帶料下方，R2作為溫度補(bǔ)償元件。帶材在中間位置時(shí)，調(diào)整電橋平衡，輸出U0=0；帶材左偏時(shí)，光照增大，電阻減小，輸出負(fù)U0；帶材右偏時(shí)，光照減小，電阻增大，輸出正U0；將正負(fù)U0送到糾偏控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生糾偏動(dòng)作的控制信號(hào)。5）標(biāo)志燈控制電路 電路由環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)電路、多諧振蕩器和直流電源電路組成環(huán)境光檢測(cè)電路由光敏電阻、可變電阻和VT1組成。超低頻使可控硅VS導(dǎo)通，標(biāo)志燈點(diǎn)亮；其輸?shù)某鲐?fù)半周使可控硅VS截止，燈熄滅這樣標(biāo)志燈就不停閃爍。