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第6講光電式傳感器 內(nèi)容 一 光電器件的基本概念 二 光電池 三 紅外傳感器 四 光電傳感器應(yīng)用舉例 目的 1 了解光電式傳感原理和結(jié)構(gòu) 2 掌握光電式傳器的特點(diǎn)及應(yīng)用知識(shí) 第6課光電式傳感器 1 什么是光電式傳感器 以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器稱(chēng)光電式傳感器 2 用途主要用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量 如光強(qiáng) 光照度 輻射測(cè)溫 氣體成分分析等 也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量 如零件直徑 表面粗糙度 應(yīng)變 位移 振動(dòng) 速度 加速度 以及物體的形狀 工作狀態(tài)的識(shí)別等 第6課光電式傳感器 3 特點(diǎn)光電式傳感器具有非接觸 響應(yīng)快 性能可靠等特點(diǎn) 因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用 近年來(lái) 新的光電器件不斷涌現(xiàn) 特別是CCD圖像傳感器的誕生 為光電式傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了新的一頁(yè) 第6課光電式傳感器 4 外形特征 第6課光電式傳感器 4 外形特征 第6課光電式傳感器 4 外形特征 第一節(jié)光電器件的基本概念 光電器件 是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件 它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件 光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng) 什么是光電效應(yīng) 在光照射在某些物質(zhì)上時(shí) 物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生電效應(yīng)現(xiàn)象 如導(dǎo)電率變化 釋放電子和產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等 釋放的電子叫光電子 能產(chǎn)生光效應(yīng)的物質(zhì)叫電材料 第一節(jié)光電器件的基本概念 光電效應(yīng)分為以下三種類(lèi)型 1 內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下 物體的電導(dǎo)性能改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng) 如光敏電阻 2 外光電效應(yīng) 在光線作用下 能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng) 如光電管 光電倍增管 3 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下 能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng) 即阻擋層光電效應(yīng) 如光電池 光敏晶體管 第一節(jié)光電器件的基本概念 一 光敏電阻傳感器 一 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理 結(jié)構(gòu) 它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì) 半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極 金屬電極與引出線端相連接 光敏電阻就通過(guò)引出線端接人電路 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)透射率最大 第一節(jié)光電器件的基本概念 一 光敏電阻傳感器 二 光敏電阻的主要參數(shù) 3 1 暗電阻光敏電阻在不受光時(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 2 亮電阻光敏電阻在受光照射時(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 3 光電流亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流 第一節(jié)光電器件的基本概念 一 光敏電阻傳感器 三 光敏電阻的基本特性 3點(diǎn) 1 伏安特性在一定照度下 流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱(chēng)為光敏電阻的伏安特性 第一節(jié)光電器件的基本概念 一 光敏電阻傳感器 三 光敏電阻的基本特性 2 光譜特性光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與人射波長(zhǎng)的關(guān)系稱(chēng)為光譜特性 亦稱(chēng)為光譜響應(yīng) 0 65um 1 05um 2 3um 第一節(jié)光電器件的基本概念 一 光敏電阻傳感器 三 光敏電阻的基本特性 3 溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng) 同時(shí) 光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變 尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏晶體管 一 光敏二極的管結(jié)構(gòu) 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似 它裝在透明玻璃外殼中 其PN結(jié)裝在管的頂部 可以直接受到光照射 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏晶體管 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏三極管 二 光敏二極管的原理 當(dāng)光照射在PN結(jié)上 光子打在PN結(jié)附近 使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(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 光的照度越大 光電流越大 因此光敏二極管在不受光照射時(shí) 處于截止?fàn)顟B(tài) 受光照射時(shí) 處于導(dǎo)通狀態(tài) 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏三極管 三 光敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理 光敏晶體管與一般晶體管相似 具有兩個(gè)PN結(jié) 只是它的發(fā)射極一邊做得很大 以擴(kuò)大光的照射面積 光敏二極管和光敏三極管的材料幾乎都是硅 si 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏三極管 三 光敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理 光照射在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近便產(chǎn)生光電流 幾微安 相當(dāng)于三極管的基極電流 于是在集電極c與基極b之間的PN結(jié)能產(chǎn)生幾毫安電流 相當(dāng)于三極管的集電極電流 光電三極管的通頻帶較窄 不如光電二極管性能穩(wěn)定 但靈敏度高 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏三極管 四 基本特性 1 光譜特性 從曲線可以看出 硅的峰值波長(zhǎng)約為0 9um 鍺的峰值波長(zhǎng)約為1 5um 此時(shí)靈敏度最大 而當(dāng)入要射光的波長(zhǎng)增加或縮短時(shí) 相對(duì)靈敏度也下降 一般來(lái)講 鍺管的暗電流較大 因此性能較差 故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí) 一般都用硅管 但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí) 則鍺管較為適宜 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏晶體管 四 基本特性 2 伏安特性 從曲線可以看出 光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏晶體管 四 基本特性 3 溫度特性 暗電流及光電流與溫度的關(guān)系 稱(chēng)光敏晶體管的溫度特性 什么是光敏晶體管的溫度特性 影響較大 影響較小 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏晶體管 四 基本特性 幾種硅光電二極管的特性參數(shù) 第二節(jié)光電池 光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件 光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源 電路中有了這種器件就不需要外加電源 屬有源器件 第二節(jié)光電池 二 光電池結(jié)構(gòu) 外型圖 第二節(jié)光電池 三 光電池的工作原理 光電池實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié) 當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面 如P型面時(shí) 若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 那么P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴 電子 空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散 在結(jié)電場(chǎng)的作用下 最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì) 稱(chēng)光生伏特效應(yīng) 第二節(jié)光電池 四 光電池的基本特性 1 光譜特性 光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的 硒光電池在0 5um附近 桂光電池在0 8um附近 第二節(jié)光電池 四 光電池的基本特性 2 光照特性 光電池在不同光照度下 光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的 它們之間的關(guān)系就是光照特性 流 第二節(jié)光電池 四 光電池的基本特性 3 溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況 使用時(shí) 必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償 第二節(jié)光電池 四 光電池的基本特性 4 特性參數(shù) 國(guó)產(chǎn)硅光電池的特性參數(shù) 第三節(jié)紅外傳感器 紅外技術(shù)是在最近幾十年中發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù) 它已在科技 國(guó)防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用 一 紅外傳感器分類(lèi) 五類(lèi) 1 紅外輻射計(jì) 用于輻射和光譜輻射測(cè)量 2 搜索和跟蹤系統(tǒng) 用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo) 確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)行進(jìn)行跟蹤 3 熱成像系統(tǒng) 可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像 如紅外圖像儀 多光譜掃描儀等 4 紅外測(cè)距和通信系統(tǒng) 5 混合系統(tǒng) 是指以上各類(lèi)系統(tǒng)中的兩個(gè)或多個(gè)的組合 第三節(jié)紅外傳感器 二 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 紅外輻射俗稱(chēng)紅外線 它是一種不可見(jiàn)光 由于是位于可見(jiàn)光中紅色光以外的光線 故稱(chēng)紅外線 它的波長(zhǎng)范圍大致在0 76 1000 m 紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示 第三節(jié)紅外傳感器 二 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 第三節(jié)紅外傳感器 二 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 紅外線輻射的物理本質(zhì)是熱輻射 一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射出來(lái)的 物體的溫度越高 輻射出來(lái)的紅外線越多 輻射的能量就越強(qiáng) 而且 紅外線被物體吸收時(shí) 可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?紅外輻射和所有電磁波一樣 是以波的形式在空間直線傳播的 它在大氣中傳播時(shí) 大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶 紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的 空氣中對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體 如N2 02 Hz等不吸收紅外線 第三節(jié)紅外傳感器 二 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 第三節(jié)紅外傳感器 三 紅外探測(cè)器 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng) 探測(cè)器 信號(hào)調(diào)理電路及顯示等組成 紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心 紅外探測(cè)器種類(lèi)很多 常見(jiàn)的有兩大類(lèi) 1 熱探測(cè)器2 光子探測(cè)器 第三節(jié)紅外傳感器 三 紅外探測(cè)器 1 熱探測(cè)器 熱探測(cè)器是利用紅外輻射的熱效應(yīng) 探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高 進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化 通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化 便可確定控制器所吸收的紅外輻射 熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬 響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域 可以在室溫下工作 使用方便 應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛 第三節(jié)紅外傳感器 三 紅外探測(cè)器 2 光子探測(cè)器 光子探測(cè)器是利用入射紅外輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子相互作用 從而改變電子的能量狀態(tài) 引起各種電學(xué)現(xiàn)象 稱(chēng)光子效應(yīng) 通過(guò)測(cè)量材料電子性質(zhì)的變化 可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱 利用光子效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器 統(tǒng)稱(chēng)光子探測(cè)器 光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高 響應(yīng)速度快 具有較高的響應(yīng)頻率 但探測(cè)波段較窄 一般需在低溫下工作 第四節(jié)光電傳感器應(yīng)用舉例 1 紅外測(cè)溫儀 第四節(jié)光電傳感器應(yīng)用舉例 2 紅外線氣體分析儀 第四節(jié)光電傳感器應(yīng)用舉例 2 紅外線氣體分析儀 放大器 反射鏡 旋轉(zhuǎn)光柵 參比室 濾波氣室 測(cè)量室 紅外探測(cè)器 電容型 光源 鎳鉻絲3 10um的紅外光 定片 動(dòng)片 放大器 被測(cè)氣體 參比氣體 電機(jī) 發(fā)熱器 反光罩 紅外測(cè)溫儀 完