第8章光電傳感器

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：概述概述光信號(hào)光信號(hào)光電傳感器光電傳感器電信號(hào)電信號(hào)概述概述光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)概述概述光柵光柵光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)光敏電阻光敏電阻光光電電鼠鼠標(biāo)標(biāo)光敏管光敏管 8. 1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光敏器件主要利用各種光敏器件主要利用各種光電效應(yīng)光電效應(yīng)J 光電效應(yīng)可分為：光電效應(yīng)可分為： 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 在光線(xiàn)作用下電子逸出物體表面向外發(fā)射稱(chēng)在光線(xiàn)作用下電子逸出物體表面向外發(fā)射稱(chēng)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。 Ehh 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) ( ) 光的頻率（光的頻率（Hz） 每個(gè)光子具有能量每個(gè)光子

2、具有能量 J.S1/波長(zhǎng)短，頻率高，能量大。波長(zhǎng)短，頻率高，能量大。式中：式中： 入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比 。 光照射物體時(shí)電子吸收入射光子的光照射物體時(shí)電子吸收入射光子的能量能量 ，當(dāng)物體吸入的能量超出物體當(dāng)物體吸入的能量超出物體逸出功逸出功A A 時(shí)，時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射光電子發(fā)射。 超出的能量就表現(xiàn)在電子逸出的動(dòng)能上。超出的能量就表現(xiàn)在電子逸出的動(dòng)能上。 能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。否大于物體表面的電

3、子逸出功。2012EhmvA 每個(gè)光子具有的能量可每個(gè)光子具有的能量可由能量守恒定律由能量守恒定律表示為表示為2012mv 為一個(gè)電子逸出的動(dòng)能（能量）；為一個(gè)電子逸出的動(dòng)能（能量）； m 為電子質(zhì)量為電子質(zhì)量 ，0電子逸出物體表面時(shí)的速度；電子逸出物體表面時(shí)的速度； A 為電子的逸出功。為電子的逸出功。 ( (愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程) )外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電子光電子光照射光照射e入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱(chēng)入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱(chēng)光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)。這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有，在入射光作用下這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有，在入射光作用下電

4、子吸收光子能量電子吸收光子能量，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶過(guò)度到自由狀，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶過(guò)度到自由狀態(tài)，同時(shí)價(jià)帶也因此形成自由空穴，使導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空態(tài)，同時(shí)價(jià)帶也因此形成自由空穴，使導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴濃度增大引起穴濃度增大引起電阻率減小電阻率減小。8.1.2 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量應(yīng)大于禁帶入射光子的能量應(yīng)大于禁帶 寬度的能量寬度的能量 E0Eg基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻光敏電阻。1 1）光電導(dǎo)效應(yīng)）光電導(dǎo)效應(yīng) 為什么為什么PN結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？PN-

5、- - -+ + + +- -+ +光源光源下面分兩種情況討論：下面分兩種情況討論：2 2） 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在料吸收光能后，在PN結(jié)上結(jié)上 產(chǎn)生產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。的效應(yīng)。 當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在P-N結(jié)時(shí)，如果光電子能量足夠大，就可結(jié)時(shí)，如果光電子能量足夠大，就可激發(fā)出電子激發(fā)出電子空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在P-N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向移向P區(qū)，而電子移向區(qū)，而電子移向N區(qū)，使區(qū)，使P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓就是壓，這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)勢(shì)光生電動(dòng)勢(shì). 基于這種效應(yīng)的器件有基于這種效應(yīng)的器件

6、有光電池。光電池。0SkT PUPhc IchkT s，光生電壓與光功率 、波長(zhǎng) 成正比光速、 普朗克常數(shù)、 、 ，為常數(shù)， 絕對(duì)溫度，I暗電流 二極管二極管PN結(jié)開(kāi)路電壓有結(jié)開(kāi)路電壓有PN電子電子空穴空穴- - - -+ + + +- -+ +光源光源2 2） 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小； 有光照時(shí)，產(chǎn)生光生電子有光照時(shí)，產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，在外電場(chǎng)作用下，空穴對(duì)，在外電場(chǎng)作用下，光生電子光生電子N，空穴，空穴P 運(yùn)動(dòng)，形成光電流運(yùn)動(dòng)，形成光電流Ig。- -+ + 處于反偏時(shí)的處于反偏時(shí)的P-N結(jié)結(jié)（給（給P-N結(jié)加電

7、場(chǎng)）結(jié)加電場(chǎng)） 電流方向與反向電流一致，電流方向與反向電流一致， 光照強(qiáng)光電流越大。光照強(qiáng)光電流越大。 具有這種性能的器件有：具有這種性能的器件有： 光敏二極管光敏二極管、光敏晶體管光敏晶體管 從原理上講，不加偏壓的光從原理上講，不加偏壓的光 電二極管就是光電池。電二極管就是光電池。 光敏二極管通常光敏二極管通常加反向電壓。加反向電壓。PN電子電子空穴空穴- - - -+ + + +光源光源IgIgE E2 2） 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 光敏電阻的工作原理是光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)基于光電導(dǎo)效應(yīng) 光敏電阻結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu) 是在玻璃底版上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端是在玻璃底版上

8、涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端 有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。光敏電阻結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu)8.2.3 光敏電阻光敏電阻光敏電阻符號(hào)光敏電阻符號(hào)光導(dǎo)體光導(dǎo)體8.2.3 光敏電阻光敏電阻演示演示 光敏電阻光照特性光敏電阻光照特性 無(wú)無(wú)光照光照時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值； 有光照有光照時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低；時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低； 光照停止光照停止時(shí)，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。時(shí)，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光敏電阻主要參數(shù)光敏電阻主要參數(shù) 暗電阻暗電阻、暗電流暗電

9、流, ,無(wú)光照時(shí)的電阻、電流；無(wú)光照時(shí)的電阻、電流； 亮電阻亮電阻、亮電流亮電流, ,受光照時(shí)的阻值、電流；受光照時(shí)的阻值、電流； 亮電流亮電流與與暗電流暗電流之差稱(chēng)之差稱(chēng)光電流光電流。8.2.3 光敏電阻光敏電阻1.1.伏安特性伏安特性 給定光照度給定光照度，電壓越大光電流越大；，電壓越大光電流越大； 給定偏壓給定偏壓，光照越大光電流越大；，光照越大光電流越大； 光敏電阻的伏安特性曲線(xiàn)不彎曲、光敏電阻的伏安特性曲線(xiàn)不彎曲、 無(wú)飽和，但受最大功耗限制。無(wú)飽和，但受最大功耗限制。光敏電阻伏安特性光敏電阻伏安特性8.2.3 光敏電阻光敏電阻 基本特性基本特性 光照度為單位面積的光通量光照度為單位面

10、積的光通量 Lx = lm（流明）（流明）/s 光敏電阻光敏電阻靈敏度靈敏度與入射與入射波長(zhǎng)波長(zhǎng)有關(guān)有關(guān); 靈敏度與半導(dǎo)體靈敏度與半導(dǎo)體摻雜摻雜的材料有關(guān)，的材料有關(guān)，圖例中材料與相對(duì)靈敏度峰位波長(zhǎng)圖例中材料與相對(duì)靈敏度峰位波長(zhǎng)硫化鎘（硫化鎘（CdS）0.30.8 (m)硫化鉛（硫化鉛（PbS）1.03.5 (m)硫化鉈（硫化鉈（TlS）1.07.3 (m) 光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性與波長(zhǎng)和材料與波長(zhǎng)和材料8.2.3 光敏電阻光敏電阻2.光譜特性光譜特性溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應(yīng)。溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應(yīng)。溫度溫度T上升上升，波長(zhǎng)波長(zhǎng)變短，

11、曲線(xiàn)向左移動(dòng)。變短，曲線(xiàn)向左移動(dòng)。 光敏電阻溫度特性光敏電阻溫度特性8.2.3 光敏電阻光敏電阻3.溫度特性溫度特性幾種光敏電阻的特性參數(shù)幾種光敏電阻的特性參數(shù)有光照時(shí)有光照時(shí)，光敏電阻，光敏電阻RgRg下降下降, ,繼電器斷開(kāi)繼電器斷開(kāi); ; 無(wú)光照時(shí)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻，光敏電阻RgRg上升上升,V,VDW1DW1反向飽和導(dǎo)通反向飽和導(dǎo)通, ,繼電器閉合繼電器閉合. .光敏電阻開(kāi)關(guān)控制電路光敏電阻開(kāi)關(guān)控制電路Rg磁電式磁電式繼電器繼電器8.2.3 8.2.3 光敏電阻光敏電阻應(yīng)用應(yīng)用白天白天Rg小，小，VT2導(dǎo)通導(dǎo)通VT3截止截止VT4導(dǎo)通，晶閘管導(dǎo)通，晶閘管VS截止截止H滅；滅；晚上晚上R

12、g大，大，VT2截止失去對(duì)截止失去對(duì)VT3控制，控制，VT3由由VT1控制，待機(jī)控制，待機(jī);晚上晚上壓電陶瓷片壓電陶瓷片B 接收聲音觸發(fā)信號(hào)，接收聲音觸發(fā)信號(hào)，VT3導(dǎo)通導(dǎo)通VT4截止，晶閘管截止，晶閘管VS導(dǎo)通燈導(dǎo)通燈亮亮 ；同時(shí)整流壓降突然下降，；同時(shí)整流壓降突然下降，VT3集電極保持低電壓，使集電極保持低電壓，使VS處于導(dǎo)通狀態(tài)處于導(dǎo)通狀態(tài);HVSVSB 光敏電阻在聲光控開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用光敏電阻在聲光控開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用H點(diǎn)亮后，點(diǎn)亮后，C3經(jīng)電阻緩慢放電，直到不再維持經(jīng)電阻緩慢放電，直到不再維持VT4截止。調(diào)節(jié)截止。調(diào)節(jié)C3可調(diào)節(jié)燈亮可調(diào)節(jié)燈亮?xí)r間時(shí)間.HVSVSB光敏電阻在聲光控開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用光

13、敏電阻在聲光控開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用 光敏晶體管包括光敏晶體管包括光敏二極管光敏二極管和和光敏三極管光敏三極管，其工作，其工作原理主要基于原理主要基于光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。 光敏晶體管特點(diǎn)：光敏晶體管特點(diǎn)： 響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高; ; 廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管 結(jié)構(gòu)：與一般二極管相似，它們都有一個(gè)結(jié)構(gòu)：與一般二極管相似，它們都有一個(gè)PN結(jié)，結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€(xiàn)性元件。并且都

14、是單向?qū)щ姷姆蔷€(xiàn)性元件。 為了提高轉(zhuǎn)換效率有大面積受光，為了提高轉(zhuǎn)換效率有大面積受光，光敏二極管光敏二極管P-N結(jié)結(jié)面積面積比一般二極管大。比一般二極管大。硅光敏二極管結(jié)構(gòu)硅光敏二極管結(jié)構(gòu) + -+ -+ -光敏二極管光敏二極管電路符號(hào)電路符號(hào)8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管1）光敏二極管）光敏二極管1）光敏二極管）光敏二極管 光敏二極管光敏二極管工作原理工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)， 無(wú)光照無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小； 有光照有光照時(shí)，時(shí)，P-NP-N結(jié)處產(chǎn)生光生電子結(jié)處產(chǎn)生光生電子- -

15、空穴對(duì)；空穴對(duì)； 在電場(chǎng)作用下形成光電流，在電場(chǎng)作用下形成光電流， 光照越強(qiáng)光電流越大；光照越強(qiáng)光電流越大； 光電流方向與反向電流一致光電流方向與反向電流一致。 光敏二極管基本電路光敏二極管基本電路 RE EDgDgI8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管+ -發(fā)光二極管與光敏二極管工作原理不同，發(fā)光二極管是利用發(fā)光二極管與光敏二極管工作原理不同，發(fā)光二極管是利用固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），加正向電壓時(shí)，固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），加正向電壓時(shí)，P-N結(jié)的電子和結(jié)的電子和空穴在結(jié)合過(guò)程中發(fā)射一定頻率的光信號(hào)?？昭ㄔ诮Y(jié)合過(guò)程中發(fā)射一定頻率的光信號(hào)。 材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將材料不同發(fā)光顏色不同，是一

16、種將電能電能光能光能的器件；的器件； + +- - -+ +光敏二極管符號(hào)光敏二極管符號(hào) 發(fā)光二極管符號(hào)發(fā)光二極管符號(hào)8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管 發(fā)光二極管發(fā)光二極管（LED ）與）與光敏二極管光敏二極管發(fā)光二極管工作時(shí)加發(fā)光二極管工作時(shí)加正向電壓，正向電壓，光敏二極管工作時(shí)加光敏二極管工作時(shí)加反向電壓反向電壓。 光敏二極管光敏二極管基本特性基本特性1.1.光照特性光照特性 硅光敏二極管在小負(fù)載電阻情況下，硅光敏二極管在小負(fù)載電阻情況下， 光電流與照度成線(xiàn)性關(guān)系。光電流與照度成線(xiàn)性關(guān)系。 2.2.光譜特性（硅光敏管為例光譜特性（硅光敏管為例) )當(dāng)入射當(dāng)入射波長(zhǎng)波長(zhǎng)0.9m時(shí)，響應(yīng)逐漸時(shí)

17、，響應(yīng)逐漸下降，雖光波長(zhǎng)短能量大，但光下降，雖光波長(zhǎng)短能量大，但光穿穿透深度小透深度小，使光電流減??；，使光電流減??；當(dāng)入射當(dāng)入射波長(zhǎng)波長(zhǎng)1.1m時(shí)，響應(yīng)下降時(shí)，響應(yīng)下降是因波長(zhǎng)長(zhǎng)光子能量小，當(dāng)小于禁是因波長(zhǎng)長(zhǎng)光子能量小，當(dāng)小于禁帶寬度時(shí)帶寬度時(shí) 不產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。不產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管/Ehh3.3.伏安特性伏安特性 當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時(shí)光生電流與所加偏向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無(wú)關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。壓幾乎無(wú)關(guān)，只取

18、決于光照強(qiáng)度。4.4.溫度特性溫度特性 由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏二極管的由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對(duì)溫度變化很敏感。暗電流對(duì)溫度變化很敏感。 5.5.頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管相對(duì)靈敏度隨頻率的變化關(guān)光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管相對(duì)靈敏度隨頻率的變化關(guān)系。系。光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。光敏二極管頻率響應(yīng)曲線(xiàn)光敏二極管頻率響應(yīng)曲線(xiàn) 8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管圖中圖中硅硅光敏二極管頻率響應(yīng)曲線(xiàn)光敏二極管頻率響應(yīng)曲線(xiàn)

19、說(shuō)明，說(shuō)明，調(diào)制頻率高于調(diào)制頻率高于1000Hz1000Hz時(shí)，時(shí)，光敏晶體管靈敏度急劇下降。光敏晶體管靈敏度急劇下降。硅光敏二極管基本參數(shù)硅光敏二極管基本參數(shù) 結(jié)構(gòu)：與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將結(jié)構(gòu)：與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極基極集電極集電極(集電結(jié)集電結(jié))作為光敏二極管（控制結(jié)），集電結(jié)做受作為光敏二極管（控制結(jié)），集電結(jié)做受光結(jié)，另外集電結(jié)的尺寸做的很大，以擴(kuò)大光照面積。光結(jié)，另外集電結(jié)的尺寸做的很大，以擴(kuò)大光照面積。 大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引線(xiàn)，無(wú)論大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引線(xiàn)，無(wú)論NPN、PNP一般一般集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)。集電結(jié)加

20、反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)。光光敏敏三三極極管管結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) NNPc cb be e電路電路符號(hào)符號(hào)8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管2）光敏三極管）光敏三極管2）光敏三極管）光敏三極管 硅（硅（Si Si）光敏三極管）光敏三極管0gCLLUI Ri R晶體管電流放大系數(shù)電流晶體管電流放大系數(shù)電流ig與光強(qiáng)有關(guān)與光強(qiáng)有關(guān)NNPc cb be e+ +- -光敏三極管光敏三極管等效電路等效電路 在負(fù)載電阻上的輸出電壓為在負(fù)載電阻上的輸出電壓為光敏晶體極管一般是光敏晶體極管一般是NPN結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)；光照射在集電結(jié)的基區(qū)產(chǎn)生光生電子光照射在集電結(jié)的基區(qū)產(chǎn)生光生電子-空穴，空穴，在電場(chǎng)作用下，光

21、生電子被拉向集電極，在電場(chǎng)作用下，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高；基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高；同時(shí)發(fā)射極大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，同時(shí)發(fā)射極大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。使晶體管具有電流增益。由伏安特性曲線(xiàn)可見(jiàn)光敏晶體管對(duì)光信號(hào)具有放大作用由伏安特性曲線(xiàn)可見(jiàn)光敏晶體管對(duì)光信號(hào)具有放大作用光敏晶體管伏安特性曲線(xiàn)光敏晶體管伏安特性曲線(xiàn)8.2.4 8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管 光敏晶體管伏安特性光敏晶體管伏安特性光敏晶體管的光譜特性光敏晶體管的光譜特性 硅材料的光敏管峰

22、值波長(zhǎng)在硅材料的光敏管峰值波長(zhǎng)在0.9m附近（可見(jiàn)光）附近（可見(jiàn)光） 靈敏度最大；靈敏度最大； 探測(cè)探測(cè)可見(jiàn)光可見(jiàn)光或或赤熱狀赤熱狀物體時(shí)波長(zhǎng)短，一般物體時(shí)波長(zhǎng)短，一般用用硅管硅管 0.9 m； 鍺管的峰值波長(zhǎng)約為鍺管的峰值波長(zhǎng)約為1.5 m（紅外光紅外光）對(duì)紅外進(jìn)行探測(cè)時(shí)用對(duì)紅外進(jìn)行探測(cè)時(shí)用鍺管鍺管較適宜。較適宜。光敏晶體管光譜特性光敏晶體管光譜特性 硅光敏三極管基本參數(shù)硅光敏三極管基本參數(shù)遙控器檢測(cè)電路遙控器檢測(cè)電路: 100電阻限流在電阻限流在15mA， 無(wú)光照時(shí)復(fù)合管截止，無(wú)光照時(shí)復(fù)合管截止， LED不發(fā)光；不發(fā)光； 用遙控器對(duì)準(zhǔn)光敏管按鍵，用遙控器對(duì)準(zhǔn)光敏管按鍵， LED點(diǎn)亮?xí)r說(shuō)明遙

23、控器有紅點(diǎn)亮?xí)r說(shuō)明遙控器有紅外線(xiàn)發(fā)射。外線(xiàn)發(fā)射。電視遙控器檢測(cè)電路電視遙控器檢測(cè)電路3 3）應(yīng)用）應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換電路光電轉(zhuǎn)換電路8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管硅管壓降硅管壓降0.7V0.7V（兩只（兩只1.5V1.5V）10K10K紅紅外外光光敏敏管管100100復(fù)合管復(fù)合管LEDLED壓降壓降1.5V1.5V3V3VK K1.5V1.5V遙控器遙控器紅外光敏二極管檢測(cè)方法紅外光敏二極管檢測(cè)方法 用電視遙控器發(fā)射光信號(hào)用電視遙控器發(fā)射光信號(hào)檢測(cè)光敏二極管時(shí)，當(dāng)有檢測(cè)光敏二極管時(shí)，當(dāng)有紅外線(xiàn)光照射在光敏管時(shí)，紅外線(xiàn)光照射在光敏管時(shí)，光敏管的電流增加電阻值光敏管的電流增加電阻值減小。減小。 數(shù)字式

24、萬(wàn)用表應(yīng)表筆正極數(shù)字式萬(wàn)用表應(yīng)表筆正極接光敏管負(fù)極，表筆負(fù)極接光敏管負(fù)極，表筆負(fù)極接光敏管正極。接光敏管正極。 指針式萬(wàn)用表表筆內(nèi)電池指針式萬(wàn)用表表筆內(nèi)電池極性相反。極性相反。3 3）應(yīng)用）應(yīng)用光敏管檢測(cè)光敏管檢測(cè)8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管光電器件檢測(cè)光電器件檢測(cè) 煙霧報(bào)警演示煙霧報(bào)警演示 光電池工作原理也是基于光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)，是直接將，是直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。 有光線(xiàn)作用時(shí)就是電源有光線(xiàn)作用時(shí)就是電源( (太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池) )，所以廣泛，所以廣泛用于宇航用于宇航電源電源，另一類(lèi)用，另一類(lèi)用于檢測(cè)和于檢測(cè)和自動(dòng)控制自動(dòng)控制

25、等。等。8.2.5 光電池光電池光信號(hào)光信號(hào)光電池光電池電信號(hào)電信號(hào)太陽(yáng)能手機(jī)充電器太陽(yáng)能手機(jī)充電器太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池8.2.5 光電池光電池 光電池種類(lèi)很多，有光電池種類(lèi)很多，有硒光電池硒光電池、鍺光電池鍺光電池、硅光電池硅光電池、砷化鎵砷化鎵、氧化銅氧化銅等等。等等。 硒、硅光電池轉(zhuǎn)換效率高、價(jià)廉；砷化鎵材料的光譜硒、硅光電池轉(zhuǎn)換效率高、價(jià)廉；砷化鎵材料的光譜響應(yīng)與太陽(yáng)光譜吻合、耐高溫和宇宙射線(xiàn)，用于航天響應(yīng)與太陽(yáng)光譜吻合、耐高溫和宇宙射線(xiàn)，用于航天器。器。8.2.5 光電池光電池 太陽(yáng)能交通標(biāo)志有助于降低成本和減少二氧化碳排放太陽(yáng)能交通標(biāo)志有助于降低成本和減少二氧化碳排放 8.2.5

26、光電池光電池 光電池結(jié)構(gòu)：光電池結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PN結(jié)，上電極為柵狀結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下面有一抗反射膜，下電極是一層襯底鋁。受光電極，下面有一抗反射膜，下電極是一層襯底鋁。 原理：原理：當(dāng)光照射當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。一般普在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。一般普通光電池可產(chǎn)生通光電池可產(chǎn)生0.2V0.6V電壓，電壓，50mA電流電流。 光電池結(jié)構(gòu)光電池結(jié)構(gòu) 電路符號(hào)電路符號(hào) 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系；光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)

27、系；開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系是非線(xiàn)性關(guān)系，開(kāi)開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系是非線(xiàn)性關(guān)系，開(kāi)路電壓在照度路電壓在照度2000lx 趨于飽和。趨于飽和。短路電流短路電流光電流與照度之間關(guān)系稱(chēng)短路光電流與照度之間關(guān)系稱(chēng)短路電流曲線(xiàn)，短路電流是指外接負(fù)載相對(duì)內(nèi)電流曲線(xiàn)，短路電流是指外接負(fù)載相對(duì)內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。阻很小時(shí)的光電流。光電池光照與負(fù)載的關(guān)系光電池光照與負(fù)載的關(guān)系 光電池光照特性光電池光照特性 1）光電池光照特性）光電池光照特性PN電子電子空穴空穴- - - -+ + + +- -+ +光源光源 實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)證明，RL小線(xiàn)性范圍好，具體根據(jù)光照大小而定，通常小線(xiàn)性范圍好，具體根據(jù)光照大小而定，通常 RL

28、100光電池工作原理示意圖光電池工作原理示意圖 2 2）光譜特性）光譜特性硅光電池硅光電池的光譜響應(yīng)峰值的光譜響應(yīng)峰值在在0.8m附近，波長(zhǎng)范圍附近，波長(zhǎng)范圍0.41.2m。硅光電池可。硅光電池可在很寬的波長(zhǎng)范圍應(yīng)用。在很寬的波長(zhǎng)范圍應(yīng)用。硒光電池硒光電池光譜響應(yīng)峰值在光譜響應(yīng)峰值在0.5m附近，波長(zhǎng)范圍附近，波長(zhǎng)范圍0.380.75m。光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光靈敏度不同，不同材料光靈光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光靈敏度不同，不同材料光靈敏度峰值不同。敏度峰值不同。3 3）頻率特性）頻率特性 指光電池相對(duì)輸出電流與光的調(diào)制指光電池相對(duì)輸出電流與光的調(diào)制頻率之間關(guān)系。頻率之間關(guān)系。硅光電池頻率響應(yīng)較好，硅光電

29、池頻率響應(yīng)較好，硒光電池硒光電池較差較差。所以。所以高速計(jì)數(shù)器高速計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換路一的轉(zhuǎn)換路一般采用硅光電池作為傳感器元件。般采用硅光電池作為傳感器元件。 4 4）溫度特性）溫度特性硅光電池特性參數(shù)硅光電池特性參數(shù)光電池作為光電池作為控制元件，控制元件，通常接非線(xiàn)性負(fù)載，若控制鍺管，通常接非線(xiàn)性負(fù)載，若控制鍺管，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.2V0.3V；若控制硅管，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通；若控制硅管，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為電壓為0.6V0.7V，光電池的，光電池的0.5V電壓不能起到控制作用。電壓不能起到控制作用。 光電池電路連接光電池電路連接 光電池做電源時(shí)當(dāng)光電池做電源時(shí)當(dāng)電壓源電壓源使用使用; 用做

30、控制元件時(shí)當(dāng)用做控制元件時(shí)當(dāng)電流源電流源使用。使用。光電池光電池電路符號(hào)電路符號(hào)光電池電路連接光電池電路連接 可將兩個(gè)光電池串聯(lián)后接入基極，或用偏壓電阻、二極管產(chǎn)可將兩個(gè)光電池串聯(lián)后接入基極，或用偏壓電阻、二極管產(chǎn)生附加電壓。有光照度變化時(shí)，引起基極電流生附加電壓。有光照度變化時(shí)，引起基極電流Ib變化，集電變化，集電極電流發(fā)生極電流發(fā)生倍的變化。電流倍的變化。電流Ic與光照近似線(xiàn)性關(guān)系。與光照近似線(xiàn)性關(guān)系。光電池作為光電池作為電源使用電源使用，需要電壓高時(shí)應(yīng)將光電池，需要電壓高時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)串聯(lián)使用；使用；需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池并聯(lián)并聯(lián)使用。使用。 光電池電路連接光電池

31、電路連接 光電池應(yīng)用光電池應(yīng)用 作檢測(cè)控制元件作檢測(cè)控制元件紅外反射式紅外反射式色差傳感器色差傳感器（DRSC-12-A），它的工作原理是依據(jù)），它的工作原理是依據(jù)不同顏色的物體表面對(duì)紅外線(xiàn)的吸收率和反射率。不同顏色的物體表面對(duì)紅外線(xiàn)的吸收率和反射率。在相同的測(cè)試距離上，黑色的吸收率最高，白色的吸收率最低。在相同的測(cè)試距離上，黑色的吸收率最高，白色的吸收率最低。因此，可以根據(jù)物體對(duì)紅外線(xiàn)的反射率來(lái)判斷物體的表面顏色。因此，可以根據(jù)物體對(duì)紅外線(xiàn)的反射率來(lái)判斷物體的表面顏色。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試距離上，隨輸送線(xiàn)提供的三種測(cè)試顏色樣品在色差在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試距離上，隨輸送線(xiàn)提供的三種測(cè)試顏色樣品在色差傳感器的測(cè)試結(jié)果

32、如下。傳感器的測(cè)試結(jié)果如下。8.2.6 色敏傳感器色敏傳感器物體表面顏色識(shí)別原理物體表面顏色識(shí)別原理反射光物體反射光物體吸收率低吸收率低吸收率高吸收率高發(fā)射發(fā)射接收接收8.2.6 色敏傳感器色敏傳感器 光電檢測(cè)方式主要是通過(guò)光電檢測(cè)方式主要是通過(guò)光強(qiáng)光強(qiáng)和和顏色顏色； 色敏傳感器是一種半導(dǎo)體光敏器件，色敏傳感器是一種半導(dǎo)體光敏器件，工作原理基于工作原理基于光電效應(yīng)光電效應(yīng)，該器件可，該器件可將將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同電流信不同波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同電流信號(hào)的輸出號(hào)的輸出，視為，視為光輻射探測(cè)器光輻射探測(cè)器。 光信號(hào)在半導(dǎo)體中傳播時(shí)的衰減是由光信號(hào)在半導(dǎo)體中傳播時(shí)的衰減是由于電子吸收光子，從

33、價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶于電子吸收光子，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果，該過(guò)程稱(chēng)為的結(jié)果，該過(guò)程稱(chēng)為本征吸收本征吸收，吸收吸收系數(shù)隨入射波長(zhǎng)變化系數(shù)隨入射波長(zhǎng)變化。本征吸收本征吸收導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶電電子子吸吸收收光光子子能能量量 禁帶禁帶自由狀態(tài)自由狀態(tài)u 半導(dǎo)體色敏傳感器半導(dǎo)體色敏傳感器光的波長(zhǎng)光的波長(zhǎng)電信號(hào)電信號(hào) 半導(dǎo)體色敏傳感器類(lèi)似晶體管的半導(dǎo)體色敏傳感器類(lèi)似晶體管的P-N-P結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 但但P+-N-P結(jié)構(gòu)不是三極管結(jié)構(gòu)不是三極管，而是，而是深、淺深、淺不同的兩個(gè)不同的兩個(gè)P-N結(jié)二極管，又稱(chēng)結(jié)二極管，又稱(chēng)光電雙結(jié)二極管光電雙結(jié)二極管。色敏器件結(jié)構(gòu)及等效電路色敏器件結(jié)構(gòu)及等效電路波長(zhǎng)短波長(zhǎng)短的光子衰減快，

34、的光子衰減快， 穿透穿透深度較淺深度較淺，淺結(jié)淺結(jié)的光電二極管對(duì)的光電二極管對(duì) 紫外光紫外光（短波）（短波）靈敏度高，靈敏度高，波長(zhǎng)長(zhǎng)的波長(zhǎng)長(zhǎng)的光子衰減較慢，光子衰減較慢， 穿透穿透較深較深區(qū)域。區(qū)域。深結(jié)深結(jié)的光電二極管對(duì)的光電二極管對(duì) 紅外光紅外光（長(zhǎng)波）（長(zhǎng)波）靈敏度高；靈敏度高；深深結(jié)結(jié)淺淺結(jié)結(jié)這一這一測(cè)波長(zhǎng)測(cè)波長(zhǎng)特征為色敏器件特征為色敏器件提供了識(shí)別顏色的可能。提供了識(shí)別顏色的可能。 當(dāng)有光照射時(shí)，當(dāng)有光照射時(shí)，P+、N、P三個(gè)區(qū)域三個(gè)區(qū)域光子吸收效果不同，構(gòu)成可以測(cè)定光子吸收效果不同，構(gòu)成可以測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。對(duì)紫外光吸收系數(shù)大穿透距離短對(duì)紫外光吸

35、收系數(shù)大穿透距離短； 對(duì)紅外光吸收系數(shù)小穿透距離長(zhǎng)。對(duì)紅外光吸收系數(shù)小穿透距離長(zhǎng)。8.2.6 色敏傳感器色敏傳感器深結(jié)深結(jié)淺結(jié)淺結(jié) 一般光電器件是檢測(cè)在一般光電器件是檢測(cè)在一定波長(zhǎng)范圍一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光強(qiáng)度或內(nèi)的光強(qiáng)度或光子數(shù)目。光子數(shù)目。 而而半導(dǎo)體色敏傳感器半導(dǎo)體色敏傳感器可以直接測(cè)量可以直接測(cè)量從可見(jiàn)光到近遠(yuǎn)從可見(jiàn)光到近遠(yuǎn)紅外波段內(nèi)紅外波段內(nèi)單色輻射波長(zhǎng)。單色輻射波長(zhǎng)。UiU0I1UDIDR1R2-+11/,26DTDiUUDSSIIURII eIUUmVTT二極管伏安特征方程:反向飽和電流電壓當(dāng)量，室溫時(shí) 檢測(cè)光波長(zhǎng)（顏色）處理電路檢測(cè)光波長(zhǎng)（顏色）處理電路 彩色信號(hào)處理電路彩色信號(hào)處

36、理電路8.2.6 色敏傳感器色敏傳感器用二極管用二極管P-NP-N結(jié)做反饋元件，利用二極管正向?qū)ǖ姆步Y(jié)做反饋元件，利用二極管正向?qū)ǖ姆蔡匦蕴匦猿芍笖?shù)規(guī)律變化成指數(shù)規(guī)律變化的特征，構(gòu)成對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器電路。的特征，構(gòu)成對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器電路。 色彩識(shí)別須獲得兩個(gè)光電二極管的色彩識(shí)別須獲得兩個(gè)光電二極管的短路電流比短路電流比，由此，由此確定二者確定二者比值與入射波長(zhǎng)比值與入射波長(zhǎng)關(guān)系。關(guān)系。色敏傳感器檢測(cè)電路示意圖色敏傳感器檢測(cè)電路示意圖 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 檢測(cè)電路組成：對(duì)數(shù)電路檢測(cè)電路組成：對(duì)數(shù)電路OP1、OP2，差放，差放OP3；8.2.6 色敏傳感器色敏傳感器I1 是是淺結(jié)淺結(jié)二極

37、管的短二極管的短路電流，它在路電流，它在短波短波（紫外）（紫外）區(qū)電流較大；區(qū)電流較大；I2 是是深結(jié)深結(jié)二極管的短二極管的短路電流，它在路電流，它在長(zhǎng)波長(zhǎng)波（紅外）（紅外）區(qū)電流較大。區(qū)電流較大。 02121lnlnln/UCIICIIC C 為比例常數(shù)為比例常數(shù)色敏傳感器檢測(cè)電路示意圖色敏傳感器檢測(cè)電路示意圖 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 電流較小時(shí)，二極管兩端電壓存在近似對(duì)數(shù)關(guān)系；電流較小時(shí)，二極管兩端電壓存在近似對(duì)數(shù)關(guān)系； OP1、OP2輸出分別與輸出分別與lnI1、lnI2成比例，由成比例，由OP3取出差值；取出差值； 最后經(jīng)最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路處理后輸出。轉(zhuǎn)換電路處理后輸出。8.2.6

38、 色敏傳感器色敏傳感器/DTUUDSII e 輸出電壓為短路電流比值輸出電壓為短路電流比值兩色敏管的光譜特性?xún)缮艄艿墓庾V特性短路電流比短路電流比波長(zhǎng)特性波長(zhǎng)特性相相對(duì)對(duì)靈靈敏敏度度% /m/mVD1VD2淺淺結(jié)結(jié)深結(jié)深結(jié) 色敏器件是測(cè)定不同波長(zhǎng)時(shí)色敏器件是測(cè)定不同波長(zhǎng)時(shí)兩只光電二極管兩只光電二極管的的短路電流比值短路電流比值，具體應(yīng)用時(shí)需要的對(duì)器件進(jìn)行具體應(yīng)用時(shí)需要的對(duì)器件進(jìn)行標(biāo)定；標(biāo)定； 通過(guò)判別兩只光電二極管光電流的大小判別顏色。通過(guò)判別兩只光電二極管光電流的大小判別顏色。8.2.6 色敏傳感器色敏傳感器/m/m1001010.10.4 0.8 1.2C ln(IC ln(I2 2/I/

39、I1 1) )U08.2.6 色敏傳感器色敏傳感器 PIN型硅光電二極管型硅光電二極管，高速高速光電二極管，響應(yīng)時(shí)間光電二極管，響應(yīng)時(shí)間達(dá)達(dá)1nS，適用于遙控裝置。，適用于遙控裝置。 雪崩式光電二極管雪崩式光電二極管，具有，具有高速響應(yīng)高速響應(yīng)和放大功能，和放大功能，高電流增益高電流增益，可有效讀取微弱光線(xiàn)，用于，可有效讀取微弱光線(xiàn)，用于0.8m范范圍的光纖通信、光磁盤(pán)受光元件裝置。圍的光纖通信、光磁盤(pán)受光元件裝置。8.2.7 其他光電管其他光電管 光電閘流晶體管光電閘流晶體管（光激（光激可控硅），由入射可控硅），由入射光光線(xiàn)觸發(fā)導(dǎo)通線(xiàn)觸發(fā)導(dǎo)通 的可控硅。的可控硅。 光敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管光敏場(chǎng)效應(yīng)

40、晶體管，具有靈敏度高、線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍大、，具有靈敏度高、線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍大、光譜響應(yīng)范圍寬、輸出阻抗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用光譜響應(yīng)范圍寬、輸出阻抗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于對(duì)微弱信號(hào)和紫外光的檢測(cè)。于對(duì)微弱信號(hào)和紫外光的檢測(cè)。8.2.7 其他光電管其他光電管復(fù)復(fù)合合管管I I1 1I I2 2I IV+V+ 達(dá)林頓光電三極管達(dá)林頓光電三極管（光電復(fù)合晶體管）（光電復(fù)合晶體管） 輸入是光電三極管，輸出是普通晶體輸入是光電三極管，輸出是普通晶體 管，管， 增益大，增益大，由由 I = IgI1I2 作驅(qū)動(dòng)。作驅(qū)動(dòng)。 光電耦合器件光電耦合器件 光電耦合器又稱(chēng)光電耦合器又稱(chēng)光電隔離器光電隔離器（簡(jiǎn)稱(chēng)（簡(jiǎn)稱(chēng)

41、 “光耦光耦” ） 由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏晶體管等）由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏晶體管等）集成集成在一起；在一起； 器件的器件的光信號(hào)封閉光信號(hào)封閉在器件內(nèi)，發(fā)光管輻射可見(jiàn)光或紅外在器件內(nèi)，發(fā)光管輻射可見(jiàn)光或紅外光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。 器件通過(guò)器件通過(guò)電電光光、光光電電兩次轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入輸出耦合。兩次轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入輸出耦合。8.2.7 其他光電管其他光電管 輸入輸出完全隔離，有獨(dú)立的輸入輸出阻抗，絕緣電阻在輸入輸出完全隔離，有獨(dú)立的輸入輸出阻抗，絕緣電阻在1 1萬(wàn)兆以上。器件有很強(qiáng)的抗干擾能力和隔離性能

42、，可避萬(wàn)兆以上。器件有很強(qiáng)的抗干擾能力和隔離性能，可避免振動(dòng)、噪聲干擾。免振動(dòng)、噪聲干擾。特別適宜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)做數(shù)字電路開(kāi)關(guān)信號(hào)傳輸；可作邏輯電特別適宜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)做數(shù)字電路開(kāi)關(guān)信號(hào)傳輸；可作邏輯電路隔離器、計(jì)算機(jī)測(cè)量、控制系統(tǒng)中做無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。路隔離器、計(jì)算機(jī)測(cè)量、控制系統(tǒng)中做無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。F “光耦光耦” 集成器件的特點(diǎn)：集成器件的特點(diǎn)： 光電耦合器件結(jié)構(gòu)形式光電耦合器件結(jié)構(gòu)形式光電耦合器用于光電耦合器用于天然氣高壓點(diǎn)火器確認(rèn)電路天然氣高壓點(diǎn)火器確認(rèn)電路可避免失火時(shí)明火打開(kāi)點(diǎn)燃天然氣。可避免失火時(shí)明火打開(kāi)點(diǎn)燃天然氣。 光電耦合器件光電耦合器件光電耦合器應(yīng)用光電耦合器應(yīng)用 光電耦合器件光電耦合器件J

43、 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)（光電斷路器）（光電斷路器）透射式透射式，當(dāng)不透明物質(zhì)位于中間時(shí)會(huì)阻斷光路，接受器件，當(dāng)不透明物質(zhì)位于中間時(shí)會(huì)阻斷光路，接受器件無(wú)光電信號(hào)輸出。無(wú)光電信號(hào)輸出。反射式反射式，光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射與接受器件光軸在同一平面上，光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射與接受器件光軸在同一平面上，并以某一角度相交，交點(diǎn)處為待測(cè)點(diǎn)，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)待測(cè)并以某一角度相交，交點(diǎn)處為待測(cè)點(diǎn)，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)待測(cè)點(diǎn)時(shí)，接受元件接收到物體表面反射的光線(xiàn)。點(diǎn)時(shí)，接受元件接收到物體表面反射的光線(xiàn)。 器件由發(fā)光元件和接收光敏元件組成，分為透射式和反射式；器件由發(fā)光元件和接收光敏元件組成，分為透射式和反射式； 光路信號(hào)由外部光信號(hào)控制，光敏器

44、件是光敏電阻或光敏管。光路信號(hào)由外部光信號(hào)控制，光敏器件是光敏電阻或光敏管。光電開(kāi)關(guān)基本電路光電開(kāi)關(guān)基本電路R Rx xR RL L+V+VCCCC8.2.7 8.2.7 其他光電管其他光電管光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與外形光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與外形限流限流電阻電阻I ID D=100mA, V=100mA, VCCCC=5V, R=5V, RX X=50=50 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)R Rx xR RL L+V+VCCCC限流限流電阻電阻光電開(kāi)關(guān)基本電路光電開(kāi)關(guān)基本電路ID=100mA, VCC=5V, RX=50光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)方法光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)方法電梯平層用光電開(kāi)關(guān)電梯平層用光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)器件光電開(kāi)關(guān)器件 光電開(kāi)關(guān)光電

45、開(kāi)關(guān)應(yīng)用應(yīng)用 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用應(yīng)用 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用應(yīng)用 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用應(yīng)用 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用應(yīng)用 光電開(kāi)關(guān)反射式檢測(cè)方法光電開(kāi)關(guān)反射式檢測(cè)方法 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用應(yīng)用 光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)方法光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)方法運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)物體8.2.8 光電器件的應(yīng)用光電器件的應(yīng)用 光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體BUD-30S傳感器傳感器 BUD-30S傳感器傳感器 特性參數(shù)特性參數(shù)透射式透射式反射式反射式 反射式、透射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體方法反射式、透射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體方法計(jì)數(shù)與標(biāo)記位置檢測(cè)方法計(jì)數(shù)與標(biāo)記位置檢測(cè)方法 目標(biāo)位置檢測(cè)方法目標(biāo)位置檢測(cè)方法 工件檢測(cè)方法工件檢測(cè)方法當(dāng)心臟跳動(dòng)

46、時(shí)，一個(gè)壓力波會(huì)沿著動(dòng)脈血管以每秒幾米的速度傳遞。當(dāng)心臟跳動(dòng)時(shí)，一個(gè)壓力波會(huì)沿著動(dòng)脈血管以每秒幾米的速度傳遞。這個(gè)壓力波會(huì)引起人體組織毛細(xì)血管中血流量的變化，可記錄出脈波。這個(gè)壓力波會(huì)引起人體組織毛細(xì)血管中血流量的變化，可記錄出脈波。光學(xué)測(cè)量法是，在一個(gè)夾子的兩邊分別裝一個(gè)紅外發(fā)光管和一個(gè)光敏光學(xué)測(cè)量法是，在一個(gè)夾子的兩邊分別裝一個(gè)紅外發(fā)光管和一個(gè)光敏電阻，然后夾在耳垂上。電阻，然后夾在耳垂上。心臟壓力波引起的毛細(xì)血管中血流量的變化導(dǎo)致耳垂的透光率不同，心臟壓力波引起的毛細(xì)血管中血流量的變化導(dǎo)致耳垂的透光率不同，使光敏電阻的阻值變化，阻值的變化頻率就是每秒心跳的次數(shù)。使光敏電阻的阻值變化，阻值

47、的變化頻率就是每秒心跳的次數(shù)。心臟跳動(dòng)測(cè)量傳感器（光敏電阻受光）心臟跳動(dòng)測(cè)量傳感器（光敏電阻受光）按照電路圖接測(cè)量電路，制作出簡(jiǎn)易傳感器，經(jīng)采樣、波按照電路圖接測(cè)量電路，制作出簡(jiǎn)易傳感器，經(jīng)采樣、波形和頻譜分析，然后可以用它測(cè)量自己的心臟跳動(dòng)頻率。形和頻譜分析，然后可以用它測(cè)量自己的心臟跳動(dòng)頻率。 心臟跳動(dòng)測(cè)量傳感器（光敏電阻受光）心臟跳動(dòng)測(cè)量傳感器（光敏電阻受光）心臟跳動(dòng)測(cè)量傳感器（光電晶體管受光）心臟跳動(dòng)測(cè)量傳感器（光電晶體管受光）煙霧測(cè)量傳感器（光電晶體管受光）煙霧測(cè)量傳感器（光電晶體管受光）小小車(chē)車(chē)行行駛駛路路線(xiàn)線(xiàn) 2003 2003年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽題目：年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大

48、賽題目： 自動(dòng)尋跡小車(chē)自動(dòng)尋跡小車(chē)8.3 8.3 光柵式傳感器光柵式傳感器v 光柵是一種光學(xué)元件，用于測(cè)量的光柵稱(chēng)為計(jì)量光柵。光柵是一種光學(xué)元件，用于測(cè)量的光柵稱(chēng)為計(jì)量光柵。v 光柵是光柵是光柵尺光柵尺的簡(jiǎn)稱(chēng)。光柵尺是一塊尺子，尺面上刻的簡(jiǎn)稱(chēng)。光柵尺是一塊尺子，尺面上刻有排列規(guī)則和形狀規(guī)則的刻線(xiàn)。有排列規(guī)則和形狀規(guī)則的刻線(xiàn)。v 光柵式傳感器主要用于光柵式傳感器主要用于高精度的機(jī)械位移測(cè)量高精度的機(jī)械位移測(cè)量以及精以及精密測(cè)量系統(tǒng)的傳感裝置。密測(cè)量系統(tǒng)的傳感裝置。v 光柵式傳感器的特點(diǎn)：精度高；可實(shí)現(xiàn)光柵式傳感器的特點(diǎn)：精度高；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量；大量程測(cè)量兼有高分辨率；具有較強(qiáng)的抗干擾能力

49、。大量程測(cè)量兼有高分辨率；具有較強(qiáng)的抗干擾能力。8.3 8.3 光柵式傳感器光柵式傳感器8.3.1 計(jì)量光柵的種類(lèi)計(jì)量光柵的種類(lèi) 長(zhǎng)長(zhǎng)光柵，用于長(zhǎng)度或直線(xiàn)位光柵，用于長(zhǎng)度或直線(xiàn)位移的測(cè)量，刻線(xiàn)相互平行；移的測(cè)量，刻線(xiàn)相互平行； 圓光柵，用來(lái)測(cè)量角度或角圓光柵，用來(lái)測(cè)量角度或角位移，在圓盤(pán)玻璃上刻線(xiàn)；位移，在圓盤(pán)玻璃上刻線(xiàn)； 根據(jù)光柵用途的不同，可將光柵尺分為根據(jù)光柵用途的不同，可將光柵尺分為長(zhǎng)光柵尺（用作線(xiàn)值測(cè)量），圓光柵盤(pán)：長(zhǎng)光柵尺（用作線(xiàn)值測(cè)量），圓光柵盤(pán)：8.3.1 計(jì)量光柵的種類(lèi)計(jì)量光柵的種類(lèi)長(zhǎng)長(zhǎng)光光柵柵圓圓光光柵柵在玻璃板上設(shè)計(jì)，其中透光縫寬為在玻璃板上設(shè)計(jì)，其中透光縫寬為b ，不透

50、光線(xiàn)寬為，不透光線(xiàn)寬為 a ，一般情況下，光柵的透光縫寬等于不透光的線(xiàn)寬，即一般情況下，光柵的透光縫寬等于不透光的線(xiàn)寬，即a=b。圖中圖中W = a + b，稱(chēng)為（光柵節(jié)距或光柵常數(shù)）。，稱(chēng)為（光柵節(jié)距或光柵常數(shù)）。光柵柵距是光柵尺的重要參數(shù)。光柵柵距是光柵尺的重要參數(shù)。 長(zhǎng)光柵尺的設(shè)計(jì)：長(zhǎng)光柵尺的設(shè)計(jì)：8.3.2 莫爾條紋莫爾條紋W = a + b 光柵柵距光柵柵距 形成莫爾條紋的光學(xué)原理形成莫爾條紋的光學(xué)原理8.3.2 莫爾條紋莫爾條紋莫爾條紋通常是由兩塊光柵（莫爾條紋通常是由兩塊光柵（標(biāo)尺標(biāo)尺光柵、光柵、指示指示光柵）疊合光柵）疊合而成的，為了避免摩擦，光柵之間留有間隙，而成的，為了避免

51、摩擦，光柵之間留有間隙，兩光柵的柵線(xiàn)透光部分與透光部分疊加；兩光柵的柵線(xiàn)透光部分與透光部分疊加；光線(xiàn)透過(guò)透光部分光線(xiàn)透過(guò)透光部分形成形成亮帶亮帶；光柵不；光柵不透光部分疊加，互透光部分疊加，互相遮擋，形成相遮擋，形成暗帶暗帶. .這種由光柵重疊形這種由光柵重疊形成的光學(xué)圖案稱(chēng)為成的光學(xué)圖案稱(chēng)為莫爾條紋莫爾條紋。 122212122cosWWBWWWW2W1W 標(biāo)尺光柵常數(shù)標(biāo)尺光柵常數(shù) 指示光柵常數(shù)指示光柵常數(shù) 兩光柵的夾角兩光柵的夾角式中：式中：8.3.2 莫爾條紋莫爾條紋 長(zhǎng)光柵莫爾條紋的周期（長(zhǎng)光柵莫爾條紋的周期（條紋間距條紋間距B）8.3.2 莫爾條紋莫爾條紋 長(zhǎng)光柵莫爾條紋的周期演示長(zhǎng)

52、光柵莫爾條紋的周期演示http:/ 長(zhǎng)光柵橫向莫爾條紋長(zhǎng)光柵橫向莫爾條紋莫爾條紋的重要特性：莫爾條紋的重要特性： 運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系：主光柵向右運(yùn)動(dòng)一個(gè)柵距：主光柵向右運(yùn)動(dòng)一個(gè)柵距W1時(shí)時(shí)(W0.005mm)， 莫爾條紋向下移動(dòng)一個(gè)條紋間距莫爾條紋向下移動(dòng)一個(gè)條紋間距B ;8.3.2 莫爾條紋莫爾條紋位移放大作用：位移放大作用：兩光柵夾角很小，若兩光柵夾角很小，若W1=W2 ，莫爾條紋得近似關(guān)系莫爾條紋得近似關(guān)系B W /；莫爾條紋放大倍數(shù)為莫爾條紋放大倍數(shù)為1/。雖柵距很小但莫爾條紋清楚可見(jiàn)；雖柵距很小但莫爾條紋清楚可見(jiàn)；誤差平均效應(yīng)：誤差平均效應(yīng)：莫爾條紋的大柵莫爾條紋的大柵線(xiàn)對(duì)光柵

53、刻劃誤差有平均作用線(xiàn)對(duì)光柵刻劃誤差有平均作用.122212122cosWWBWWWW光柵測(cè)量裝置是指利用光柵原理對(duì)輸入量（位移量）光柵測(cè)量裝置是指利用光柵原理對(duì)輸入量（位移量）進(jìn)行轉(zhuǎn)換、顯示的整個(gè)測(cè)量裝置。包含三大部分：進(jìn)行轉(zhuǎn)換、顯示的整個(gè)測(cè)量裝置。包含三大部分： 光柵光學(xué)系統(tǒng)；光柵光學(xué)系統(tǒng)； 實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示等功能的電子系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示等功能的電子系統(tǒng)； 相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 v 光柵傳感器構(gòu)成原理：光柵傳感器構(gòu)成原理：光柵式傳感器又稱(chēng)光柵式讀數(shù)頭，光柵式傳感器又稱(chēng)光柵式讀數(shù)頭，由由標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵、指示光柵指示光柵、光路系統(tǒng)光路系統(tǒng)和和光電元件光電元件等組成。等組

54、成。8.3.3 光柵傳感器光柵傳感器 光柵傳感器構(gòu)成原理光柵傳感器構(gòu)成原理 光柵傳感器構(gòu)成原理光柵傳感器構(gòu)成原理8.3.3 光柵傳感器光柵傳感器 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭主要由光柵讀數(shù)頭主要由標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵、指示光柵指示光柵、光路系統(tǒng)光路系統(tǒng)和和光電元件光電元件等等組成。標(biāo)尺光柵的有效長(zhǎng)度即為測(cè)量范圍。組成。標(biāo)尺光柵的有效長(zhǎng)度即為測(cè)量范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時(shí)兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。時(shí)兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。標(biāo)尺光柵一般固定在被測(cè)物體上，隨被測(cè)物體一起移動(dòng)，其長(zhǎng)度標(biāo)

55、尺光柵一般固定在被測(cè)物體上，隨被測(cè)物體一起移動(dòng)，其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范圍，指示光柵相對(duì)于光電元件固定。取決于測(cè)量范圍，指示光柵相對(duì)于光電元件固定。 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭兩條暗帶中心線(xiàn)之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到兩條暗帶中心線(xiàn)之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮再到最暗的漸變過(guò)程。漸亮，一直到最亮，又從最亮再到最暗的漸變過(guò)程。 主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期，若用光，光強(qiáng)變化一個(gè)周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接近于正弦周期函數(shù)。轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接近于正弦周期函數(shù)。

56、WxUUumoo22sin式中：式中：uo 光電元件輸出的電壓信號(hào)；光電元件輸出的電壓信號(hào)； Uo 輸出信號(hào)中的平均直流分量；輸出信號(hào)中的平均直流分量； Um 輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值相距相距B/4放置四個(gè)光電元件，光柵移動(dòng)時(shí)光的放置四個(gè)光電元件，光柵移動(dòng)時(shí)光的信號(hào)強(qiáng)弱變化信號(hào)強(qiáng)弱變化。 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系直接接收式光學(xué)系統(tǒng)可以裝調(diào)成四相型系統(tǒng)。對(duì)于橫向莫爾直接接收式光學(xué)系統(tǒng)可以裝調(diào)成四相型系統(tǒng)。對(duì)于橫向莫爾條紋，為了獲得四相信號(hào)，相距條紋，為了獲得四相信號(hào)，相距B/4放置四個(gè)光電元件；放置四個(gè)光電元

57、件；光電元件可采用四極硅光電池或光敏二極管，并調(diào)整莫爾條光電元件可采用四極硅光電池或光敏二極管，并調(diào)整莫爾條紋的寬度使其和紋的寬度使其和四極硅光電池四極硅光電池的寬度的寬度S相同。相同。 辨向邏輯工作原理辨向邏輯工作原理 光柵測(cè)量電路光柵測(cè)量電路光柵讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量，光柵讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量， 因而對(duì)位移量的測(cè)量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向。因而對(duì)位移量的測(cè)量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向。在相隔在相隔BH/4間距的位置上間距的位置上,放置兩個(gè)光電元件放置兩個(gè)光電元件 1和和2，得到兩個(gè)相位差得到兩個(gè)相位差/2的電信的電信號(hào)號(hào)u1和

58、和u2（圖中波形是消除（圖中波形是消除直流分量后的交流分量）直流分量后的交流分量）,經(jīng)過(guò)整形后得兩個(gè)方波信經(jīng)過(guò)整形后得兩個(gè)方波信號(hào)號(hào)u1和和u2。 辨向電路原理辨向電路原理 （1 1）辨向原理）辨向原理 在光柵沿在光柵沿A方向移動(dòng)時(shí)，方向移動(dòng)時(shí)，u1的微分脈沖發(fā)生在的微分脈沖發(fā)生在u2為為“0”電平時(shí)，與門(mén)電平時(shí)，與門(mén)Y1無(wú)無(wú)脈沖輸出；脈沖輸出；而而u1的反相微分脈沖則發(fā)的反相微分脈沖則發(fā)生在生在u2的的“1”電平時(shí)，與電平時(shí)，與門(mén)門(mén)Y2輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)光柵沿當(dāng)光柵沿A方向移動(dòng)時(shí)，方向移動(dòng)時(shí)，u1經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖, 正好發(fā)生在正好發(fā)生在u2的的

59、“1”電平時(shí)，從而經(jīng)電平時(shí)，從而經(jīng)Y1輸出一個(gè)計(jì)數(shù)輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖；脈沖； 而而u1經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，則與經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，則與u2的的“0”電平相遇，與門(mén)電平相遇，與門(mén)Y2被阻塞無(wú)脈沖輸出。被阻塞無(wú)脈沖輸出。 光柵測(cè)量電路光柵測(cè)量電路辨向電路原理框圖辨向電路原理框圖 （1 1）辨向原理）辨向原理 用用u2的電平狀態(tài)作為與門(mén)的控制信號(hào)，來(lái)控制在不同的的電平狀態(tài)作為與門(mén)的控制信號(hào)，來(lái)控制在不同的移動(dòng)方向時(shí)移動(dòng)方向時(shí)u1所產(chǎn)生的脈沖輸出。所產(chǎn)生的脈沖輸出。這樣就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向正確地給出加計(jì)數(shù)脈沖或減計(jì)這樣就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向正確地給出加計(jì)數(shù)脈沖或減計(jì)數(shù)脈沖；數(shù)脈沖；再將其輸入可逆計(jì)

60、數(shù)器，實(shí)時(shí)顯示出相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)再將其輸入可逆計(jì)數(shù)器，實(shí)時(shí)顯示出相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)的位移量。的位移量。 光柵測(cè)量電路光柵測(cè)量電路辨向電路信號(hào)輸出辨向電路信號(hào)輸出辨辨向向電電路路各各點(diǎn)點(diǎn)波波形形8.3.3 光柵傳感器光柵傳感器左移左移 右移右移細(xì)分與末分比較細(xì)分與末分比較8.3.3 光柵傳感器光柵傳感器 (2) (2) 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)光柵尺以移過(guò)的莫爾條紋的數(shù)量光柵尺以移過(guò)的莫爾條紋的數(shù)量來(lái)確定位移量，其分辨率為光柵來(lái)確定位移量，其分辨率為光柵柵距。柵距。為了提高分辨率和測(cè)量比柵距更為了提高分辨率和測(cè)量比柵距更小的位移量，可采用細(xì)分技術(shù)小的位移量，可采用細(xì)分技術(shù)。8.3.3 光柵傳感器光柵傳感器