傳感器技術第6講光電式傳感器 (2)課件

第6講光電式傳感器

內容：一、光電器件的基本概念；二、光電池；三、紅外傳感器；四、光電傳感器應用舉例。目的：1、了解光電式傳感原理和結構；

2、掌握光電式傳器的特點及應用知識。第6課光電式傳感器1、什么是光電式傳感器？以光電器件作為轉換元件的傳感器稱光電式傳感器。

2、用途

主要用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。

第6課光電式傳感器3、特點光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點。因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。近年來，新的光電器件不斷涌現，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電式傳感器的進一步應用開創(chuàng)了新的一頁。

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—是將光能轉換為電能的一種傳感器件，它是構成光電式傳感器最主要的部件。

光電器件工作的物理基礎是光電效應。什么是光電效應?

在光照射在某些物質上時,物質的電子吸收光子的能量而發(fā)生電效應現象，如導電率變化、釋放電子和產生電動勢等。釋放的電子叫光電子，能產生光效應的物質叫電材料。第一節(jié)光電器件的基本概念

一、光敏電阻傳感器(一)光敏電阻的結構與工作原理結構：它是涂于玻璃底板上的一薄層半導體物質，半導體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接人電路。為了防止周圍介質的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大。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(3)

1．暗電阻光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。2．亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。3．光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。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）

1．伏安特性在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱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3．溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應，同時，光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變，尤其是響應于紅外區(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)光敏二極的管結構

光敏二極管的結構與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管的頂部，可以直接受到光照射

結構外形符號第一節(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

(三)光敏三極管的結構與原理光敏晶體管與一般晶體管相似，具有兩個PN結，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。光敏二極管和光敏三極管的材料幾乎都是硅(si)

結構外形符號e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)光敏三極管的結構與原理光照射在發(fā)射極e與基極b之間的PN結附近便產生光電流(幾微安，相當于三極管的基極電流)，于是在集電極c與基極b之間的PN結能產生幾毫安電流(相當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，硅的峰值波長約為0．9um，鍺的峰值波長約為1．5um，此時靈敏度最大，而當入要射光的波長增加或縮短時，相對靈敏度也下降。一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光進行探測時，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

3．溫度特性暗電流及光電流與溫度的關系。稱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

型號或名稱

光譜范圍

峰值波長

靈敏度

響應時間

探測本領

2DU0.4～1.10.9>0.410-7最小可探測功率

Pmin=10-8W2CU0.4～1.10.9>0.510-7

Pmin=10—0W2DULO．4～1.11.06>0.65×10-9第二節(jié)光電池

光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實質就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。屬有源器件。1、硒光電池2、氧化亞銅光電池3、硫化鉈光電池4、硫化鎘光電池5、鍺光電池6、硅光電池7、砷化鎵光電池一、光電池的種類：能用可見光作光源能用可見光作光源第二節(jié)光電池三、光電池的工作原理

光電池實質上是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面，如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴，電子--空穴對從表面向內迅速擴散，在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。----稱光生伏特效應

第二節(jié)光電池四、光電池的基本特性

（1）光譜特性光電池對不同波長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，光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系就是光照特性。

流第二節(jié)光電池四、光電池的基本特性

（4）特性參數

–國產硅光電池的特性參數

參量型號開路電壓／mV短路電流／mA輸出電流／mA轉換效率／％面積/mm22CR31450-6009～156.5～8.56～85×102CR32550-6009～158.6～11.38～lO5×102CR33550-60012-1511.4-1510-125×10第三節(jié)紅外傳感器

紅外技術是在最近幾十年中發(fā)展起來的一門新興技術。它已在科技、國防和工農業(yè)生產等領域獲得了廣泛的應用。

一、紅外傳感器分類（五類）（1）紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運行進行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產生整個目標紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的組合。

第三節(jié)紅外傳感器二、紅外檢測的物理基礎

紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0．76～1000μm，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、紅外檢測的物理基礎

第三節(jié)紅外傳感器二、紅外檢測的物理基礎

紅外線輻射的物理本質是熱輻射。一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強。而且，紅外線被物體吸收時，可以顯著地轉變?yōu)闊崮堋?/p>

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，大氣層對不同波長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，空氣中對稱的雙原子氣體，如N2、02、Hz等不吸收紅外線。

第三節(jié)紅外傳感器二、紅外檢測的物理基礎第三節(jié)紅外傳感器三、紅外探測器

紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調理電路及顯示等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心，紅外探測器種類很多，常見的有兩大類：

1、熱探測器

2、光子探測器。第三節(jié)紅外傳感器三、紅外探測器

1、熱探測器

熱探測器是利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關物理參數發(fā)生相應變化，通過測量物理參數的變化，便可確定控制器所吸收的紅外輻射。

熱探測器主要優(yōu)點是響應波段寬，響應范圍可擴展到整個紅外區(qū)域，可以在室溫下工作，使用方便，應用仍相當廣泛。第三節(jié)紅外傳感器三、紅外探測器

2、光子探測器。光子探測器是利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中的電子相互作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現象，稱光子效應。通過測量材料電子性質的變化，可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應制成的紅外探測器，統(tǒng)稱光子探測器。光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應頻