《物理（醫(yī)藥衛(wèi)生類）》教案 高職 9.5光電傳感器

.5光電傳感器及其應用教學目標：1.知道光電傳感器的組成及功能。2.知道光電傳感器的特點以及光電傳感器在各行各業(yè)的應用。3.了解光電傳感器在我國發(fā)展的現狀以及發(fā)展趨勢，增強技術創(chuàng)新的使命感。教學重點：掌握不同類型光電傳感器的類型、工作原理及應用場合。教學難點：光電傳感器中光敏元件的選擇和光路設計。教學方法：講授法、討論法教學準備：硬件材料：光電傳感器實物多媒體材料：PPT課件。教學過程：一、導入新課：光電傳感器是一種將光信號轉換為電信號的裝置，它已廣泛應用于工業(yè)自動化、交通運輸、醫(yī)療設備、智能家居等領域，通過本章節(jié)學習，我們共同了解光電傳感器的工作原理及相關應用。二、新課講解：（一）常用的光接收器光電傳感器是將被測光信號轉變成電信號的一種裝置，它由光源、接收器和檢測電路組成，接收器依據光電效應感知光的某個物理量的變化，并將其轉換成電信號。光接收器由光敏元件構成，常見的光接收器件有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池等。光電管和光電倍增管依據外光電效應工作，在受到對應頻率的光照時，陰極發(fā)射出光電子；光敏電阻和光敏二極管依據光電導效應工作，在受到光照時，在光敏電阻和光敏二極管中激發(fā)出電子—空穴對，增強了導電能力；光電池依據光生伏特效應工作，光照在光電池中激發(fā)出電子—空穴對，在內電場的作用下，正負電荷分別移到光電池的兩端，在光電池的兩端形成穩(wěn)定的電勢差。光電管：光電管是一種能夠將光能轉換為電能的電子器件，它的基本結構包括一個密封的玻璃或石英管，管內有一個金屬板作為陽極，另一個金屬板作為陰極，陰極通常是由容易發(fā)射電子的材料（如銫或銻）制成。光電管在接收光照并滿足一定條件時，能對外發(fā)射電子，這種現象稱為外光電效應。光電管依據光電效應原理，利用陰極發(fā)射電子，陽極收集電子將光信號轉換為電子信號，可用于探測和分析不同波長的光，也用于在光纖通信的接收端將光信號轉換為電信號。光電倍增管：光電倍增管是利用光電效應和二次電子發(fā)射，將單個光子轉換為可測量的電信號的一種高靈敏度光檢測器，它由光電陰極、聚焦極、倍增極和陽極幾個部分構成。光電倍增管通過光電發(fā)射、電子倍增和信號收集一系列過程，將檢測到的微弱光信號放大為可測量的電信號，具有極高靈敏度和快速響應時間，在天文學、醫(yī)學、物理研究和化學分析等許多科學和工業(yè)領域都有廣泛應用。光敏電阻：光敏電阻主要由硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛、銻化銦等半導體材料制造，受到光照時，半導體材料中激發(fā)出電子——空穴對，材料的導電能力增強，光敏電阻的阻值降低；光照停止后，自由電子與空穴復合，電阻恢復原值。光敏電阻阻值的變化反映出接收到的光通量的變化。由于常用光敏電阻的光照特性曲線光電流與光通量是非線性，因此光敏電阻不適合做測量元件，常用作開關式的光電轉換器。光敏二極管：光敏二極管的內部是具有光敏特性的PN結，工作時光敏二極管反向偏置。當光線照射到二極管的PN結時，會產生電子——空穴對，在PN結中形成反向光電流，由于電子——空穴對的數量隨著入射光的強度發(fā)生變化，所以光敏二極管的中的光電流也隨之變化。光敏二極管具有光譜響應范圍廣、靈敏度高、響應速度快、體積小，便于集成的特點，在光檢測、光通信、煙霧探測器、光電控制系統(tǒng)、醫(yī)療設備中得到了廣泛應用。（二）光電傳感器的光路設計根據光源與光接收器的位置關系，光電傳感器可以分為對射型光電傳感器、反射型光電傳感器和漫反射型光電傳感器三類。對射型光電傳感器探測距離遠，工作可靠；反射型光電傳感器需要在光源對面安裝反光板，常用于深色物體的檢測；漫反射型光電傳感器常用于狹小的空間，但不適合檢測深色物體。（三）光電傳感器的優(yōu)勢與應用光電傳感器的優(yōu)勢：響應速度快、精度高、抗干擾能力強、無需接觸、壽命長光電傳感器的應用領域：工業(yè)自動化，如位置檢測、計數與分類、安全監(jiān)控等；交通控制，如交通信號燈的控制、自動門的開關；停車場管理等；醫(yī)療器械，如血氧飽和度監(jiān)測、心率監(jiān)測等；光通信，如光纖通信中接收和轉換光信號；安全監(jiān)控，如非法入侵檢測、煙霧探測報警等；科學研究，如光譜分析、距離測量等（四）應用拓展：光敏電阻與光敏二極管在應用上的差別光敏電阻和光敏二極管都是基于光電導效應工作的半導體光電器件，在對應波長的光照下，從半導體材料中激發(fā)出電子——空穴對，導電能力增強。由于兩類半導體光電器件內部結構不同、應用場景不同，光敏電阻主要用作開關式的光電轉換器件，而且半導體內部沒有PN結，所以光敏電阻接入電路時不用區(qū)分極性，光敏二極管用于檢測光線的強度，要求產生的光電流與光照強度間滿足較好的線性關系，依據二極管的單向導電性，光敏二極管工作時內部的PN結應當處于反向偏置狀態(tài)，沒有光照時，反向電流為零，光照激發(fā)出載流子，光敏二極管中才會產生相應的反向電流，光照超強，激發(fā)出的載流子數越多，反向電流隨之增大。三、課堂小結：知識梳理：光電管和光電倍增管是基于外光電效應工作的光電器件，主要用于精確計量光信號；光敏電阻和光敏二極管是基于光電導效應的光電器件，與光電管和光電倍增管相比，光敏電阻和光敏二極管成本低、體積小，易于集成，在日常生活中應用更為廣泛。重點強調：光敏電陰、光敏二極管對不同波長的光敏感度不同，選用時要注意它們適用的