光敏傳感器(光敏傳感器)

1、第三章 光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù),梁長垠 教授 Professor Liang,第三章 光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù),教學(xué)目的： 1、了解光敏傳感器的作用、分類和使用方法； 2、熟悉常用光敏傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍； 4、掌握常用光敏傳感器的工作原理及使用方法； 5、學(xué)會正確選用光敏傳感器的方法。,第三章 光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù),教學(xué)重點(diǎn)： 1、光敏傳感器特點(diǎn)與選用； 2、光敏傳感器原理及接口電路設(shè)計方法。,教學(xué)難點(diǎn)： 1、光溫敏傳感器工作原理； 2、光敏傳感器應(yīng)用電路分析與設(shè)計方法；,教學(xué)方法： 1、引導(dǎo)文教學(xué)法 2、引探教學(xué)法 3、頭腦風(fēng)暴法,問題思考： 1、光敏傳感器的作用是什么？ 2、常用的光敏傳感器

2、有哪些種？各自的原理是什么? 3、何為光電效應(yīng)？可見光的波長范圍是多少? 4、光敏電阻的阻值由什么因素決定？ 5、光敏二極管工作在什么狀態(tài)？ 6、光電池的的原理是什么？ 7、光電開關(guān)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有哪些應(yīng)用？ 8、舉出20種以上光敏傳感器的應(yīng)用場景。,第三章 光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù),第三章 光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù),第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識 光譜與光度單位 光電效應(yīng)與光敏器件 第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理 光敏傳感器組成與工作原理 光敏電阻 光敏二、三極管 光電池 紅外熱釋電傳感器 第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用電路分析與訓(xùn)練 光電開關(guān)報警電路設(shè)計 人體脈搏測量電路設(shè)計,一、光敏傳感器基礎(chǔ)知識

3、1.光譜 可見光的光譜范圍：380780nm 對應(yīng)光色：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫,第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識,一、光敏傳感器基礎(chǔ)知識 2.光度單位 光通量：單位時間內(nèi)產(chǎn)生光感的能量之和 發(fā)光強(qiáng)度：光源在某一給定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量 發(fā)光效率：發(fā)射光通量與消耗電功率比值 照度：單位被照面積上接收到的光通量 亮度：視角方向上單位面積的發(fā)光強(qiáng)度,第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識,二、光敏器件與光電效應(yīng) 1.光敏器件 把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種元器件。 常用的光敏器件有：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、熱釋電紅外熱敏器件等。 光敏器件的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。 2.光電效應(yīng) 光照射到某些物

4、質(zhì)上，使該物質(zhì)的電特性發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。 3.光電效應(yīng)的分類,第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識,光電效應(yīng),外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng),二、光敏器件與光電效應(yīng) 1）外光電效應(yīng) 在光線作用下使電子逸出物質(zhì)表面的現(xiàn)象。其中 向外發(fā)射的電子稱為光電子，能夠承受光電效應(yīng) 的物質(zhì)稱為光電材料。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管（將微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號的真空電子器件。 ）等 器件圖,第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識,二、光電效應(yīng)與光敏器件 2）內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動，使物質(zhì)的電阻率發(fā)生變化產(chǎn)生光電流或光生伏特的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)又可分為： 光

5、電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 紅外熱釋電效應(yīng),第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識,二、光敏器件與光電效應(yīng) （1）光電導(dǎo)效應(yīng) 當(dāng)入射光子射入到半導(dǎo)體時，半導(dǎo)體吸收入射光子產(chǎn)生電子空穴對，使其電導(dǎo)率增大。 基于這種效應(yīng)的器件有光敏電阻。 （2）光生伏特效應(yīng) 在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二/三極管。 （3）熱釋電效應(yīng) 一些晶體受到紅外線熱輻射轉(zhuǎn)化為熱量時，兩端會產(chǎn)生數(shù)量相等、極性相反的電荷，這種由熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 能夠承受熱電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電元件.,第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識,一、光敏電阻 1.基本概況與參數(shù) 光敏電阻沒有極性, 純粹是一個電

6、阻器件, 使用時既可加直流電壓, 也可以加交流電壓。 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。 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。 光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,一、光敏電阻 1.基本概況與參數(shù) 無光照時, 光敏電阻值（暗電阻）很大, 電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時, 它的阻值（亮電阻）急劇減少, 電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好, 亮電阻越小越好,此時光敏電阻的靈敏度高。 實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級, 亮電阻在幾千歐以下。,第二節(jié)

7、 常用光敏傳感器工作原理,一、光敏電阻 2.光敏電阻特點(diǎn) 光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對紅光和紅外輻射）； 偏置電壓低，工作電流大； 動態(tài)范圍寬，既可測強(qiáng)光，也可測弱光； 光電導(dǎo)增益大，靈敏度高； 無極性，使用方便； 在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差 光電響應(yīng)時間較長，頻率特性較差。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,一、光敏電阻 3.光敏電阻基本特性 伏安特性 光照特性 光譜特性 響應(yīng)時間和頻率特性 溫度特性,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,一、光敏電阻 伏安特性 在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系 在給定的偏壓情況下，光照度 越大，光電流也就越大； 在一定光照度下，加的電壓越 大，

8、光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。 光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的， 耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,一、光敏電阻 光照特性 光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,一、光敏電阻 光譜特性 光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,一、光敏電阻 響應(yīng)時間和頻率特性 光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。 通常用響應(yīng)時間t表示。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,一、光敏電阻 溫度特性 隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的

9、響應(yīng)。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,一、光敏電阻 4.光敏電阻材料、結(jié)構(gòu)、分類與工作原理 制作材料：半導(dǎo)體：硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、硫化鉍、硒化隔、硒化鉛、碲化鉛等 結(jié)構(gòu)與分類 紫外、紅外、可見光光敏電阻 工作原理,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,一、光敏電阻 5.光敏電阻用電路分析,感光燈電路,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,二、光敏二極管 1.概述 光敏二極管又稱光電二極管，是一種光電轉(zhuǎn)換器件，原理是利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，即光照到PN結(jié)上時，PN結(jié)吸收光能，產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。,基本結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。在透明玻璃外殼中，PN結(jié)裝在管的頂部，可直接受到光照射。,光敏二極管在電路

10、中一般處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時反向電流很小，稱為暗電流；有光照的電流較大，稱為光電流。光的照度越大，光電流越大。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,二、光敏二極管 2.光敏二極管基本特性,(1) 光照特性,光敏二極管的光照特性曲線的線性較好，在小負(fù)載電阻下其光電流與照度基本成線性關(guān)系。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,(2) 光譜特性,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,二、光敏二極管 2.光敏二極管基本特性,(3) 伏安特性,當(dāng)反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，這是由于反向偏壓加大了耗盡層的寬度和電場強(qiáng)度。隨反向偏壓的加大，對載流子的收集達(dá)到極限，光生電流趨于飽和，這時光生電流與所

11、加偏壓幾乎無關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,二、光敏二極管 2.光敏二極管基本特性,（1）當(dāng)光敏二極管加上反向電壓 管子中的反向電流隨著光照強(qiáng)度的 改變而改變，光照強(qiáng)度越大，反向 電流（光電流）越大，大多數(shù)都工 作在這種狀態(tài)。 （2）光敏二極管上不加反向電壓 利用PN結(jié)在受光照時產(chǎn)生正向電 壓的原理，把它用作微型光電池。 這種工作狀態(tài)，一般作光電檢測器,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,二、光敏二極管 3.光敏二極管兩種工作狀態(tài),有光照時，T1、T2導(dǎo)通， 繼電器線圈帶電，常閉觸 點(diǎn)斷開，燈不亮。 光線較暗時，T1、T2截止， 繼電器線圈失電，常 閉觸點(diǎn)閉合，燈亮。,路燈

12、控制電路,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,二、光敏二極管 4.光敏二極管應(yīng)用電路分析,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,三、光敏三極管 1.光敏三極管概述,光敏晶體管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類似。不同之處是光敏晶體管有一個對光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用發(fā)射結(jié)作為受光結(jié)，基極無引出線，因此，光敏晶體實(shí)質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的三極管。 當(dāng)光照射到 PN 結(jié)附近時，由于光生伏特效應(yīng)，產(chǎn)生光電流。光敏三極管具有比光敏二極管更高的靈敏度。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,三、光敏三極管 2.光敏三極管特性,光敏三極管特性與光敏二極管相似,3.光敏三極管應(yīng)用電路分析,第二節(jié) 常用光

13、敏傳感器工作原理,四、光電耦合器與光電斷路器 1.光電耦合器 光電耦合器是將發(fā)光元件和光敏元件合并使用并集成在一起，以光為媒介實(shí)現(xiàn)信號傳遞的光電器件。,發(fā)光元件常采用砷化鎵發(fā)光二極管，光敏元件可以 是光敏二極管或光敏晶體管,主要作用：實(shí)現(xiàn)電-光-電信號轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號隔離。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,四、光電耦合器與光電斷路器 2.光電斷路器 光電斷路器是將發(fā)光元件和光敏元件合并使用并相互隔開，以光為媒介實(shí)現(xiàn)信號傳遞的光電器件。,主要作用：光電開關(guān)、產(chǎn)品計數(shù)等,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,五、光電池 1.光電池分類、結(jié)構(gòu) 光電池（photovoltaic cell），是一種在光的照射下

14、產(chǎn)生電動勢的半導(dǎo)體元件。用于光電轉(zhuǎn)換、光電探測及光能利用等方面。,光電池種類很多：硅光電池、硒光電池、鍺光電池、硫化鎘光電池、砷化鎵光電池等,硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散方法摻入一些P型雜質(zhì)形成PN結(jié)。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,五、光電池 2.光電池原理,入射光照射在PN結(jié)上時，弱光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)電場作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，PN結(jié)產(chǎn)生電勢。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,五、光電池 3.光電池外形,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,五、光電池 4.光電池特性,(a) 光照特性,不同

15、光照度下，光電流和光生電動勢是不同的。,短路電流與光照度成線性關(guān)系；開路電壓與光照度是非線性的。 光電池作為測量元件使用時，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,五、光電池 4.光電池特性,(b) 光譜特性,光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,五、光電池 4.光電池特性,(c) 頻率響應(yīng),指輸出電流隨調(diào)制光 頻率變化的關(guān)系。,硅光電池具有較高的頻率響應(yīng) ,用于高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,五、光電池 4.光電池特性,(d) 溫度特性,開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。 關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響

16、到測量精度或控制精度等重要指標(biāo)。,硅光電池的溫度特性(照度1000lx),第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,五、光電池 5.光電池應(yīng)用,（1）光電池作光伏器件，利用光伏作用直接把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池,（2）光電池作光電轉(zhuǎn)換器件，用于光電檢測與指導(dǎo)控制系統(tǒng)中,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,六、紅外熱釋電傳感器,1.概述 （1）紅外輻射 紅外輻射本質(zhì)上時一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于決定零度（-273度），就會向外發(fā)射紅外線。,（2）紅外傳感器分類 光電型 熱電型（熱釋電紅外傳感器）,（3）熱釋電紅外傳感器的熱釋電效應(yīng) 由于溫度變化引起電介質(zhì)表面產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象,第二節(jié) 常用光敏

17、傳感器工作原理,六、紅外熱釋電傳感器,2.紅外熱釋電傳感器結(jié)構(gòu),第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,3.紅外熱釋電傳感器人體感應(yīng)報警電路,BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰＞哂休^高性能的傳感信號處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。,第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理,4.紅外熱釋電傳感器人體入侵檢測應(yīng)用電路,RP電位器為靈敏度調(diào)節(jié)，C7、R8、R10位延時電路,一、光敏傳感器組成 光源、光學(xué)通路、光敏器件、檢測處理電路。,被測量 的變化,光信號 的變化,電信號 的變化,二、光

18、敏傳感器工作原理 把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光敏器件變換成電信號，檢測電路對電信號進(jìn)行處理。,常用光源：白熾燈、氣體放電光源、LED、激光器（固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器）,第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例,光敏傳感器的構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光敏器件、檢測處理電路。 常用光源：白熾燈、氣體放電光源、LED、激光器（固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器） 光敏傳感器特點(diǎn)：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。,第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例,光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式等四種基本形式。,第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例,光電開關(guān)已被用作物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、色標(biāo)檢出以及安全防護(hù)等。此外，利用紅外線的隱蔽性還可在銀行、倉庫、商店、辦公室等場合作為防盜警戒之用,第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例,第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例,第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例,光線被遮斷(報警),當(dāng)有物體遮擋住光線時，傳感器發(fā)出報警信號，起保護(hù)、預(yù)警等作用。,光幕應(yīng)用,第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例,產(chǎn)品高度測量,第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例,長度測量,寬度測量,高度測量,第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例,光幕用于 自動收費(fèi)系統(tǒng)的車輛檢測,第三節(jié) 光敏