光敏傳感器(光敏傳感器)

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1、 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)叁正確選用光敏傳感器的方法。 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù) 教學(xué)重點(diǎn) 1、光敏箱戰(zhàn)

2、器特點(diǎn)與選用； 2、光敏傳感器原理及接口電路設(shè)計(jì)方法。 教學(xué)難點(diǎn)： 1、光溫嬴專感器工作原理； 2、光敏傳感器應(yīng)用電路分析與設(shè)計(jì)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％術(shù)學(xué). 第三章光敏傳感器及應(yīng)用技術(shù) 第

3、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 一光敏電阻 —光敏二、三極管 —光電池 —紅外熱釋電傳感器 第三節(jié)光敏商感篥應(yīng)用電路分析與訓(xùn)練 - 光電開關(guān)報(bào)警電路設(shè)計(jì) ’4 —人體脈搏測量電路設(shè)計(jì)「門廣一 第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識i 一、光敏傳感器基礎(chǔ)知識 L光譜 可見光的光譜范圍: 380~780nm ■深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 對應(yīng)光色：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫 Gamma 紫外線紅外線 FM 短波 ? I I 11 I 111 - 中關(guān)村在㈱ zoL

4、 X射為 雷達(dá)波 TV AM 第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識i 一、光敏傳感器基礎(chǔ)知識 2.光度單位 光通量：單位時(shí)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 限度：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、光敏露祥看光電效應(yīng) k孵 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) 光照射到某些物質(zhì)上，使該

5、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 ? 日―/外光電效應(yīng) 光電效應(yīng)9t內(nèi)光電效應(yīng) 第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識 1 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 曾條微弱光信號轉(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) 仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電阻率發(fā)生變化產(chǎn) 在光線作用下所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴） 生光電流或光生

6、伏特的現(xiàn)象，稱為也 內(nèi)光電效應(yīng)又可分為： 光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)紅外熱釋電效應(yīng) 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第一節(jié) 光敏傳感器基礎(chǔ)知識i 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)件時(shí)，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O (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(dòng)勢的現(xiàn)象。 基于該效應(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(shí)，兩端 會(huì)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

7、電元件一—院_ 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原遮 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(gè)電阻器件，使用 時(shí)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(shí)的阻值稱為暗電阻, 此時(shí)流過的電流稱為暗電流 ? 亮電阻：光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電 阻，此時(shí)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。 第三節(jié) 常用光敏傳感器工作原理 S . ? * 一耳屈胞I 一、光敏電阻 L基本概況與參數(shù) ? 無光照時(shí)，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(shí)，它的阻

8、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(shí) 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。 常用光敏傳感器工作原理? A>*r 一 一H 弟一下 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(dòng)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(shí)間較長，頻率特性較差。 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 11 L:鬻尊》:? Bl

9、蹙蘇聶?W 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(shí)間和頻率特性 溫度特性 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原嚶 一、光敏電阻 ①伏安特性 ?在給定的偏壓情況下，光照度 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 越大，光電流也就越大； 40 30 20 10 】00 200 功耗 大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象 光敏電阻電壓（V） ? 在一定光照度下，加的電壓越 ? 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

10、作原理 鬻逮解罐I晨mm辱I 一、光敏電阻 ②光照特性 光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系 0.3 0.6 光通量(Im) 5 0 5 0 5 2 2 11 O ? ? ? ? ? o o o o O (W5爆屈率 1.2 31 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第二節(jié)常用光敏傳感器工 二作原琥 ―臨。 ,?八，二寸—— 一、光敏電阻 ③光譜特性 光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的 15000 30000 入疑劇招送） (％)弱施映次要 o o o o O 0 8 6 4 2 1JL

11、 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 一、光敏電阻 4）響應(yīng)時(shí)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(shí)間上有一個(gè)滯后。 ■通常用響應(yīng)時(shí)間t表示。 00 ^—1 63 O (％)速騰他W室 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 鬻逮解罐I晨mm辱I 一、光敏電阻 ⑤溫度特性 ■隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)。因 止匕，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的 響應(yīng)。 0 1X104 2X 104

12、 3XI04 4X 104 入射光波長(1) (％)翹稀喔初轉(zhuǎn) 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原酸 一、光敏電阻 4 .光敏電阻材料、結(jié)構(gòu)、分類與工作原理 ①制作材料:半導(dǎo)體：硫化鎘、硫化鉛、硫化銘、 硫化例、硒化隔、硒化鉛、不帝化鉛等 電極——r (ELECTRCDE)| . CDS J 樹脂膠舊2與BLUE) X 電極 gJHTROOfi? ②結(jié)構(gòu)與分類 紫外、紅外、可見光光敏電阻 ③工作原理 eR5E) 導(dǎo)/ L.FRDJ  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 12V Of O-5V RI 2K J

13、R22 R2 2K 2 555 X UA + I L\B5 q Lo2 m K： S3 R]] CD LED GXD 一 C2 T o-i G：T> RLJ 感光燈電路 ■■深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 — ,第二節(jié)一常用光敏傳感器工作原理1 目修* &/格/ 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(shí)，PN結(jié)吸收光能，產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。  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 0 200 4

14、00 600 800 1000 1200 昭府“X、 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。 碑硼聯(lián)亞技 術(shù)學(xué)院 第二節(jié) 常用光敏傳感器工作原理 、光敏二極管 2.光敏二極管基本特性 (2)光譜特性 波長 x 1 o2(nm) ■. ■潦圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 (武)照睇映我要 飽和，這時(shí)光生電流與所加 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 (3)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，這是 由于反向偏壓加大了耗

15、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 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原堡 二、光敏二極管 3 .光敏二極管兩種工作狀態(tài) (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(shí)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普 、光敏二極管 4 .光敏二極管應(yīng)用電路分析 有光照時(shí)，Tl. T2導(dǎo)通, 繼電器線圈帶電，常閉觸 點(diǎn)斷開，燈不亮

16、。 光線較暗時(shí)，Tl> T2截止, 繼電器線圈失電，常 閉觸點(diǎn)閉合，燈亮。 路燈控制電路 ■深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第二節(jié)常用光敏傳感器工彳 三原理 三、光敏三極管 L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(gè)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(shí)，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 三、光敏三極管 2 .光敏三極管特性 光敏三

17、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 輸入 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 I、光電耦合器與光電斷路器 L光電耦合器 .光電耦3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)光元件常采用碑化鐵發(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0 第二節(jié)常用光敏傳感器 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(jì)數(shù)等 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院

18、 檢測物 外形圖 輸入端僦魄皿 V ■ 第二節(jié)常用光敏傳感器 五、光電池 L光電池分類、結(jié)構(gòu) 光電池(photovoltaic cell),是一種在光的照 射下產(chǎn)生電動(dòng)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、楮光電池、 硫化鎘光電池、碑化錢光電池等 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)。 太陽光線 上電極 N型硅 PN疆 P型硅 下電極 太

19、陽電池結(jié)構(gòu)原理 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(shí)，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 梳狀電極 sunlight bast, <-rear conta

20、ct electnm-hok pair antir

21、00 1000 1200 入射光波長(nm) 一 ■深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 80 60 4020 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 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。 0 1500 3000 4500 6000 7500 入射光頻率（Hz） O 60 40 O 2 (％)爆相親友至 硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換。 第二節(jié)常用光敏傳感器 五、光電池 4.光電池特性 (d)溫度特性 開路電壓和短路電流 5001 12.2 隨溫度變化的關(guān)系。 關(guān)系到

22、應(yīng)用光電池的 儀器的溫度漂移，影響到 測量精度或控制精度等重 要指標(biāo) E)出出卅次 8 LO J O H 就 ,60 I40 ,20 L O 硅光電池的溫度特性(照度lOOOlx) 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第二節(jié)常用光敏傳感器 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 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(shí)一種熱輻射。任何物體，只要 它的溫度高于決定零度(-273度)

23、,就會(huì)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)常用光敏傳感器工作原理w 六、紅外熱釋電傳感器 2.紅外熱釋電傳感器結(jié)構(gòu) rrrrn rri ri roi rr?Yr?\? rei rra^ranrti r?\ rro^rrav r?w rB?rr-\ rs^rro> rc r?//r?? rn> r??rr?? rev ronrran rrwi ??、，ron rr?\，r?、rrei rri r?i，r?\ rrtn ??ai，r?\ rrn rr?

24、，r? 濾光片 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 FET 管座 高阻 引腳 三 紅外輻射 (a)結(jié)構(gòu) (b)電留圖 3.紅外熱釋電傳感器人體感應(yīng)報(bào)警電路 BISS0001 調(diào)理電路 12 Uo2 匚膠 Uo3 F31 o $1558 5 EEEP BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制 器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的 數(shù)模

25、混合專用集成電路。具有較高性能的傳感信號 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(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān)。 比較判別 吉光報(bào)警器 -NO wr RF1 孫口Z( i Speaker ? :而』舉,我技術(shù)學(xué)院 第二節(jié)常用光敏傳感器工彳 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(shí)電路 GND 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例 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。 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） 二、光敏傳感器工作原理 把被

26、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。 被測量 的變化 電信號 的變化 光信號 的變化 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例I飛 ? 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I 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。 被測物 光電元件 光源 輻射式 遮光式 吸收式 被測物 光電元

27、件 被鋤物光電元件 彳皮溺物 圖 反時(shí)式  第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例IT 光電開關(guān)已被用作物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判 別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時(shí)、自動(dòng)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 光也開美林松楣物悻光電開葵 發(fā)射豁 接收器 漫反射光電開兵被檢費(fèi)I物體 般反射 -rfX 府部較強(qiáng)漫反 葉的光度分布 推臣見 式比咆 開關(guān) 財(cái)?shù)墓舛确植? 悔反酎式光電開力 技改雷 光纖插人式獴頭光舒鴕 發(fā)射器 藪檢測物建 此纖控制器光軒仲雄霹 圖3各種光電開美

28、光線工作示意圖 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第三節(jié) 光敏傳感器應(yīng)用案例I飛 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 6 光接收器 名光發(fā)射器 被檢測物體 ???? 第三節(jié)光敏傳感器應(yīng)用案例