光敏傳感器(光敏傳感器).ppt

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第三章光敏傳感器及應用技術 梁長垠教授ProfessorLiang 第三章光敏傳感器及應用技術 教學目的 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及應用范圍 4 掌握常用光敏傳感器的工作原理及使用方法 5 學會正確選用光敏傳感器的方法 第三章光敏傳感器及應用技術 教學重點 1 光敏傳感器特點與選用 2 光敏傳感器原理及接口電路設計方法 教學難點 1 光溫敏傳感器工作原理 2 光敏傳感器應用電路分析與設計方法 教學方法 1 引導文教學法2 引探教學法3 頭腦風暴法 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 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 光電開關在日常生活和工業(yè)生產中有哪些應用 8 舉出20種以上光敏傳感器的應用場景 第三章光敏傳感器及應用技術 第三章光敏傳感器及應用技術 第一節(jié)光敏傳感器基礎知識 光譜與光度單位 光電效應與光敏器件第二節(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)光敏傳感器應用電路分析與訓練 光電開關報警電路設計 人體脈搏測量電路設計 一 光敏傳感器基礎知識1 光譜可見光的光譜范圍 380 780nm對應光色 紅 橙 黃 綠 青 藍 紫 第一節(jié)光敏傳感器基礎知識 一 光敏傳感器基礎知識2 光度單位光通量 單位時間內產生光感的能量之和發(fā)光強度 光源在某一給定方向的單位立體角內發(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)光強度 第一節(jié)光敏傳感器基礎知識 二 光敏器件與光電效應1 光敏器件把光信號轉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是光電效應 2 光電效應光照射到某些物質上 使該物質的電特性發(fā)生變化的物理現象 3 光電效應的分類 第一節(jié)光敏傳感器基礎知識 光電效應 外光電效應 內光電效應 二 光敏器件與光電效應1 外光電效應在光線作用下使電子逸出物質表面的現象 其中向外發(fā)射的電子稱為光電子 能夠承受光電效應的物質稱為光電材料 基于外光電效應的光電器件有光電管 光電倍增管 將微弱光信號轉換成電信號的真空電子器件 等器件圖 第一節(jié)光敏傳感器基礎知識 二 光電效應與光敏器件2 內光電效應在光線作用下所產生的載流子 自由電子或空穴 仍在物質內部運動 使物質的電阻率發(fā)生變化產生光電流或光生伏特的現象 稱為內光電效應 內光電效應又可分為 光電導效應光生伏特效應紅外熱釋電效應 第一節(jié)光敏傳感器基礎知識 二 光敏器件與光電效應 1 光電導效應當入射光子射入到半導體時 半導體吸收入射光子產生電子空穴對 使其電導率增大 基于這種效應的器件有光敏電阻 2 光生伏特效應在光作用下能使物體產生一定方向電動勢的現象 基于該效應的器件有光電池和光敏二 三極管 3 熱釋電效應一些晶體受到紅外線熱輻射轉化為熱量時 兩端會產生數量相等 極性相反的電荷 這種由熱變化產生的電極化現象稱為熱釋電效應 能夠承受熱電效應的晶體稱為熱釋電元件 第一節(jié)光敏傳感器基礎知識 一 光敏電阻1 基本概況與參數光敏電阻沒有極性 純粹是一個電阻器件 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)常用光敏傳感器工作原理 一 光敏電阻2 光敏電阻特點光譜響應范圍寬 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 既可測強光 也可測弱光 光電導增益大 靈敏度高 無極性 使用方便 在強光照射下 光電線性度較差光電響應時間較長 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 光電流越大 沒有飽和現象 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 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之間的關系 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 響應時間和頻率特性光電導的弛豫現象 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響應 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 結構 分類與工作原理 制作材料 半導體 硫化鎘 硫化鉛 硫化鉈 硫化鉍 硒化隔 硒化鉛 碲化鉛等 結構與分類紫外 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 是一種光電轉換器件 原理是利用PN結的光生伏特效應 即光照到PN結上時 PN結吸收光能 產生電動勢的現象 基本結構 結構與一般二極管相似 在透明玻璃外殼中 PN結裝在管的頂部 可直接受到光照射 光敏二極管在電路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 在小負載電阻下其光電流與照度基本成線性關系 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度 隨反向偏壓的加大 對載流子的收集達到極限 光生電流趨于飽和 這時光生電流與所加偏壓幾乎無關 只取決于光照強度 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 當光敏二極管加上反向電壓管子中的反向電流隨著光照強度的改變而改變 光照強度越大 反向電流 光電流 越大 大多數都工作在這種狀態(tài) 2 光敏二極管上不加反向電壓利用PN結在受光照時產生正向電壓的原理 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導通 繼電器線圈帶電 常閉觸點斷開 燈不亮 光線較暗時 T1 T2截止 繼電器線圈失電 常閉觸點閉合 燈亮 路燈控制電路 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構相類似 不同之處是光敏晶體管有一個對光敏感的PN結作為感光面 一般用發(fā)射結作為受光結 基極無引出線 因此 光敏晶體實質上是一種相當于在基極和集電極之間接有光敏二極管的三極管 當光照射到PN結附近時 由于光生伏特效應 產生光電流 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 光敏三極管應用電路分析 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 以光為媒介實現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 實現電 光 電信號轉換 實現信號隔離 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 以光為媒介實現信號傳遞的光電器件 主要作用 光電開關 產品計數等 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 結構光電池 photovoltaiccell 是一種在光的照射下產生電動勢的半導體元件 用于光電轉換 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 用擴散方法摻入一些P型雜質形成PN結 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結上時 弱光子能量大于半導體材料的禁帶寬度 則在PN結內部產生電子 空穴對 在內電場作用下 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)帶負電 PN結產生電勢 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 應把它當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 指輸出電流隨調制光頻率變化的關系 硅光電池具有較高的頻率響應 用于高速計數的光電轉換 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系 關系到應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 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 光電池應用 1 光電池作光伏器件 利用光伏作用直接把太陽能轉換成電能 即太陽能電池 2 光電池作光電轉換器件 用于光電檢測與指導控制系統(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由于溫度變化引起電介質表面產生的電極化現象 第二節(jié)常用光敏傳感器工作原理 六 紅外熱釋電傳感器 2 紅外熱釋電傳感器結構 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報警電路 BISS0001是由運算放大器 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成的數?；旌蠈Ｓ眉呻娐?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成被動式的熱釋電紅外開關 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用電路 RP電位器為靈敏度調節(jié) C7 R8 R10位延時電路 一 光敏傳感器組成光源 光學通路 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 光敏傳感器工作原理把被測量的變化轉換成光信號的變化 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 半導體激光器 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 光敏傳感器的構成 光源 光學通路 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 半導體激光器 光敏傳感器特點 非接觸 響應快 性能可靠 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為輻射式 直射式 吸收式 遮光式 反射式等四種基本形式 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 光電開關已被用作物位檢測 液位控制 產品計數 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 色標檢出以及安全防護等 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)光敏傳感器應用案例 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 光線被遮斷 報警 當有物體遮擋住光線時 傳感器發(fā)出報警信號 起保護 預警等作用 光幕應用 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 產品高度測量 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 長度測量 寬度測量 高度測量 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 光幕用于自動收費系統(tǒng)的車輛檢測 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 木材外形截面積檢測 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 反射型光電開關 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 定區(qū)域反射式光電開關原理 檢測距離 檢測距離 定區(qū)域式光電開關有一個非常確定的檢測區(qū)域 不經過該區(qū)域的被測物體不會引起光電開關產生開關信號 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 請思考如何將光電開關用于衛(wèi)生間的自動沖水設備 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 齒盤每轉過一個齒 光電斷續(xù)器就輸出一個脈沖 通過脈沖頻率的測量或脈沖計數 即可獲得齒盤轉速和角位移 光電斷續(xù)器應用 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 電梯自動運行條件判斷 第三節(jié)光敏傳感器應用案例 人體脈搏檢測應用 第三節(jié)光敏傳感器應用案例