第八篇光电式.pptVIP

学习目标 掌握光电式传感器的基本原理； 了解光敏电阻、光敏晶体管、光电池的光谱特性和将光信号转换成电信号的过程； 明确各种光电式传感器各自特点和应用范围。 第一节 光电效应 光电效应分为内光电效应和外光电效应。 在光线照射时，物体的导电性能发生改变的现象称为内光电效应，如光电二极管、光敏电阻等都属于此类光电器件。 在光线照射时，物体内的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，或称光电发射，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。 在光线照射下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应，如光电池、光敏晶体管等就属于这类光电器件。 光耦合器有金属密封和塑料密封等形式。 目前常见的是塑料密封式，它的光敏元件可以选用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶向管；光敏集成电路等。从而构成多种组合形式。 其输出有开关型和模拟型两种。 2.光断续器 1）直射型光断续器，如图8-16所示，主要用于光电控制和光电计量等电路中及检测物体的有无、运动方向及转速等。 图8-16 直射型光断续器 第七章 热电式传感器 第二节 光电器件 光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器最主要的部件。 一、光敏电阻 （一）光敏电阻的结构及原理 光敏电阻又称光导管，没有极性，是纯电阻器件，使用时既可加直流电，也可以加交流电。 光敏电阻在不受光照射时的阻值称暗电阻，受光照时的电阻称亮电阻。 光敏电阻的暗电阻很大，一般为兆欧级，而亮电阻在几千欧以下。 当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值急剧减少，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度很高。 图8-1为光敏电阻的原理结构图。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。 图8-1 光敏电阻结构 （二）光敏电阻的主要参数 1.暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。 2.亮电阻 光敏电阻在受光照射时的阻值称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 3.光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。 （三）光敏电阻的基本特性 1.伏安特性 在一定光的照射下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图8-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。 图8-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线 2.光谱响应特性 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。图8-3为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头。 图8-3 光敏电阻的光谱特性 3.温度特性 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。 图8-4为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度的升高向波长短的方向移动。 因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。 图8-4 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 二、光敏二极管与光敏三极管 （一）结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似，它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶端，可以直接受到光线照射，如图8-5所示。 图8-5 光敏二极管结构简图和符号 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图8-6所示，在没有光照射时，其电阻很大，反向电流很小，一般为nA级。这反向电流称为暗电流。当有光照射在PN结上时，PN结产生光生电子和光生空穴对，它们在内电场作用下作定向运动，形成光电流，方向与反向电流一致，光的照射强度越大，光电流 图8-6 光敏二极管接线法 越大。因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态，受光照射时处于导通状态。 光敏三极管有两个PN结，其中一个作为受光结，作用相当于一个光敏二极管，具有光敏特性，当加上正常的工作电压时，受光结应该加反向电压，因此，一般均用基极-集电极作为受光结。 光敏三极管实际上相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的三极管。只是它的集电极一边做得很大，以扩大光的照射面积。 大多数光敏三极管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏置，当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子-空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电流，由