光电传感器ppt:《光电传感器》PPT课件.ppt

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光电传感器ppt:《光电传感器》PPT课件.ppt光电传感器heyj内容一、概述二、工作原理三、光电效应四、光电传感器的各种应用五、光电元件实例一、概述光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。概述它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光

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光电传感器 heyj 内容 一、概述 二、工作原理 三、光电效应 四、光电传感器的各种应用 五、光电元件实例 一、概述 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。 概述 它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。 具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。 二、工作原理 原理:是将被测量的变化转换成光量的变化,再通过光电元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置。光电传感器的构成:光源、光学通路、光电元件。 三、光电效应 光电转换器的转换原理是基于物质的光电效应。 半导体光电效应是半导体中束缚电子在吸收光子后所产生的电学效应,即光生电。它是各类光敏器件工作的基本原理。 内光电效应 半导体光电效应 外光电效应 四、光电传感器的各种应用 光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式,即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。 1、辐射式 2、吸收式 3、遮光式 4、反射式 五、光电元件实例 1.光敏电阻 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。 光敏电阻的光照特性 光敏电阻的光照特性用于描述光电流和光照强度之间的关系。不同光敏电阻的光照特性是不相同的。绝大多数光敏电阻的光照特性曲线是非线性的,如图所示。 不同类型光敏电阻光照特性不同,但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件,这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。 优点:光敏电阻具有很高的灵敏度,光谱响应的范围可以从紫外区域到红外区域,而且体积小,性能稳定,价格便宜; 缺点:光照与产生的光电流之间呈非线性关系。 需要外部电源,有电流时会发热。 2、光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件,又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的。它有较大面积的PN结,当光照射在PN结上时,在结的两端出现电动势。 图所示为硅光电池的结构原理、外形及电路符号。它是用单晶硅制成的,在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结,P层很薄,从而使光能穿透到PN结上。 3、其它光电元件 光敏晶闸管 光电三级管 光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流 大几十至几百倍,但相应速度较二极管差。 工作特点 (1)光电转换 (2)电流放大 工作原理 光电开关 光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出,接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。 特征: (1)辨别不透明的反光物体; (2)有效距离大,因为光束跨越感应距离的时间仅一次; (3)不易受干扰,可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中; (4)装置的消耗高,两个单元都必须敷设电缆。 * * 被测物体本身就是辐射源,所发出的光直接照在光电元件上,(或经过一定的光通路照在光电元件上),辐射强度与温度具有一定的关系。 高温计 光源 被测物 光电元件 被吸收的光通量与被测物体的透明度有关。常用来测物体的 混浊度 x 光源 光电元件 光原发出的光经过被测物体时被遮挡部分,使得光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物体在光学通路中的位置有关。 测位移 光源 被测物 光电元件 反射光通量取决于反射表面的性质、状态和光源之间的距离。 表面粗糙度 光敏电阻的光照特性曲线 贴片光敏电阻系列 金属壳光敏电阻系列 Φ4 、Φ5、Φ7、Φ9、Φ11、 Φ12、Φ20、Φ25 光电池 硅光电池 (a) 结构原理;(b) 外形;(c) 电路符号 由于光线的照射,使P区带正电荷,N区带负电荷,从而在两区之间形成电位差,即构成光电池,若接于外电路中就可产生电流。 光敏晶闸管导通后,即使光照消失,

光电传感器ppt:光电传感器ppt

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光电传感器
heyj
内容
一、概述
二、工作原理
三、光电效应
四、光电传感器的各种应用
五、光电元件实例
一、概述
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。
概述
它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。
具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
二、工作原理
原理:是将被测量的变化转换成光量的变化,再通过光电元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置。光电传感器的构成:光源、光学通路、光电元件。
三、光电效应
光电转换器的转换原理是基于物质的光电效应。
半导体光电效应是半导体中束缚电子在吸收光子后所产生的电学效应,即光生电。它是各类光敏器件工作的基本原理。
内光电效应
半导体光电效应
外光电效应
1、外光电效应
半导体内的电子在吸收光子后,如能克服表面势垒逸出半导体表面,就会产生外光电效应。光电管、光电倍增管等就是基于外光电效应制成的光电器件。
爱因斯坦光电效应方程:E=hγ=mυ2/2 +A 光电子能否产生,取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。这就是说,每种物体都有相对应的光频阈值,称为红限频率,用γ0表示γ0=A/h
2、内光电效应
半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体,使物体的电导率发生变化,或产生光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应:
光生伏特效应:
光照射PN结时,若h?≧Eg,使价带中的电子跃迁到导带,而产生电子空穴对,在阻挡层内电场的作用下,少数载流子穿越阻挡层重新分布,使P区带正电,N区带负电,形成光生电动势。如果光照是连续的,经短暂的时间,PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。最后建立一个与光照强度有关的电动势Es。
四、光电传感器的各种应用
光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式,即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。
1、辐射式
2、吸收式
3、遮光式
4、反射式
五、光电元件实例
1.光敏电阻
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。
光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光照特性用于描述光电流和光照强度之间的关系。不同光敏电阻的光照特性是不相同的。绝大多数光敏电阻的光照特性曲线是非线性的,如图所示。
不同类型光敏电阻光照特性不同,但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件,这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。
优点:光敏电阻具有很高的灵敏度,光谱响应的范围可以从紫外区域到红外区域,而且体积小,性能稳定,价格便宜;
缺点:光照与产生的光电流之间呈非线性关系。
2、光电池
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件,又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的。它有较大面积的PN结,当光照射在PN结上时,在结的两端出现电动势。
图所示为硅光电池的结构原理、外形及电路符号。它是用单晶硅制成的,在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结,P层很薄,从而使光能穿透到PN结上。
3、其它光电元件
光敏晶闸管
光电三级管
光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流 大几十至几百倍,但相应速度较二极管差。
工作特点
(1)光电转换
(2)电流放大
工作原理
光电开关
光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出,接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
特征:
(1)辨别不透明的反光物体;
(2)有效距离大,因为光束跨越感应距离的时间仅一次;
(3)不易受干扰,可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中;
(4)装置的消耗高,两个单元都必须敷设电缆。
结束。。。
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光电传感器ppt:光电传感器PPT教案.pptx

会计学
1
光电传感器
第1页/共78页
第十章 光电传感器
1、 概述
2、 各种光电效应
3、 光电器件
第2页/共78页
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。
概 述
第3页/共78页
一、光谱
光波: 波长为10—106nm的电磁波
可见光:波长380—780nm
紫外线:波长10—380nm,
波长300—380nm称为近紫外线
波长200—300nm称为远紫外线
波长10—200nm称为极远紫外线,
红外线:波长780—106nm
波长3μm(即3000nm)以下的称近红外线
波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
光谱分布如图所示。
概 述
第4页/共78页
远紫外
近紫外
可见光
近红外
远红外
极远紫外
0.01
10
5
波长/μm
频率/Hz
光子能量/eV
1015
5×1014
1014
5×1013
100
10
1
50
5
0.5
5×1015
1016
3×1018
νλ=3×1010cm / s
光的波长与频率的关系由光速确定,真空中的光速c=2.×1010cm/s,通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率ν的关系为
ν的单位为Hz,λ的单位为cm。
第5页/共78页
光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知,光是以光速运动着的粒子(光子)流,一束频率为ν的光由能量相同的光子所组成,每个光子的能量为
h——普朗克常数,6.626×10-34J·s;
ν——光的频率(单位s-1)。
可见,光的频率愈高(即波长愈短),光子的能量愈大。
概 述
第6页/共78页
1014
1012
1010
108
106
104
102
1
10-2
10-4
10-6
10-8
10-10
?/?m
声频电磁振荡
无线电波
毫米波
红外光
紫外光
X射线
?射线
宇宙射线
?/nm
1?106
4?104
6?103
1.5?106
770
622
597
577
492
455
390
300
200
10
极远






绿




极远



电磁辐射波谱
概 述
第7页/共78页
光源(发光器件)
1.白炽光源
用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通,一般白炽灯的辐射光谱是连续的。
发光范围:可见光、大量红外线和紫外线,所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点:寿命短而且发热大、效率低、动态特性差,但对接收光敏元件的光谱特性要求不高,是可取之处。
概 述
第8页/共78页
2.气体放电光源
定义:利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。
气体放电灯的光谱是不连续的,光谱与气体的种类及放电条件有关。
改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小,可得到主要在某一光谱范围的辐射。
光源(发光器件)
概 述
第9页/共78页
3.发光二极管(LED—Light Emitting Diode)
由半导体PN结构成,其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻,因此获得了广泛的应用。
半导体中,由于空穴和电子的扩散,在PN结处形成势垒,从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正
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1、第10章 光电传感器 检测与转换技术 第十章 光电传感器 1 1、 概述概述 2 2、 各种光电效应各种光电效应 3 3、 光电器件光电器件 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元 件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号 的器件。 概概 述述 一、光谱一、光谱 光波:光波: 波长为波长为 6nmnm的电磁波的电磁波 可见光:可见光:波长波长nm780nm 紫外线:紫外线:波长波长nm380nm, 波长波长nm380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长nm300nm称为远紫外线称

2、为远紫外线 波长波长nm200nm称为极远紫外线,称为极远紫外线, 红外线:红外线:波长波长 6nmnm 波长波长3m3m(即(即3000nm3000nm)以下的称近红外线)以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。光谱分布如图所示。 概概 述述 远紫外 近紫外 可见光近红外远红外极远紫外 0.01 10 5 波长/m 频率/Hz 光子能量/eV 1015 1014 5050.5 1016 =cm / s 光的波长与频率

3、的关系由光速确定,真空中的光速c=2.cm/s,通常 ccm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz,的单位为cm。 hE 概概 述述 1014 1012 1010 108 106 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 /m 声频电磁振荡 无线电波 毫米波 红外光 紫外光 X射线 射线 宇宙射线 /nm 1106 4104 6103 1.5106 770 622 597 577 492 455 390 300 200 10 极远 远 中 近 红 橙 黄 绿 蓝 紫 近 远 极远 可 见 光 电磁辐射波谱 概概 述述 1.1.白炽光

4、源 发光范围: 特点: 概概 述述 概概 述述 3.3.发光二极管 概概 述述 概概 述述 光敏器件种类很多: : 光信号光信号 光电传感器光电传感器 电信号电信号 概概 述述 光光 电电 鼠鼠 标标 概概 述述 光电开关 概概 述述 第一节 光电效应 光电效应可分为: 外光电效应 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应 定义:是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量,从而产生的电效 应。光电传感器的工作原理基于光电效应。 (1)外光电效应 在光线作用下,电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 每个光子具有的能量是: Eh 普朗克常数( ) 光的频率(Hz),波长短,频率高,能量大 J.

5、S h 入射光的频谱成分 不变时,产生的光电子与光强成正比。 第一节 光电效应 由能量守恒定律有: 2 0 1 2 EhmvA 爱因斯坦光爱因斯坦光 电效应方程电效应方程 A A 电子的逸出功; 2 0 1 2 mv 一个电子逸出的动能(能量); 根据爱因斯坦假设,一个电子只能接受一个光子的能量,所以要使一个电子从物体表面逸出,必 须使光子的能量大于该物体的表面逸出功,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。 光照射物体时,物体中电子吸收入射光子的能量E E ,当物体吸入的能量超出逸出功A A时电子就会 逸出物体表面,产生光电子发射。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。 能否产生光电效应,取决于光

6、子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。 (1)外光电效应 第一节 光电效应 1. 外光电效应 在光线作用下,电子从物体表面逸出的 物理现象 外光电效应动画演示 u光电导效应: 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应 基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。 (2)内光电效应 第一节 光电效应 当光照射在物体上,使物体的电阻率发生变化,或产生光生电动势的现象叫 做内光电效应,它多发生于半导体内。根据工作原理的不同,内光电效应分为光电 导效应和光生伏特效应两类: 2、内光电效应 光电导效应 光敏晶体管效应 光生伏特效应 内光电效应动画演示 在光线作用下,物体电导性能发生变化或产生一定方向电动势的

7、现象 过程:当光照射到半导体材料上时,价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光 子轰击,并使其由价带越过禁带跃入导带,如图,使材料中导带内的电子和价带内的 空穴浓度增加,从而使电导率变大。 导带 价带 禁带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带 Eg u光生伏特效应: 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后,在PNPN结上产生电动势的效应。 下面分两种情况讨论: PN 电子电子 空穴空穴 - - - - - - + + + + + + - -+ + 光源 (2)内光电效应 第一节 光电效应 当光照射在PNPN结时,如果电子能量大于半导体禁带宽度(E0 E0 EgEg), ,可激

8、发出电子空穴对在PNPN结内电场作用下空穴移向P P区,而电子移向N N区使P P区 和N N区之间产生电压,这个电压就是光生电动势. . 基于这种效应的器件有光电池 PN 电子电子 空穴空穴 - - - - - - + + + + + + - -+ + 光源 (2)内光电效应 第一节 光电效应 处于反偏时的PNPN结: 无光照时,反向电阻很大,反向电流很小; 有光照时,光子能量足够大产生光生电子空穴对,在PNPN结电场作用下,电子 N N,空穴 P P运动,形成光电流; 光电二极管一般反向连接。 电流方向与反向电流一致, 光照越大光电流越大。 具有这种性能的器件有: 光敏二极管、光敏晶体管

9、从原理上讲,不加偏压的 光电二极管就是光电池。 E E PN 电子电子 空穴空穴 - - - - - - + + + + + + - -+ + 光源 I I (2)内光电效应 第一节 光电效应 第二节 光电器件 光通量(F,Flux),单位流明,即lm。 定义:光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发 光通量 解释:同样,这个量是对光源而言,是描述光源发光 总量的大小的,与光功率等价。光源的光通量越大,则 发出的光线越多 第二节 光电器件 光照度(E,Illuminance),单位勒克斯即lx 。 定义:1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产 生的光照度 解释:光照度是对被照地点而言的,但

10、又与被照射物 体无关。一个流明的光,均匀射到1m2的物体上,照度 就是1 lx。 第二节 光电器件 (1)光电管 光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管,内部有光阴极、阳极,光阴极涂有光 敏材料,当光线照射在光敏材料上时,如果光子的能量E E大于电子的逸出功A A(E EA A), 会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引,在光电管内形成电子流, 电流在回路电阻 R R上 产生正比于电流大小的压降。 R UI 光强 入射光的频谱成分不变时,产生的光电子与光强成正比。 真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性 第二节 光电器件 (1)光电管 主要用于:分光光度计、 光电比色计等分析仪器

11、和各种自动装置。 第二节 光电器件 (1)光电管 (2)光电倍增管 光照很弱时,光电管产生的电流很小,为提高灵敏度常常 使用光电倍增管。 如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换 元件。 光电倍增管是利用二次电子释放效应,高速电子撞击固体 表面,发出二次电子,将光电流在管内进行放大。 第二节 光电器件 光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极(1010个左右),在阳极和阴 极之间加有几百上千伏的高压,每个倍增极间有V200V高压; 光电倍增管 的电流增益在数量极。倍增极外加电压U Ud d与增益G G的关系近似为: 式中: 常数 倍增极数 K N N

12、 d GKU 光电倍增管外形及工作原理示意图 (2)光电倍增管 第二节 光电器件 (2)光电倍增管 第二节 光电器件 (3)光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应 . . 结构:在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质,两端有梳状金属电极,然后在半导体上覆盖一层漆 膜。 光敏电阻工作原理示意图 第二节 光电器件 当在黑暗的环境下,光敏电阻的阻值(暗电 阻)很大,电路中电流很小。当受到光照,并且 光辐射能量足够大时、光导材料禁带中的电子 受到能量大于其禁带宽度的光子激发,由价带 越过禁带而跃迁到导带,便使导带的电子和价 带的空穴增加,电导率变大,电路中电流迅速 增加,用电流表可以测量出电流。

13、根据电流值 的变化,即可推算出照射光强的大小。 光敏电阻工作原理示意图 (3)光敏电阻 第二节 光电器件 当光敏电阻受到光照 时, 阻值减小。 (3)光敏电阻 第二节 光电器件 光敏电阻光照特性 无光照时,内部电子被原子束缚,具有很高的电阻值; 有光照时,电阻值随光强增加而降低; 光照停止时,自由电子与空穴复合,电阻恢复原值。 光敏电阻主要参数 暗电阻 无光照时的电阻; 暗电流 无光照时的电流; 亮电阻、亮电流 受光照时的阻值、电流; 光电流 亮电流与暗电流之差称光电流 。 (3)光敏电阻 第二节 光电器件 光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时,光生 电子空穴对增加,阻值减小,电 流

14、增大。 暗电流(越小越好) (3)光敏电阻 第二节 光电器件 伏安特性 给定偏压 光照越大光电流越大; 给定光照度 电压越大光电流越大; 光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和, 但受最大功耗限制。 光照度 单位面积的光通量 温度特性 温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。 温度T T ,波长变短。 光敏电阻温度特性光敏电阻温度特性 (3)光敏电阻 第二节 光电器件 应用:溶液浓度检测系统应用:溶液浓度检测系统 溶液浓度检测系统 (3)光敏电阻 第二节 光电器件 工作原理工作原理 溶液浓度检测系统的光电式传感器部分,变压器的两个副边 绕组以及两只光敏电阻作为检测电桥的四个个桥臂。用相

15、同强度 的光通过被测溶液和标准溶液,分别照射在两只光敏电阻上,当 两只光敏电阻上所感受到的光的强度一致时,两只光敏电阻呈现 同样的阻值,电桥平衡,光电传感器无信号输出,这时被测溶液 和标准溶液浓度是相同的。 如被测溶液浓度变化时,透过溶液的两束光强度不一样,两 只光敏电阻呈现不同的阻值,使电桥不平衡,有输出信号,该信 号经晶体管放大后,送给指示仪表显示,或带动伺服电机进行自 动调整。 (3)光敏电阻 第二节 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管 光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。 特点:响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高; ; 广泛应用于可见光和远红外探测,以及自动控制、自动

16、报警、自动计数等领 域和装置。 电梯平层用光电开关电梯平层用光电开关 光电开关器件光电开关器件 第二节 光电器件 光敏二极管结构与一般二极管相似,它们都有一个PNPN结, 并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积 受光,PNPN结面积比一般二极管大。 注:发光二极管与光敏二极管不同,发光二极 管利用固体材料发光(电致发光),材料不同 发光颜色不同,是一种将电能转换为光能的器 件,加正向电压时,在N-PN-P的电子、空穴结合 过程中发射一定频率的光信号。工作时加正向 电压。 (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 光敏二极管光敏二极管 将光敏二极管的PN 结设置 在透明管壳

17、顶部的正下方,光照 射到光敏二极管的PN结时,电 子-空穴对数量增加,光电流与 照度成正比。 (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 工作原理: 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态, 无光照时,反向电阻很大, 反向电流很小; 有光照时,PNPN结处产生光生 电子空穴对; 在电场作用下形成光电流, 光照越强光电流越大; 光电流方向与反向电流一致。 R R E E DgDg (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示 在没有光照时,由于二 极管反向偏置,反向电流 (暗电流)很小。 当光照增加时,光 电

18、流I与光照度成正比关 系。 光敏二极管 的反向偏置 接法 UO + 光照 (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 v 基本特性: 光照特性 图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线 性关系。 光谱特性, 当入射波长0.9m0.9m时响应下降, 因波长长光子能量小于禁带宽度, 不产生电子、空穴对; 当入射波长0.9m0.9m时,响应也逐 渐下降,波长短的光穿透深度小, 使光电流减小。 (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 伏安特性 当反向偏压较低时,光电流随电压变化 比较敏感,随反向偏压的加大,反向电流趋 于饱和,这时光生电流与所加偏压几乎无关, 只取决于

19、光照强度。 温度特性 由于反向饱和电流与温度密切有关,因此 光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。 (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 与普通晶体管不同的是,光敏晶体管是将基极集电极结作为光敏二极管,集电结做受光结,另外集电极 的尺寸做的很大,以扩大光照面积。 大多数光敏晶体管的基极无引线,无论NPNNPN、PNPPNP一般集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔,让光照射到基 区。 NNP c c b b e e (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 硅(SiSi)光敏晶体极管一般都是NPNNPN结构,光照射在集电 结的基区,

20、产生电子、空穴,光生电子被拉向集电极,基区 留下正电荷(空穴),使基极与发射极之间的电压升高,这 样,发射极便有大量电子经基极流向集电极,形成三极管输 出电流,使晶体管具有电流增益。 在负载电阻RLRL上的输出电压为: 0 g L Vi R 晶体管电流放大系数 NNP c c b b e e (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似,有电流增益,灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管 的基极没有引出线,只有正负(c、e)两个引脚,所以其外型与光敏二极管相似,从外观上很难区别。 (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 光电耦合器 光电耦合

21、器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转 换元件。 绝缘玻璃发光二极管 透明绝缘体 光敏三极管 塑料发光二极管 光敏三极管透明树脂 1. 光电耦合器的结构 采用金属外壳和玻璃绝缘的结构,在其中 部对接,采用环焊以保证发光二极管和光 敏二极管对准,以此来提高灵敏度。 (a)金属密封型 (b)塑料密封型 采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先 装于管脚上,中间再用透明树脂固定,具有 集光作用,故此种结构灵敏度较高。 2. 2. 光电耦合器的组合形式光电耦合器的组合形式 光电耦合器的组合形式有多种,如图4.4-7所示。 (a) (b) (c) (d) 光电耦合器的组合形式 该形

22、式结构简单、成本低,通常用于50kHz以下工作频率 的装置内。 该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频 率的装置中。 该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合 器,适用于直接驱动和较低频率的装置中。 该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。 (5)光电池(有源器件) 光电池工作原理也是基于光生伏特效应,可以直接将光能转换成电能的器 件。有光线作用时就是电源,太阳能电池,所以广泛用于宇航电源,另一类 用于检测和自动控制等。 光电池种类很多,有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等 等。硒、硅光电池转换效率高、价廉;砷化镓材料的光谱响应与太阳光谱吻

23、 合、耐高温和宇宙射线。 光光 电电 池池 符符 号号 第二节 光电器件 光电池光电池外形外形 光敏面 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 结构:光电池实质是一个大面积PNPN结,上电极为栅状受光电极,下面有一抗 反射膜,下电极是一层衬底铝。 原理:当光照射PNPN结的一个面时,电子空穴对迅速扩散,在结电场作用 下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压50mA50mA电流。 光电池结构 光电池工作原理图 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 光照特性 开路电压光生电动势与照度之间关系;开路电 压与光照度关系是非线性关系,开路电压在照度 20

24、00lx2000lx趋于饱和,非线性。 短路电流光电流与照度之间关系称短路电流曲 线,短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光 电流。 实验证明,RLRL小线性范围好,具体根据光照大小 而定,通常RL100 RL100 作控制元件时当电流源使用。 光电池光照与负载的关系 光电池光照特性 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 v光电池电路连接 光电池作为电源使用时的不同连接; ; 需要高电压时应将光电池串联使用; 需要大电流时应将光电池并联使用. . 硅管的发射结导通电压为0.6V0.6V0.7V0.7V,光电池的0.5V 0.5V 电压起不到控制作用, 可将两个光电池串联后接入基极,或用偏

25、压电阻、二极管产生附加电压。有光照 度变化时, 引起基极电流IbIb变化,集电极电流发生倍的变化。电流IcIc与光照 近似线性关系。 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 光电池作为能源来使用 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用 太阳能赛车 太阳能电动机模型 太阳能 硅光 电池板 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 太阳能发电 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 CCD数码摄像机数码摄像机 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 光电池在人造卫星上的应用 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 CCD数码显微镜

26、数码显微镜拍摄的金属表拍摄的金属表 面显微照片面显微照片 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 一、烟尘浊度监测仪一、烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染,首先要知 道烟尘排放量,因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘 浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加,光 源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加,到达光检测器的光减少,因而光检测器 输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。 光电传感器的应用举例光电传感器的应用举例 平行 光源 光电 探测 放大显示 刻度 校正 报警器 吸收式烟尘浊度检测系统原理图 烟

27、道 二、光电转速传感器二、光电转速传感器 23 1 2 3 1 (a)(b) 光电数字式转速表工作原理图 下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速 调置盘,在调置盘一边由白炽灯产生恒定光,透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电 转换器上,转换成相应的电脉冲信号,经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号,转速由 该脉冲频率决定。 在待测转速的轴上固定一个涂 上黑白相间条纹的圆盘,它们 具有不同的反射率。当转轴转 动时,反光与不反光交替出现, 光电敏感器件间断地接收光的 反射信号,转换为电脉冲信号。 光电式转速测量动画演示光电式转速测量动画演示 光电式转速表原理图光电式

28、转速表原理图 被测旋转物被测旋转物 遮光罩遮光罩 放大整放大整 形电路形电路 频率计频率计 电路电路 显示显示 器器 时基电路时基电路 n 由透镜、光源、光敏二极管和遮光罩组成光电开关由透镜、光源、光敏二极管和遮光罩组成光电开关 反光纸反光纸 透镜透镜 光源光源 光敏二极管光敏二极管 透镜透镜 1 1太阳电池电源太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。 如果还需要向交流负载供电,则加一个直流交流变换器,太阳电池电源系统框图如 图。 调节控制器 逆变器 交流负载 太阳 电池 方阵 直流负载 太阳能电池电源系统 阻塞二极管 第十章 光电传感器 1 1、

29、 概述概述 2 2、 各种光电效应各种光电效应 3 3、 光电器件光电器件 1014 1012 1010 108 106 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 /m 声频电磁振荡 无线电波 毫米波 红外光 紫外光 X射线 射线 宇宙射线 /nm 1106 4104 6103 1.5106 770 622 597 577 492 455 390 300 200 10 极远 远 中 近 红 橙 黄 绿 蓝 紫 近 远 极远 可 见 光 电磁辐射波谱 概概 述述 (1)外光电效应 在光线作用下,电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 每个光子具有的能量是: Eh 普

30、朗克常数( ) 光的频率(Hz),波长短,频率高,能量大 J.S h 入射光的频谱成分 不变时,产生的光电子与光强成正比。 第一节 光电效应 光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极(1010个左右),在阳极和阴 极之间加有几百上千伏的高压,每个倍增极间有V200V高压; 光电倍增管 的电流增益在数量极。倍增极外加电压U Ud d与增益G G的关系近似为: 式中: 常数 倍增极数 K N N d GKU 光电倍增管外形及工作原理示意图 (2)光电倍增管 第二节 光电器件 硅(SiSi)光敏晶体极管一般都是NPNNPN结构,光照射在集电 结的基区,产生电子、空穴

31、,光生电子被拉向集电极,基区 留下正电荷(空穴),使基极与发射极之间的电压升高,这 样,发射极便有大量电子经基极流向集电极,形成三极管输 出电流,使晶体管具有电流增益。 在负载电阻RLRL上的输出电压为: 0 g L Vi R 晶体管电流放大系数 NNP c c b b e e (4) 光敏二极管和光敏三极管 第二节 光电器件 结构:光电池实质是一个大面积PNPN结,上电极为栅状受光电极,下面有一抗 反射膜,下电极是一层衬底铝。 原理:当光照射PNPN结的一个面时,电子空穴对迅速扩散,在结电场作用 下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压50mA50mA电流。 光电池结构 光电池工作原理图 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 CCD数码摄像机数码摄像机 (5)光电池(有源器件) 第二节 光电器件 平行 光源 光电 探测 放大显示 刻度 校正 报警器 吸收式烟尘浊度检测系统原理图 烟道

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