光电传感器上课件.ppt
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1、机械工机械工业业出版社出版社中等中等职业职业教育教育电电气气类规类规划教材划教材 自自动检测动检测与与转换转换技技术术第十章第十章光光电传电传感器感器20141151/4/20231.第十章第十章 光光电传电传感器感器在在这这一一章章里里,卡卡卡卡要要给给大大家家简简单单介介绍绍光光电电效效应应,着着重重讲讲解解光光电电元元件件的的原原理理、分分类类、特特性、性、电电路接路接线线以及光以及光电传电传感器的感器的应应用。用。光光电传电传感器的最大特点是非接触感器的最大特点是非接触测测量。量。1/4/20232.1860年年,英英国国物物理理学学家家麦麦克克斯斯韦韦建建立立了了电电磁磁理理论论,认
2、认识识到到光光是是一一种种电电磁磁波波。1905年年,德德国国物物理理学学家家爱爱因因斯斯坦坦用用光光量量子子学学说说解解释释了了光光电电发发射射效效应应,并并为为此此而而获获得得1921年年诺贝诺贝尔尔物理学物理学奖奖。1/4/20233.第一第一节节 光光电电效效应应及光及光电电元件元件 用光照射某一物体,可以看作物体用光照射某一物体,可以看作物体受到受到一一连连串能量串能量为为hf 的光子的的光子的轰击轰击,组组成成这这物体的材料吸收光子能量而物体的材料吸收光子能量而发发生相生相应应电电效效应应的物理的物理现现象称象称为为光光电电效效应应。外光外光电电效效应应:在光:在光线线的的作用下能
3、作用下能使使电电子逸出物体表子逸出物体表面面的的现现象称象称为为外光外光电电效效应应,基于外光基于外光电电效效应应的光的光电电元件元件有有紫外光紫外光电电管、光管、光电电倍增管、倍增管、光光电摄电摄像管等。像管等。1/4/20234.紫外光紫外光电电管外形管外形 当入射紫外当入射紫外线线照射在紫外管照射在紫外管阴阴极板上极板上时时,电电子克子克服金属表面服金属表面对对它的它的束束缚缚而而逸出金属表逸出金属表面,形成面,形成电电子子发发射射。紫外管多用于紫外管多用于紫外紫外线测线测量量、火焰火焰监测监测等。等。紫外紫外线线1/4/20235.光敏光敏电电阻阻 当光敏当光敏电电阻受到阻受到光照光照
4、时时,阻阻值值减小。减小。1/4/20236.光敏光敏电电阻阻原理演示原理演示 当光敏当光敏电电阻阻受到光受到光照照时时,光生光生电电子子-空穴空穴对对增加增加,阻阻值值减小减小,电电流流增大增大。暗暗电电流(越小越好)流(越小越好)光照光照变变化化产产生的生的电电流流称称为为暗暗电电流流1/4/20237.光敏二极管光敏二极管将光敏二极管的将光敏二极管的PN结设结设置在透明管置在透明管壳壳顶顶部的正下方,部的正下方,光光照射到光敏二极管的照射到光敏二极管的PN结结时时,电电子子-空穴空穴对对数量增加数量增加,光光电电流流与照度成正比与照度成正比。1/4/20238.光敏二极管外形光敏二极管外
5、形光敏二极管光敏二极管阵阵列列包含包含1024个个InGaAs元件的元件的线线性光性光电电二极管二极管阵阵列,可用于分光列,可用于分光镜镜。1/4/20239.红红外外发发射、接收射、接收对对管外形管外形红红外外发发射管射管红红外接收管外接收管1/4/202310.光敏二极管的反向光敏二极管的反向偏置接法偏置接法 在没有光照在没有光照时时,由,由于于二极管反向偏置,所二极管反向偏置,所以反向以反向电电流很小流很小,这时这时的的电电流流称称为为暗暗电电流流,相,相当于普通二极管的反向当于普通二极管的反向饱饱和漏和漏电电流。当光照射流。当光照射在二极管的在二极管的PNPN结结(又称(又称耗尽耗尽层
6、层)上)上时时,在在PNPN结结附近附近产产生的生的电电子子-空穴空穴对对数量也随之增加数量也随之增加,光光电电流也相流也相应应增大增大,光光电电流与照度成正比流与照度成正比。1/4/202311.光敏二极管的反向偏置接光敏二极管的反向偏置接线线(参考上(参考上页图页图)及光)及光电电特性演示特性演示 在在没有光照没有光照时时,由于二,由于二极管反向偏置,极管反向偏置,反向反向电电流流(暗(暗电电流)很小流)很小。当当光照增加光照增加时时,光光电电流流I与光照度成正与光照度成正比比关系。关系。光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照1/4/202312.光敏三极管光敏三极
7、管 光敏三极管有两光敏三极管有两个个PN结结。与普通。与普通三极管相似,三极管相似,有有电电流增益,灵敏度比光流增益,灵敏度比光敏二极管高敏二极管高。多数光敏三极管的。多数光敏三极管的基极没基极没有引出有引出线线,只有正只有正负负(C、E)两个引脚,两个引脚,所以其外型与光敏二极管相似,从外所以其外型与光敏二极管相似,从外观观上很上很难难区区别别。1/4/202313.光敏三极管外形光敏三极管外形1/4/202314.光敏三极管内部光敏三极管内部结结构构a)内部内部组组成成b)管芯管芯结结构构c)结结构构简简化化图图1集集电电极引脚极引脚2管芯管芯3外壳外壳4玻璃聚光玻璃聚光镜镜5发发射极引脚
8、射极引脚6N+衬衬底底7N型集型集电电区区8SiO2保保护护圈圈9集集电结电结10P型基区型基区11N型型发发射区射区12发发射射结结 1/4/202315.硅光敏晶体管硅光敏晶体管的光的光谱谱特性特性电电磁波磁波频谱频谱1/4/202316.光敏二极管、三极管的光光敏二极管、三极管的光电电特性比特性比较较0光照光照光光电电流流光敏光敏三三极管极管光敏光敏二二极管极管3000lx4mA请请判断判断光敏二极管、光敏二极管、三极管的三极管的灵敏度灵敏度孰高孰低孰高孰低0.3mAIE1/4/202317.基于光生伏特效基于光生伏特效应应的光的光电电元件元件光光电电池池 在在N型型衬衬底上制造一底上制
9、造一薄薄层层P型型层层作作为为光光照敏感面,就构成最照敏感面,就构成最简单简单的光的光电电池。当入池。当入射光子的能量足射光子的能量足够够大大时时,P型区每吸收一个型区每吸收一个光子就光子就产产生一生一对对光生光生电电子子-空穴空穴对对,光生光生 电电子子-空穴空穴对对的的的的扩扩散运散运动动使使电电子通子通过过漂移运漂移运动动被拉到被拉到N型区,型区,空穴留在空穴留在P区区,所以,所以N区区带负电带负电,P区区带带正正电电。如果光照是。如果光照是连续连续的,的,经经短短暂暂的的时间时间,PN结结两两侧侧就有一个就有一个稳稳定的定的光生光生电动势输电动势输出。出。1/4/202318.基于光生
10、伏特效基于光生伏特效应应的光的光电电元件元件光光电电池池新型的硅光新型的硅光电电池池是在是在P型型衬衬底上制底上制造一造一薄薄层层N型型层层作作为为光照敏感面,效光照敏感面,效率更高。率更高。N N型区每吸型区每吸收一个光子就收一个光子就产产生生一一对对光生光生电电子子-空穴空穴对对。空穴通空穴通过过漂移漂移运运动动被拉到被拉到P型区,型区,带带正正电电;电电子留在子留在N区,区,带负电带负电。1/4/202319.光光电电池池外形外形光敏面光敏面1/4/202320.能提供能提供较较大大电电流的流的大面大面积积光光电电池池外形外形1/4/202321.光光电电池池串串联联,能提高,能提高电压
11、电压;并并联联,可以提高,可以提高输处电输处电流流每一片光每一片光电电池的最大池的最大输输出出电压约为电压约为0.6V,每平方米,晴天的每平方米,晴天的输输出出电电流流约为约为10A。1/4/202322.太阳能太阳能组组件件1/4/202323.其他其他光光电电池及在照度池及在照度测测量中的量中的应应用用柔光罩下面柔光罩下面为圆为圆形光形光电电池池1/4/202324.光光电电池在池在动动力方面的力方面的应应用用太阳能太阳能赛车赛车太阳能太阳能电风电风扇扇太阳能太阳能硅硅光光电电池板池板1/4/202325.光光电电池在池在动动力方面的力方面的应应用(用(续续)住宅太阳能供住宅太阳能供电电1
12、/4/202326.光光电电池在池在动动力方面的力方面的应应用(用(续续)嫦娥一号上的光嫦娥一号上的光电电池板池板1/4/202327.光光电电池的光池的光电电特性特性 一个典型的硅光一个典型的硅光电电池的光池的光电电特性特性 1 1开路开路电压电压曲曲线线 2 2短路短路电电流曲流曲线线 开路开路电压电压为为对对数特性数特性短路短路电电流流为为线线性特性性特性1/4/202328.第二第二节节 光光电电元件的基本元件的基本应应用用电电路路一、光敏一、光敏电电阻的基本阻的基本应应用用电电路路 a)U与光照与光照变变化化趋势趋势相同相同的的电电路路b)U与光照与光照变变化化趋势趋势相反相反的的电
13、电路路 1/4/202329.二、光敏二极管二、光敏二极管应应用用电电路路 利用反相利用反相器可将光敏二器可将光敏二极管的极管的输输出出电电压转换压转换成成TTL电电平。平。当光照增加,当光照增加,Ui(1/2)VDD时时,反相器翻,反相器翻转转,输输出出变为变为什么什么电电平平?1/4/202330.光敏三极管光控光敏三极管光控继电继电器器电电路路当无光照当无光照时时,V1截止截止,I=0,则则V2处处于什么于什么状状态态?继电继电器器KA吸合吸合还还是是释释放放?如果将?如果将V1与与R b2位置位置上下上下对调对调,请请画出画出电电路,并分析工作路,并分析工作过过程。程。1/4/2023
14、31.五、光五、光电电池的池的应应用用电电路路光光电电池短路池短路电电流流测测量量电电路路 I/U 转换电转换电路的路的输输出出电压电压Uo与光与光电电流流I成正成正比比。若光。若光电电池用于微光池用于微光测测量量时时,I可能可能较较小,小,则则应应增加一增加一级级放大放大电电路,并在第二路,并在第二级级使用使用电电位器位器RP微微调总调总的放大倍数。的放大倍数。1/4/202332.第三第三节节 光光电传电传感器的感器的应应用用 、光源本身是被、光源本身是被测测物的物的应应用用实实例例 光的照度光的照度E的的单单位是位是lx(勒勒克斯克斯),它是常),它是常用的光度学用的光度学单单位位之一,
15、它之一,它表示受表示受照物体被照亮程照物体被照亮程度度的物理量,可的物理量,可以用以用照度照度计计来来测测量。量。光光电电池池(外加柔(外加柔光罩)光罩)1/4/202333.1.1.红红外外线辐线辐射温度射温度计计:红红外外辐辐射温度射温度计计既可用于高温既可用于高温测测量,量,又可用于冰点以下的温度又可用于冰点以下的温度测测量,所以是量,所以是辐辐射温度射温度计计的的发发展展趋势趋势。市售的。市售的红红外外辐辐射温射温度度计计的温度范的温度范围围可以从可以从-30-3030003000,中中间间分成若干个不同的分成若干个不同的规规格,可根据需要格,可根据需要选择选择适合的型号。适合的型号。
16、1/4/202334.红红外外线辐线辐射温度射温度计计外形外形 激光激光仅仅 用于瞄准用于瞄准1/4/202335.红红外外线辐线辐射温度射温度计计外形外形 红红外外线辐线辐射温度射温度计计用于食品温度用于食品温度测测量量1/4/202336.红红外外线辐线辐射温度射温度计计的使用的使用1/4/202337.红红外外线辐线辐射温度射温度计计在非接触体温在非接触体温测测量中的量中的应应用(用(续续)1/4/202338.红红外外线辐线辐射温度射温度计计在非接触体温在非接触体温测测量中的量中的应应用用耳温耳温仪仪1/4/202339.红红外外线辐线辐射温度射温度计计用于人体用于人体额额温温测测量量
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