第10章 光电式传感器优秀PPT.ppt

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1、第第1010章章 光电式传感器光电式传感器现在学习的是第1页，共54页第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。信号。光电式传感器的物理基础是光电效应。光电式传感器的物理基础是光电效应。8.1 8.1 光电效应光电效应 8.2 8.2 光电器件光电器件 8.3 8.3 光电式传感器的应用光电式传感器的应用 现在学习的是第2页，共54页8.1 8.1 光电效应光电效应外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应:在

2、在光光线线作作用用下下使使物物体体的的电电子子逸逸出出表表面面向向外外发发射射的的现现象象。如光电管、光电倍增管如光电管、光电倍增管.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 光子能量必须超过逸出功光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；，才能产生光电子；光子能量等于逸出功光子能量等于逸出功A0，红限频率，红限频率现在学习的是第3页，共54页内光电效应内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或发生变化，或产生光生电动势的现象产生光生电动势的现象 光电导效应光电导效应在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻在光线作用下能使物体电阻率改变的

3、现象，如光敏电阻阻挡层光电效应阻挡层光电效应(光生伏特效应光生伏特效应):):在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等如光电池、光敏晶体管等现在学习的是第4页，共54页8.2 8.2 光电器件光电器件8.2.1 光电管光电管8.2.2 光电倍增管光电倍增管8.2.3 光敏电阻光敏电阻8.2.4 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管8.2.5 光电池光电池现在学习的是第5页，共54页8.2.1 8.2.1 光电管光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，

4、电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。产生了电流。现在学习的是第6页，共54页真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管:构造和真空光电管基本相同，所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体构造和真空光电管基本相同，所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体优点：优点：灵敏度提高灵敏度提高缺点：缺点：随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差 伏安特性伏安特性伏安特性：伏安特性：当入射光的频谱及光通

5、量一定时，阳极电压与阳极电流之间的关当入射光的频谱及光通量一定时，阳极电压与阳极电流之间的关系系现在学习的是第7页，共54页光电特性光电特性光电特性光电特性阳极电压一定时，阳极电压一定时，光电管的电流与入射的光通光电管的电流与入射的光通量之间的关系量之间的关系曲线曲线1 1：氧铯阴极氧铯阴极曲线曲线2 2：锑铯阴极锑铯阴极光电管的灵敏度：光电流与光电管的灵敏度：光电流与入射光光通量之比（光电特入射光光通量之比（光电特性曲线的斜率）性曲线的斜率）光电管的光电特性光电管的光电特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.51现在学习的是第8页，共54页光谱特性光谱特性u光谱

6、特性：光谱特性：保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系。光波长之间的关系。u对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。极。白光光源，用锑铯材料制成阴极；白光光源，用锑铯材料制成阴极；红外光源，常用银氧铯阴极；红外光源，常用银氧铯阴极；紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极现在学习的是第9页，共54页8.2.2 8.2.2 光电倍增管光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管作用：光电倍增管作

7、用：放大光电流放大光电流组成：组成：光电阴极光电阴极+若干倍增极若干倍增极+阳极阳极 现在学习的是第10页，共54页光电倍增管工作原理光电倍增管工作原理原理：原理：光光 阴极阴极 光电倍增极光电倍增极 阳极阳极 电流电流倍增极上电位逐级升高，阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，且倍增极上电位逐级升高，阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，且倍增极倍增极由次级发射材料制成，在电子轰击下，能产生更多的由次级发射材料制成，在电子轰击下，能产生更多的“次级电子次级电子”引起二引起二次电子发射次电子发射 二次电子发射系数二次电子发射系数 =二次发射电子数入射电子数二次发射电子数入射电子数若倍增极有若倍增极

8、有n极，极，每极倍增系数相同，每极倍增系数相同，则倍增率为则倍增率为n特点：特点：光电流大，灵敏度高光电流大，灵敏度高现在学习的是第11页，共54页8.2.3 8.2.3 光敏电阻光敏电阻一、一、光敏电阻的工作原理及结构光敏电阻的工作原理及结构二、光敏电阻的主要参数二、光敏电阻的主要参数三、光敏电阻的基本特性三、光敏电阻的基本特性现在学习的是第12页，共54页一、光敏电阻的工作原理及结构一、光敏电阻的工作原理及结构原理：电阻器件，加直流偏压，无极性原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照无光照电子电子-空穴对很少空穴对很少电阻大电阻大(暗电阻暗电阻)电路中电流很小电路中电流很小 有光照有光照

9、电子电子-空穴对增多空穴对增多导电性增强导电性增强电流迅速增加电流迅速增加现在学习的是第13页，共54页光敏电阻演示 当光敏电阻当光敏电阻受到光照时，受到光照时，光光生电子生电子空穴对空穴对增加，增加，阻值减小，阻值减小，电流增大。电流增大。暗电流暗电流（越小越好）（越小越好）现在学习的是第14页，共54页光敏电阻的结构光敏电阻的结构 1.玻璃玻璃，2.光电导层光电导层 3.电极，电极，4.绝缘衬底绝缘衬底5.金属壳，金属壳，6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃 7.引线引线p结构：结构：金属或者塑料封装金属或者塑料封装-防防潮潮p特点：特点：灵敏度高，光谱特性好，灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外

10、区一直到红外光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性区。而且体积小、重量轻、性能稳定能稳定 p材料：材料：金属硫化物、硒化物、碲金属硫化物、硒化物、碲化物。化物。现在学习的是第15页，共54页光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时，阻值减小。阻值减小。现在学习的是第16页，共54页半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。梳梳状状电电极极 现在学习的是第17页，共54页二、光敏电阻的主要参数二

11、、光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流）暗电阻和暗电流 光光敏敏电电阻阻在在室室温温条条件件下下，在在全全暗暗后后经经过过一一定定时时间间测测量量的的电电阻阻值值，称称为为暗暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻）亮电阻 光光敏敏电电阻阻在在某某一一光光照照下下的的阻阻值值，称称为为该该光光照照下下的的亮亮电电阻阻，此此时时流流过过的的电流称为亮电流。电流称为亮电流。（3）光电流）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流。现在学习的是第18页，共54页三、光敏电阻的基本特性三、光敏电阻的基本特性 1.伏安特性伏安特性

12、2.光照特性光照特性3.光谱特性光谱特性4.响应时间和频率特性响应时间和频率特性5.温度特性温度特性现在学习的是第19页，共54页1.1.伏安特性伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 偏压偏压一定一定，光照度越大，光电流也就越大；，光照度越大，光电流也就越大；光照度一定，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光照度一定，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。条件等

13、因素有关。现在学习的是第20页，共54页2.2.光照特性光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系光敏电阻的光电流与光强之间的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。现在学习的是第21页，共54页3.3.光谱特性光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 现在学习的是第22页，共54页 4.4.响应时间和频率特性响应时间和频率特性l光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变光电导的

14、弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。化，在时间上有一个滞后。l通常用响应时间通常用响应时间t t表示。表示。现在学习的是第23页，共54页光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间现在学习的是第24页，共54页5.5.温度特性温度特性 u光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性硫化镉光敏电阻的温度特性 温度系数温度系数:在一定光照下，温度每变化在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均变化

15、率光敏电阻阻值的平均变化率 现在学习的是第25页，共54页温度对光谱特性影响温度对光谱特性影响 n随随着着温温度度升升高高，光光谱谱响响应应峰峰值值向向短短波波方方向向移移动动。因因此此，采采取取降降温温措措施施，可可以以提提高高光光敏敏电电阻对长波光的响应。阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 现在学习的是第26页，共54页光敏电阻特点光敏电阻特点优点优点:光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等。此外许多光敏电阻对红外线敏用寿命长、体积小等。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。

16、感，适宜于红外线光谱区工作。缺点缺点:型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。常用作开关式光电信号的传感元件。现在学习的是第27页，共54页8.2.4 8.2.4 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 一、一、工作原理和结构工作原理和结构二、二、基本特性基本特性现在学习的是第28页，共54页一、工作原理和结构一、工作原理和结构结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反

17、向工作状态的在电路中一般是处于反向工作状态的 光敏二极管结构简图和符号光敏二极管结构简图和符号 光敏二极管接线图光敏二极管接线图 现在学习的是第29页，共54页光敏晶体管光敏晶体管 与一般晶体管很相似，具有两个与一般晶体管很相似，具有两个pnpn结。把光信号转换为电信号同结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。时，又将信号电流加以放大。现在学习的是第30页，共54页二、基本特性二、基本特性1.1.光谱特性光谱特性 2.伏安特性伏安特性3.光照特性光照特性4.温度特性温度特性5.频率响应频率响应现在学习的是第31页，共54页1.1.光谱特性光谱特性入射光的波长增加或减小时，相对灵敏度

18、要下降入射光的波长增加或减小时，相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。现在学习的是第32页，共54页2.2.伏安特性伏安特性硅硅光光敏敏管管的的伏伏安安特特性性 现在学习的是第33页，共54页 3.3.光照特性光照特性 硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 现在学习的是第34页，共54页4.4.频率响应频率响应具有一定频率

19、的调制光照射时，光敏管输出的光电流具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电或负载上的电压压)随频率的变化关系随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应 0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%现在学习的是第35页，共54页 5.5.温度特性温度特性n其暗电流及光电流与温度的关系其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。现在学习的是第36页，共54页8 81 15 5 光电池光电池光光电电

20、池池是是利利用用光光生生伏伏特特效效应应把把光光直直接接转转变变成成电电能能的的器器件。件。有有光光线线作作用用下下实实质质上上就就是是电电源源，电电路路中中有有了了这这种种器器件件就不再需要外加电源。就不再需要外加电源。一、工作原理一、工作原理二、基本特性二、基本特性现在学习的是第37页，共54页光电池外形光敏面光敏面现在学习的是第38页，共54页一、工作原理一、工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pnpn结。当光照射到结。当光照射到pnpn结上时，便在结上时，便在pnpn结的两端产生电动势结的两端产生电动势(p(p区为正，区为

21、正，n n区为负区为负)。用用导导线线将将pn结结两两端端用用导导线线连连接接起起来来，就就有有电电流流流流过过，电电流流的的方方向向由由P区区流经外电路至流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。现在学习的是第39页，共54页二、基本特性二、基本特性1.光谱特性光谱特性2.光照特性光照特性3.频率响应频率响应 4.温度特性温度特性 5.稳定性稳定性现在学习的是第40页，共54页 1.1.光谱特性光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的 现在学习的是第41页，共54页2.2.光照特性光照特性 不同光照度

22、下，光电流和光生电动势是不同的。不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用 现在学习的是第42页，共54页光电池的短路电流光电池的短路电流 外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽 现在学习的是第43页，共5

23、4页3.3.频率响应频率响应 指输出电流随调制光频率变化的关系指输出电流随调制光频率变化的关系 硅光电池具有较高的频率响应硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换用于高速计数的光电转换 现在学习的是第44页，共54页 4.4.温度特性温度特性u开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压和短路电流随温度变化的关系。u关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标制精度等重要指标 硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性(照度照度1000lx)现在学习的是第45页，共54页5.5.稳定性稳定性当光电池密封良好、电极引

24、线可靠、应用合理时，光当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定硅光电池的性能比硒光电池更稳定 影响性能和寿命因素影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺光电池的材料及制造工艺使用环境条件使用环境条件 现在学习的是第46页，共54页8 83 3 光电式传感器的应用光电式传感器的应用模拟式传感器模拟式传感器脉冲式传感器脉冲式传感器现在学习的是第47页，共54页1 1 模拟式光电传感器模拟式光电传感器基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通光通量的函数量的函数 。对对于

25、于光光通通量量的的任任意意一一个个选选定定值值，对对应应的的光光电电流流就就有有一一个个确确定定的的值值，而而光光通通量量又又随随被被测测非非电电量量的的变变化化而而变变化化，这样光电流就成为被测非电量的函数。这样光电流就成为被测非电量的函数。现在学习的是第48页，共54页2 2 脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器光光电电器器件件的的输输出出仅仅有有两两个个稳稳定定状状态态，也也就就是是“通通”与与“断断”的开关状态。的开关状态。光光电电器器件件受受光光照照时时，有有电电信信号号输输出出，光光电电器器件件不不受受光光照照时时，无无电电信信号号输输出出。属属于于这这一一类类的的大大多多是是作作继继电电器器和和脉脉冲冲发发生生器器应应用用的的光光电电传传感感器器，如如测测量量线线位位移移、线线速度、角位移、角速度速度、角位移、角速度(转速转速)的光电脉冲传感器等等。的光电脉冲传感器等等。现在学习的是第50页，共54页火焰探测报警器电路图火焰探测报警器电路图 现在学习的是第51页，共54页光电式数字转速表光电式数字转速表 现在学习的是第52页，共54页吸收式烟尘浊度检测系统原理图吸收式烟尘浊度检测系统原理图平行光源光电探测放大显示刻度 校正报警器烟道现在学习的是第53页，共54页燃气热水器的高压打火确认原理图燃气热水器的高压打火确认原理图 现在学习的是第54页，共54页