第八章:光电式传感器.ppt
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1、上午5时54分,第八章:光电式传感器,上午5时54分,被测量,81基本工作原理,光电式传感器基本原理:,核心,光电式传感器基本元件:,光通量变化,电量,光源,光学元件,光电元件,(1)开关型,(2)光通量变化型,(3)图像型,光电式传感器基本类型:,(光电转速表,光电继电器等),(光电转速表,光电继电器等),(CCD),上午5时54分,外光电效应在光线的作用下,物体内的电子逸出物体表面,而向外发射的现象。(光电管、光电倍增管等),光子能量:,逸出功:,爱因斯坦光电效应方程:,普朗克常数h=6.6261034(J.S),光的频率,电子质量,电子逸出速度,讨论,1、光电子能否产生取决于光子的能量是
2、否大于该物体的表面逸出功; 2、入射光的光谱不变,产生的光电流与光强度成正比关系,光越强,意味着入射光子数目越多,逸出的电子数也就越多; 3、光电子逸出物体表面具有初动能,因此光电管即使没有阳极电压,也会有光电流产生。,上午5时54分,内光电效应受光照的物体电导率发生变化,或产生光生电动势效应,称为内光电效应。(光敏电阻、光电池等),上午5时54分,82光电传感器的基本元件,一,光源,普通电光源:,热辐射光源: 白炽灯,气体放电灯: 氖灯,日光灯,固体发光光源: 发光二极管,上午5时54分,1,钨丝正电阻特性:,在工作时的电阻(热电阻)冷态(20)时的电阻(冷电阻)。热电阻1216倍冷电阻。
3、为防止启动时过电流,可采用恒流源供电或灯丝预热。,2,电源电压:,额定电压使用寿命长,额定电压使用寿命短,(一)白炽灯,靠电能将灯丝加热至白炽而发光。 多采用钨丝作灯丝。,上午5时54分,(二)发光二极管(LED),用半导体P-N结将电能,光,在P-N结两端加电压:势垒的高度和宽度减小,从而克服能带势垒。,电子空穴流过P-N结时,产生复合,释放能量:发光,(固体发光光源),机理,电子和空穴扩散。内电场阻止电子和空穴的进一步扩散。形成势垒。,电子从N区流向P区, 空穴从P区流向N区。,在形成PN结时:,上午5时54分,发光的颜色和光波长由二极管基片的半导体材料而定。,发光二级管的光谱特性,发光二
4、级管的电流电压特性,上午5时54分,二,光学元件与光路:,三,光电元件,光电量,(一)光敏电阻(又称光导管),:在光线作用下,电子吸收能量从键合状态过渡到自由状态,而引起材料电导率的变化(电阻值变化),这种现象称为“光导效应”。,光照的光子能量半导体材料产生电子-空穴载流子电导率 (电阻率),光照愈强,阻值愈低。,即:反射镜、透镜 构成光路,光电元件就是用来把,的一种器件,原理,上午5时54分,2,主要参数和基本特性,(1)光电流:,无光照暗电阻 M 暗电流,有光照亮电阻 K 亮电流,光电流亮电流-暗电流,(2)伏安特性:,结论:,1、在恒定的光照下,光敏电阻是线性电阻,服从欧姆定律;即外加电
5、压越高,光电流越大; 2、在给定电压下,光电流的大小随光照的增强而增大。,U-I关系曲线,光敏电阻两端所加的电压与电流的关系曲线。,上午5时54分,(3)光照特性(光电特性):,为曲线特性,I=f(),非线性,光照较大时,出现饱和。,不宜做光通量变化的光电元件,而作开关元件。,2,主要参数和基本特性(续),光敏电阻的光电流I与光通量 的关系曲线称为光敏电阻的光照特性。,上午5时54分,(4)光谱特性:灵敏度K与波长关系,图8-5,可见不同材料的光敏电阻具有不同光谱特性,光源的发光波长应当与光敏电阻光谱特性峰值的波长相接近,以提高灵敏度。,2,主要参数和基本特性(续),上午5时54分,(5)响应
6、时间与频率特性,光敏电阻的光电流有惯性。,上升时间t1,下降时间t2=时间常数,不同频率特性,不同材料 不同光照,不同响应时间,频率特性光电器件输出电压(电流)的振幅或相对灵敏度随入射光通量的调制频率的变化关系。,时间常数光敏电阻自停止光照到电流下降到原来的63所需要的时间。,2,主要参数和基本特性(续),上午5时54分,(6)温度特性,温度,一般用电阻温度系数表示:,2,主要参数和基本特性(续),上午5时54分,(二)光电池,光生伏特效应:,P-N结电场阻挡层光照PN结 电子-空穴光生载流子,光生电动势,1, 原理:,形成正电位,形成负电位,上午5时54分,光电池的种类,硅光电池,硒光电池,
7、上午5时54分,2,基本特性,(1)光谱特性,见图8-8,不同材料,峰值位置不同。可根据光源,光电池,以获最佳光谱响应。,上午5时54分,(2)光照特性:图8-9,开路电压曲线,照度,饱和非线性,光生电动势,短路电流曲线,光电流密度,所谓光电池的短路电流是指外接负载电阻相对于它的内阻来讲很小时的电流值。-线性,上午5时54分,注意JC与负载电阻有关,实测硅光电池在不同负载电阻情况的光照特性。,负载电阻,_线性好,负载电阻200,_显著变坏,短路电流,上午5时54分,(3)频率特性,光电池作为测量,计算,接收元件时常用调制光输入。则频率特性指相对输出电流,随调制光的调制频率变化的关系。见图8-1
8、0,相对输出电流:,上午5时54分,当温度,开路电压U(T),曲线变化 快,短路电流I(T),曲线变化 缓慢,宜作电流源,光电池作测量元件时,为防温度漂移须恒温或温度补偿。,(4)温度特性 图8-11,上午5时54分,(三)光敏晶体管,一,光敏管的结构和工作原理,光照PN结产生电子-空穴对(光生)少数载流子增加反向电流增大,光照,电流,光敏二极管:,上午5时54分,光敏三极管:,光敏三级管灵敏度优于光敏二极管,光电流基极电流 集电极电流 基极电流,上午5时54分,二,基本特性:,(1)光谱特性:,硅:,锗:,确定光源和光电器件的最佳匹配,在一定照度下,光敏晶体管输出的光电流(或相对光谱灵敏度)
9、随波长的变化而变化。,相对光谱灵敏度:,能量太小,不能达到PN结,上午5时54分,(2)光照特性:,Ic(Ec)关系,照度,1、光敏二极管线性好;反向电压越大,光电流越大; 2、光敏三极管起始灵敏度底; 在大电流时有饱和现象。,讨论:,集电极输出电流,光敏三级三管光照特性,上午5时54分,(3)伏安特性:,1、光敏三极管比光敏二级管灵敏度大上百倍; 2、在零偏压下时,光敏二极管仍有光电流输出,而三极管没有。,(4)温度特性:,1、暗(光)电流随温度升高而升高。 2、温度补偿。,(5)频率特性:,光敏管的响应时间常数一般:,上午5时54分,(四) 光电倍增管,利用外光电效应和二次电子发射相结合,
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