光敏传感器(光敏传感器)

第三章光敏传感器及应用技术教学目的：1、了解光敏传感器的作用、分类和使用 方法；2、熟悉常用光敏传感器的特点及应用范 围；4、掌握常用光敏传感器的工作原理及使 用方法；5、学叁正确选用光敏传感器的方法。深圳职业技术学院第三章光敏传感器及应用技术教学重点1、光敏箱战器特点与选用；2、光敏传感器原理及接口电路设计方法。教学难点：1、光温嬴专感器工作原理；2、光敏传感器应用电路分析与设计方法；教学方法：1、引导文教学法2、引探教学法3、头脑风暴法问题思考:1、光敏传感器的作用是什么？2、常用的光敏传感器有哪些种？各自的原理是 什么？3、何为光电效应？可见光的波长范围是多少？4、光敏电阻的阻值由什么因素决定？5、光敏二极管工作在什么状态？6、光电池的的原理是什么？7、光电开关在日常生活和工业生产中有哪些应 用？8、.举出20种以上光敏传感器的应用场景术学.第三章光敏传感器及应用技术第一节光敏传感器基础知识- 光谱与光度单位- 光电效应与光敏器件第二节常用光敏传感器工作原理- 光敏传感器组成与工作原理一光敏电阻光敏二、三极管光电池红外热释电传感器第三节光敏商感篥应用电路分析与训练- 光电开关报警电路设计4人体脉搏测量电路设计门广一第一节 光敏传感器基础知识i一、光敏传感器基础知识L光谱可见光的光谱范围:380780nm深圳职业技术学院对应光色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫Gamma紫外线红外线FM 短波 I I 11 I 111 -中关村在 zoLX射为雷达波 TV AM第一节 光敏传感器基础知识i一、光敏传感器基础知识2.光度单位光通量：单位时间内产生光感的能量之和 发光强度：光源在某一给定方向的单位立体角内发射的光通量发光效率：发射光通量与消耗电功率比值 限度：单位被照面积上接收到的光通量 亮度：视角方向上单位面积的发光强度第一节光敏传感器基础知识二、光敏露祥看光电效应k孵1 .光敏器件把光信号转换为电信号的一种元器件。常用的光敏器件有：光敏电阻、光敏二极管、 光敏三极管、光电池、热释电红外热敏器件等。光敏器件的工作基础是光电效应。2 .光电效应光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变 化的物理现象。3 .光电效应的分类 日/外光电效应光电效应9t内光电效应第一节 光敏传感器基础知识 1二、光敏器件与光电效应1）外光电效应在光线作用下使电子逸出物质表面的现象。其中 向外发射的电子称为光电子，能够承受光电效应 的物质称为光电材料。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增 管 曾条微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。）等器件图第一节 光敏传感器基础知识二、光电效应与光敏器件2）内光电效应仍在物质内部运动，使物质的电阻率发生变化产在光线作用下所产生的载流子（自由电子或空穴）生光电流或光生伏特的现象，称为也 内光电效应又可分为：光电导效应光生伏特效应红外热释电效应深圳职业技术学院第一节 光敏传感器基础知识i二、光敏器件与光电效应(1)光电导效应当入射光子射入到半导件时，半导体吸收入射光 子产生电子空穴对，使其电导率增大。基于这种效应的器件有光敏电阻O(2)光生伏特效应在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二/三极管.(3)热释电效应一些晶体受到红外线热辐射转化为热量时，两端 会产生数量相等、极性相反的电荷，这种由热变 化产生的电极化现象称为热释电效应能够承受热电效应的晶体称为热释电元件一院_第二节常用光敏传感器工作原遮一、光敏电阻1 .基本概况与参数 光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用 时既可加直流电压，也可以加交流电压。暗电阻：光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流 亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电 阻，此时流过的电流称为亮电流。 光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。第三节 常用光敏传感器工作原理S . ? * 一耳屈胞I一、光敏电阻L基本概况与参数 无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中 电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长 范围的光照时，它的阻值（亮电阻）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 光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值 一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。常用光敏传感器工作原理?A*r 一 一H弟一下一、光敏电阻2.光敏电阻特点-光谱响应范围宽（特别是对红光和红外辐射）；-偏置电压低,工作电流大;- 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光;- 光电导增益大，灵敏度高；- 无极性，使用方便；- 在强光照射下，光电线性度较差- 光电响应时间较长，频率特性较差。第二节常用光敏传感器工作原理11 L:鬻尊: Bl蹙苏聂?W一、光敏电阻3.光敏电阻基本特性伏安特性光照特性光谱特性响应时间和频率特性温度特性深圳职业技术学院第二节常用光敏传感器工作原嘤一、光敏电阻伏安特性在给定的偏压情况下，光照度在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流 之间的关系 越大，光电流也就越大；40302010】00200功耗大，光电流越大，没有饱和现象光敏电阻电压（V） 在一定光照度下，加的电压越 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。第二节常用光敏传感器工作原理鬻逮解罐I晨mm辱I一、光敏电阻光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系0.30.6光通量(Im)5 0 5 0 5 2 2 11 O o o o o O (W5爆屈率1.231深圳职业技术学院第二节常用光敏传感器工二作原琥临。,八，二寸一、光敏电阻 光谱特性光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的1500030000入疑剧招送）()弱施映次要o o o o O0 8 6 4 21JL第二节常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻4）响应时间和频率特性光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化, 在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。00 163O()速腾他W室第二节常用光敏传感器工作原理鬻逮解罐I晨mm辱I一、光敏电阻温度特性随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因 止匕，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的 响应。01X104 2X 1043XI04 4X 104入射光波长(1)()翘稀喔初转第二节常用光敏传感器工作原酸一、光敏电阻4 .光敏电阻材料、结构、分类与工作原理制作材料:半导体：硫化镉、硫化铅、硫化铭、 硫化例、硒化隔、硒化铅、不帝化铅等电极r(ELECTRCDE)|.CDS J树脂胶旧2与BLUE)X电极 gJHTROOfi?结构与分类紫外、红外、可见光光敏电阻工作原理eR5E)导/L.FRDJ第二节常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻5 .光敏电阻用电路分析12VOfO-5VRI2KJR22R22K2555XUA+ILB5qLo2 mK：S3RCDLEDGXD一 C2T o-iG：TRLJ感光灯电路深圳职业技术学院 ,第二节一常用光敏传感器工作原理1目修* &/格/二、光敏二极管 1 .概述光敏二极管又称光电二极管，是一种光电转换器件 ,原理是利用PN结的光生伏特效应，即光照到PN结 上时，PN结吸收光能，产生电动势的现象。第二节常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管2.光敏二极管基本特性(1)光照特性0200 400 600 800 1000 1200昭府“X、光敏二极管的光照特性曲线的线性较好，在小 负载电阻下其光电流与照度基本成线性关系。碑硼联亚技 术学院第二节 常用光敏传感器工作原理、光敏二极管2.光敏二极管基本特性(2)光谱特性波长 x 1 o2(nm). 潦圳职业技术学院(武)照睇映我要饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光 照强度。第二节常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管2 .光敏二极管基本特性 (3)伏安特性当反向偏压较低时，光电流 随电压变化比较敏感，这是 由于反向偏压加大了耗尽层 的宽度和电场强度。随反向 偏压的加大，对载流子的收 集达到极限，光生电流趋于第二节常用光敏传感器工作原堡二、光敏二极管3 .光敏二极管两种工作状态(1)当光敏二极管加上反向电压 管子中的反向电流随着光照强度的 改变而改变，光照强度越大，反向 电流(光电流)越大，大多数都工 作在这种状态。(2)光敏二极管上不加反向电压 利用PN结在受光照时产生正向电 压的原理，把它用作微型光电池。 这种工作状态，一般作光电检测器第二节常用光敏传感器工作原普、光敏二极管4 .光敏二极管应用电路分析有光照时，Tl. T2导通,继电器线圈带电，常闭触点断开，灯不亮。光线较暗时，Tl T2截止,继电器线圈失电，常闭触点闭合，灯亮。路灯控制电路深圳职业技术学院第二节常用光敏传感器工彳三原理三、光敏三极管L光敏三极管概述光敏晶体管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏 晶体管有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用发射结 作为受光结，基极无引出线，因此，光敏晶体实质上是一 种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的三极管。当光照射到PN结附近时，由于光生伏特效应，产生光电流。光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。第二节常用光敏传三、光敏三极管2 .光敏三极管特性光敏三极管特性与光敏二极管相似3 .光敏三极管应用电路分析输入第二节常用光敏传感器工作原理I、光电耦合器与光电断路器L光电耦合器.光电耦3器是将发光元件和光敏元件合并使用并集成在一起，以光为媒介实现信号传递的光电器件。发光元件常采用碑化铁发光二极管，光敏元件可以是光敏二极管或光敏晶体管主要作用：实现电-光-电信号转换，实现信号隔离0第二节常用光敏传感器光电耦合器与光电断路器2.光电断路器光电断路器是将发光元件和光敏元件合并使用并 相互隔开，以光为媒介实现信号传递的光电器件。主要作用：光电开关、产品计数等深圳职业技术学院检测物外形图输入端僦魄皿 V第二节常用光敏传感器五、光电池L光电池分类、结构光电池(photovoltaic cell),是一种在光的照 射下产生电动势的半导体元件。用于光电转换、光 电探测及光能利用等方面。光电池种类很多：硅光电池、硒光电池、楮光电池、硫化镉光电池、碑化钱光电池等硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散方法掺入一些P型杂质形成PN结。太阳光线上电极N型硅PN疆P型硅下电极太阳电池结构原理第二节常用光敏传感器工作原理五、光电池2.光电池原理 入射光照射在PN结上时，弱光子能量大于半导体材 料的禁带宽度，则在PN结内部产生电子-空穴对, 在内电场作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区, 使P型区带正电，N型区带负电，PN结产生电势梳状电极sunlightbast,-rear contactelectnm-hok pairantirflcctioii coating七二 fnimt contact emitterN 一I .n BHi-Y 11I Jtw+ IT IT pumSOS第二节常用光敏传感器工五、光电池4.光电池特性(a)光照特性照度(lx)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。第二节常用光敏传感器工，五、光电池4.光电池特性(b)光谱特性00110400 600 800 1000 1200入射光波长(nm) 一 深圳职业技术学院80604020光电池对不同波 长的光，灵敏度 是不同的。第二节常用光敏传感器五、光电池4.光电池特性(c)频率响应指输出电流随调制光 频率变化的关系。0 1500 3000 4500 6000 7500入射光频率（Hz）O6040O2()爆相亲友至硅光电池具有较高的频率响应，用于高速计数的光电转换。第二节常用光敏传感器五、光电池4.光电池特性(d)温度特性开路电压和短路电流500112.2随温度变化的关系。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E)出出卅次8LOJ OH就,60I40,20L O硅光电池的温度特性(照度lOOOlx)深圳职业技术学院第二节常用光敏传感器五、光电池5.光电池应用(1)光电池作光伏器件，利用光伏作用直接把太阳 能转换成电能，即太阳能电池(2)光电池作光电转换器件，用于光电检测与指导 控制系统中六、红外热释电传感器1.概述(1)红外辐射红外辐射本质上时一种热辐射。任何物体，只要 它的温度高于决定零度(-273度),就会向外发射 红外线。(2)红外传感器分类光电型热电型(热释电红外传感器)(3)热释电红外传感器的热释电效应由于温度变化引起电介质表面产生的电极化现象第二节常用光敏传感器工作原理w六、红外热释电传感器2.红外热释电传感器结构rrrrnrririroi rrYr rei rraranrtir rrorrav rw rBrr-rsrro rc r/r rn rrr rev ronrran rrwi 、，ron rr，r、rreirri ri，r rrtn ai，r rrn rr，r滤光片深圳职业技术学院FET管座 高阻 引脚三红外辐射(a)结构(b)电留图3.红外热释电传感器人体感应报警电路BISS0001调理电路12Uo2匚胶Uo3F31o$15585EEEPBISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制 器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的 数模混合专用集成电路。具有较高性能的传感信号 处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外 接元器件构成被动式的热释电红外开关。比较判别吉光报警器-NOwrRF1孙口Z(iSpeaker :而举,我技术学院第二节常用光敏传感器工彳4.红外热释电传感器人体入侵检测应用电路RP电位器为灵敏度调节，C7、R8、R10位延时电路GND第三节光敏传感器应用案例一、光敏传感器组成光源、光学通路、光敏器件、检测处理电路。常用光源：白炽灯、气体放电光源、LED、激光器（固体、气体、液体、半导体激光器）二、光敏传感器工作原理把被测量的变化转换成光信号的变化，然 后通过光敏器件变换成电信号，检测电路 对电信号进行处理。被测量的变化电信号 的变化光信号 的变化第三节光敏传感器应用案例I飞 光敏传感器的构成：光源、光学通路、光 敏器件、检测处理电路。 常用光源：白炽灯、气体放电光源、LED、 激光器（固体、气体、液体、半导体激光 器） 光敏传感器特点：非接触、响应快、性能 可靠。第三节光敏传感器应用案例I光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式（直射式）、吸收式、遮光式、反射式等四种基本形式。被测物光电元件光源辐射式遮光式吸收式被测物 光电元件被锄物光电元件彳皮溺物图反时式第三节光敏传感器应用案例IT光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出以及安全防护等。此外，利用红外线的隐蔽性还可在银行、仓库、商店、办公室等场合作为防盗警戒之用光也开美林松楣物悻光电开葵 发射豁接收器漫反射光电开兵被检费I物体般反射-rfX府部较强漫反 叶的光度分布推臣见 式比咆 开关财的光度分布悔反酎式光电开力技改雷光纤插人式獴头光舒鸵发射器薮检测物建此纤控制器光轩仲雄霹图3各种光电开美光线工作示意图深圳职业技术学院第三节 光敏传感器应用案例I飞深圳职业技术学院6光接收器名光发射器被检测物体第三节光敏传感器应用案例