光敏传感器(光敏传感器).ppt

第三章第三章 光敏传感器及应用技术光敏传感器及应用技术梁长垠梁长垠 教授教授Professor LiangProfessor Liang第三章第三章 光敏传感器及应用技术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、学会正确选用光敏传感器的方法。第三章第三章 光敏传感器及应用技术光敏传感器及应用技术教学重点：1、光敏传感器特点与选用；2、光敏传感器原理及接口电路设计方法。教学难点：1、光温敏传感器工作原理；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。第三章第三章 光敏传感器及应用技术光敏传感器及应用技术第三章 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 光敏电阻 光敏二、三极管 光电池 红外热释电传感器第三节 光敏传感器应用电路分析与训练 光电开关报警电路设计电路设计 人体脉搏测量电路设计电路设计 一、光敏传感器基础知识一、光敏传感器基础知识 1.1.光谱光谱 可见光的光谱范围：可见光的光谱范围：380780nm380780nm 对应光色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫对应光色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 第一节 光敏传感器基础知识一、光敏传感器基础知识一、光敏传感器基础知识2.2.光度单位光度单位 光通量光通量：单位时间内产生光感的能量之和：单位时间内产生光感的能量之和 发光强度发光强度：光源在某一给定方向的单位立：光源在某一给定方向的单位立体角内发射的光通量体角内发射的光通量 发光效率发光效率：发射光通量与消耗电功率比值：发射光通量与消耗电功率比值 照度照度：单位被照面积上接收到的光通量：单位被照面积上接收到的光通量 亮度亮度：视角方向上单位面积的发光强度：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、二、光敏器件与光电效应 1.1.光敏器件 把光信号转换为电信号的一种元器件。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、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敏器件的工作基础是光电效应。光电效应。2.2.光电效应光电效应 光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变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。化的物理现象。3.3.光电效应的分类光电效应的分类 第一节 光敏传感器基础知识光电效应外光电效应内光电效应二、二、光敏器件与光电效应 1 1）外光电效应）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。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、光电倍增基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管（管（将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。）等）等 器件图器件图 第一节 光敏传感器基础知识二、二、光电效应与光敏器件 2 2）内光电效应）内光电效应 在光线作用下所产生的载流子（自由电子或空穴）在光线作用下所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电阻率发生变化产仍在物质内部运动，使物质的电阻率发生变化产生光电流或光生伏特的现象，称为生光电流或光生伏特的现象，称为内光电效应内光电效应。内光电效应又可分为：内光电效应又可分为：光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应 红外热释电效应红外热释电效应 第一节 光敏传感器基础知识二、二、光敏器件与光电效应 （1 1）光电导效应）光电导效应 当入射光子射入到半导体时，半导体吸收入射光当入射光子射入到半导体时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其电导率增大。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基于这种效应的器件有光敏电阻光敏电阻。（2 2）光生伏特效应）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。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基于该效应的器件有光电池和光敏二光电池和光敏二/三极管。三极管。（3 3）热释电效应）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。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能够承受热电效应的晶体称为热释电元件.第一节 光敏传感器基础知识一、光敏电阻一、光敏电阻 1.1.基本概况与参数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。第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻一、光敏电阻 1.1.基本概况与参数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。第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻一、光敏电阻 2.2.光敏电阻特点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一、光敏电阻一、光敏电阻 3.3.光敏电阻基本特性光敏电阻基本特性 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 第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻一、光敏电阻 伏安特性 在在一一定定照照度度下下，光光敏敏电电阻阻两两端端所所加加的的电电压压与与光光电电流流之间的关系之间的关系在给定的偏压情况下，光照度在给定的偏压情况下，光照度 越大，光电流也就越大；越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越在一定光照度下，加的电压越 大，光电流越大，没有饱和现象。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，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。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一、光敏电阻一、光敏电阻 光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系 第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻一、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 第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻一、光敏电阻 响应时间和频率特性n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。n通常用响应时间t表示。第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻一、光敏电阻 温度特性n随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻一、光敏电阻 4.4.光敏电阻材料、结构、分类与工作原理光敏电阻材料、结构、分类与工作原理 制作材料：半导体：硫化镉、硫化铅、硫化铊、硫化铋、硒化隔、硒化铅、碲化铅等 结构与分类 紫外、红外、可见光光敏电阻 工作原理 第二节 常用光敏传感器工作原理一、光敏电阻一、光敏电阻 5.5.光敏电阻用电路分析光敏电阻用电路分析 感光灯电路第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管二、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。基本结构：基本结构：结构与一般二极管相似。在透明玻璃外壳中，PN结装在管的顶部，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，在没有光照射时反向电流很小，称为暗电流；有光照的电流较大，称为光电流。光的照度越大，光电流越大。第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管二、光敏二极管 2.2.光敏二极管基本特性光敏二极管基本特性 (1)光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好，在小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负载电阻下其光电流与照度基本成线性关系。第二节 常用光敏传感器工作原理 (2)光谱特性第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管二、光敏二极管 2.2.光敏二极管基本特性光敏二极管基本特性(3)伏安特性当反向偏压较低时，光电流当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，这是随电压变化比较敏感，这是由于反向偏压加大了耗尽层由于反向偏压加大了耗尽层的宽度和电场强度。随反向的宽度和电场强度。随反向偏压的加大，对载流子的收偏压的加大，对载流子的收集达到极限，光生电流趋于集达到极限，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光偏压几乎无关，只取决于光照强度。照强度。第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管二、光敏二极管 2.2.光敏二极管基本特性光敏二极管基本特性（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理二、光敏二极管二、光敏二极管 3.3.光敏二极管光敏二极管两种工作状态 有光照时，有光照时，T1T1、T2T2导通，导通，继电器线圈带电，常闭触继电器线圈带电，常闭触 点断开，灯不亮。点断开，灯不亮。光线较暗时，光线较暗时，T1T1、T2T2截止，截止，继电器线圈失电，常继电器线圈失电，常 闭触点闭合，灯亮。闭触点闭合，灯亮。路灯控制电路第二节 常用光敏传感器工作原理二、光敏二极管二、光敏二极管 4.4.光敏二极管应用电路分析光敏二极管应用电路分析第二节 常用光敏传感器工作原理三、光敏三极管三、光敏三极管 1.1.光敏三极管概述光敏三极管概述 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。IpIcIE第二节 常用光敏传感器工作原理三、光敏三极管三、光敏三极管 2.2.光敏三极管特性光敏三极管特性 光敏三极管特性与光敏二极管相似光敏三极管特性与光敏二极管相似 3.3.光敏三极管应用电路分析光敏三极管应用电路分析第二节 常用光敏传感器工作原理四、光电耦合器与光电断路器四、光电耦合器与光电断路器 1.1.光电耦合器光电耦合器 光电耦合器是将发光元件和光敏元件合并使用并光电耦合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。集成在一起，以光为媒介实现信号传递的光电器件。发光元件常采用砷化镓发光二极管，光敏元件可以发光元件常采用砷化镓发光二极管，光敏元件可以 是光敏二极管或光敏晶体管是光敏二极管或光敏晶体管 主要作用：实现电主要作用：实现电-光光-电信号转换，实现信号隔离。电信号转换，实现信号隔离。第二节 常用光敏传感器工作原理四、光电耦合器与光电断路器四、光电耦合器与光电断路器 2.2.光电断路器光电断路器 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。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、产品计数等主要作用：光电开关、产品计数等第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池五、光电池 1.1.光电池分类、结构光电池分类、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。光电池光电池种类种类很多：硅光电池、硒光电池、锗光电池、很多：硅光电池、硒光电池、锗光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池等硫化镉光电池、砷化镓光电池等硅光电池是在一块硅光电池是在一块N N型型硅片上，用扩散方法硅片上，用扩散方法掺入一些掺入一些P P型杂质形成型杂质形成PNPN结。结。第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池五、光电池 2.2.光电池原理光电池原理 入射光照射在入射光照射在PNPN结上时，弱光子能量大于半导体材结上时，弱光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则在料的禁带宽度，则在PNPN结内部产生电子结内部产生电子-空穴对，空穴对，在内电场作用下，空穴移向在内电场作用下，空穴移向P P型区，电子移向型区，电子移向N N型区，型区，使使P P型区带正电，型区带正电，N N型区带负电，型区带负电，PNPN结产生电势。结产生电势。第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池五、光电池 3.3.光电池外形光电池外形 第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池五、光电池 4.4.光电池特性光电池特性 (a)光照特性 不同光照度下，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。第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池五、光电池 4.4.光电池特性光电池特性 (b)光谱特性光电池对不同波光电池对不同波长的光，灵敏度长的光，灵敏度是不同的。是不同的。第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池五、光电池 4.4.光电池特性光电池特性 (c)频率响应 指输出电流随调制光指输出电流随调制光频率变化的关系。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。第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池五、光电池 4.4.光电池特性光电池特性 (d)温度特性 开路电压和短路电流开路电压和短路电流随温度变化的关系。随温度变化的关系。关系到应用光电池的关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重测量精度或控制精度等重要指标。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)1000lx)第二节 常用光敏传感器工作原理五、光电池五、光电池 5.5.光电池应用光电池应用 （1 1）光电池作光伏器件，利用光伏作用直接把太阳）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，即太阳能电池能转换成电能，即太阳能电池 （2 2）光电池作光电转换器件，用于光电检测与指导）光电池作光电转换器件，用于光电检测与指导控制系统中控制系统中 第二节 常用光敏传感器工作原理六、红外热释电传感器六、红外热释电传感器 1.1.概述概述 （1 1）红外辐射）红外辐射 红外辐射本质上时一种热辐射。任何物体，只要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（它的温度高于决定零度（-273-273度），就会向外发射度），就会向外发射红外线。红外线。（2 2）红外传感器分类）红外传感器分类 光电型光电型 热电型（热释电红外传感器）热电型（热释电红外传感器）（3 3）热释电红外传感器的热释电效应）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六、红外热释电传感器六、红外热释电传感器 2.2.红外热释电传感器结构红外热释电传感器结构 第二节 常用光敏传感器工作原理3.3.红外热释电传感器人体感应报警电路红外热释电传感器人体感应报警电路 BISS0001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。第二节 常用光敏传感器工作原理4.4.红外热释电传感器人体入侵检测应用电路红外热释电传感器人体入侵检测应用电路 RPRP电位器为灵敏度调节，电位器为灵敏度调节，C7C7、R8R8、R10R10位延时电路位延时电路 一、光敏传感器组成一、光敏传感器组成 光源、光学通路、光敏器件、检测处理电路光源、光学通路、光敏器件、检测处理电路。被测量被测量被测量被测量的变化的变化的变化的变化光信号光信号光信号光信号的变化的变化的变化的变化电信号电信号电信号电信号的变化的变化的变化的变化二、光敏传感器工作原理二、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。对电信号进行处理。常用光源：白炽灯、气体放电光源、常用光源：白炽灯、气体放电光源、LEDLED、激光器、激光器（固体、气体、液体、半导体激光器）（固体、气体、液体、半导体激光器）第三节 光敏传感器应用案例光敏传感器的构成：光源、光学通路、光光敏传感器的构成：光源、光学通路、光敏器件、检测处理电路。敏器件、检测处理电路。常用光源：白炽灯、气体放电光源、常用光源：白炽灯、气体放电光源、LEDLED、激光器（固体、气体、液体、半导体激光激光器（固体、气体、液体、半导体激光器）器）光敏传感器特点：非接触、响应快、性能光敏传感器特点：非接触、响应快、性能可靠。可靠。第三节 光敏传感器应用案例光光电电传传感感器器在在工工业业上上的的应应用用可可归归纳纳为为辐辐射射式式(直直射射式式)、吸收式、遮光式、反射式、吸收式、遮光式、反射式等四种基本形式。等四种基本形式。第三节 光敏传感器应用案例光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判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还可在银行、仓库、商店、办公室等场合作为防盗警戒之用第三节 光敏传感器应用案例Receiver被检测物体被检测物体光发射器光发射器光接收器光接收器第三节 光敏传感器应用案例送料器送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口遮断式光电开关遮断式光电开关(计数计数)第三节 光敏传感器应用案例光线被遮断光线被遮断(报警报警)当有物体遮挡住光当有物体遮挡住光线时，传感器发出线时，传感器发出报警信号，起保护、报警信号，起保护、预警等作用预警等作用。光幕应用第三节 光敏传感器应用案例产品高度测量产品高度测量第三节 光敏传感器应用案例长度测量长度测量宽度测量宽度测量高度测量高度测量第三节 光敏传感器应用案例光幕用于光幕用于自动收费系统的车辆检测自动收费系统的车辆检测第三节 光敏传感器应用案例木材外形截面积检测木材外形截面积检测第三节 光敏传感器应用案例反射型光电开关反射型光电开关第三节 光敏传感器应用案例定区域反射式光电开关原理检测距离检测距离检测距离检测距离定区域式光电开关有一定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产体不会引起光电开关产生开关信号。生开关信号。第三节 光敏传感器应用案例请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备第三节 光敏传感器应用案例 齿盘每转过一齿盘每转过一个齿，光电断续器个齿，光电断续器就输出一个脉冲。就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和可获得齿盘转速和角位移。角位移。光电断续器应用第三节 光敏传感器应用案例电梯自动运行条件判断电梯自动运行条件判断第三节 光敏传感器应用案例人体脉搏检测应用第三节 光敏传感器应用案例