光电子技术课程设计指导书改.doc
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1、光电子技术基础课程设计指导书西安理工大学2023年12月目录第1章 激光测距技术原理11.1 激光的特点1.2 相位法激光测距技术原理第2章 光电池及其应用电路分析.7第3章 热释电传感器及其应用.13第4章 光电耦合器及其应用电路 24第1章 激光测距技术原理 1.1 激光的特点1.激光的亮度高。固体激光器的亮度更可高达1011Wcm2Sr这是由于激光虽然功率有限,但是由于光束极小,于是具有极高的功率密度,所以激光的亮度一般都大于我们所见所有光(涉及可见光中的强者:太阳光),这也是激光可用于星际测量的主线因素所在;2.激光的单色性好。这是由于激光的光谱频率组成单一。3.激光的方向性好。激光具
2、有非常小的光束发散角,通过长距离的飞行以后仍然可以保持直线传输;4.激光的相干性好。我们通常所见到的可见光是非相干光,激光可以做到他们都做不到的事情,比如说切割钢材。在测距领域,激光的作用更是不容忽视,可以这样说,激光测距是激光应用最早的领域(1960年产生,1962年即被应用于地球与月球间距离的测量)。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强,体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的公司、机构或个人的青睐,其市场需求空间大,应用领域广行业需求多,并且起着日益重要的作用。1.2 相位法激光测距技术原理:当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。这是由于基于相位法的激光测距仪容
3、易地就可以克服超声波测距的一大缺陷:误差过大,使测量精度达成毫米级别。而基于此法的激光测距仪重要的缺陷在于电路复杂、作用距离较短(一百米左右,通过众多科学工作者的努力,现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距仪)。相位法激光测距技术,是采用无线电波段频率的激光,进行幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目的物间距离所产生的相位差测定,根据调制光的波长和频率,换算出激光飞行时间,再依次计算出待测距离。该方法一般需要在待测物处放置反射镜,将激光原路反射回激光测距仪,由接受模块的鉴波器进行接受解决。也就是说,该方法是一种有合作目的规定的被动式激光测距技术。如下图所示:由图所显示的关系,我们可以知道,用正
4、弦信号调制发射信号的幅度,通过检测从目的反射的回波信号与发射信号之间的相移,通过计算即可以得到待测距离。D=ct/2t=/又有=2nf=N+即D=(N+) *c/(4nf)其中,D是待测距离,也即测距仪与目的物间距离;C是光速,等于m/s(假设光速未受环境影响);t是往返测距仪与目的物间距离一次的时间;是激光光束往返一次后所形成的相位差;是激光光束往返一次后所形成的相位差局限性半波长的部分;N是相位差中半波长的个数;是调制信号的角频率。由于N的个数在激光飞行之后并不能拟定,所以这就导致了基于相位法的激光测距仪只能测定,相位差中局限性半波长的部分。这就形成了相位法的内伤:最长作用距离固定,由调制
5、光的波长决定。但是从另一方面看,相位法激光测距仪可以准确地测量半个波长内的相位差,这也成就了相位法激光测距仪最为突出的优点:测量精度高,可达成毫米级别。1.2.1 光谱特性光敏电阻的光电导效应不是在任意的光照下都能呈现,只有光子能量大于材料的间接能隙(原子的能级之差)时,光敏电阻才干呈现光电导效应。光敏电阻与入射光光谱之间的特性,称之为光敏电阻的光谱特性。不同光敏材料的光谱特性有很大差异。光敏电阻按材料分类有两种类型:本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。由于掺杂材料灵活改变了光敏电阻的光谱特性,目前市场上所采用的基本上是掺杂型光敏电阻。其光谱特性及最佳工作波长范围可分为三类:一类是紫外光敏感型光敏
6、电阻,如硫化镉和硒化镉等。另一类是可见光敏感型光敏电阻,如硫化铊等。尚有一类是红外光敏感型光敏电阻,如硫化铅等。常见的光敏电阻有硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、锑化铟光敏电阻、碲镉汞系列光敏电阻等。特别提醒的是:硫化镉与人眼的光谱光视效率曲线的范围和峰值波长(555nm) 非常接近,因此可用于与人眼有关的仪器,例如照相机、照度计、光度计等。图1-3 光敏电阻的光谱特性曲线1.2.2 照度特性在光敏电阻上加上一定电压时,光敏电阻的光电流或光电阻与入射光照度之间的关系称为光敏电阻的照度特性。CdS光敏电阻在恒定电压作用下的光照特性曲线如图1-4所示,当照度很低时,曲线近似为线性,随着照度的增高,线
7、性关系变坏,当照度很高时,曲线近似为抛物线形。图中,曲线的斜率表达的是光敏电阻的转换效率(入射光辐射与光生电流)。在光电测量场合下,对照度曲线线性度规定较高;但在光电开关应用中,对线性度规定不高。图1-4 硫化镉光敏电阻的光电特性曲线1.2.3 响应时间光敏电阻在光照时,光生载流子的产生或消失都要通过一段时间,这就是光敏电阻的响应时间,它反映了光敏电阻的惰性。光敏电阻的响应时间约为10-210-3s,与其他光电器件相比,其响应时间是最慢的。CdSe光敏电阻的响应时间约为10ms,CdS的响应时间约为100ms。因此,光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。1.2.4 温度特性温度特性温度变化影响
8、光敏电阻的光谱响应,同时,光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变,特别是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图1-5为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此,硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些。图1-5 硫化铅光敏电阻的温度特性1.3 光敏电阻的应用光敏电阻可将光转换为电信号,是一种典型的光电器件,但光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点:(1)光谱响应范围相称宽。根据光电导材料的不同,光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外,特别对红光和红外辐射有较高的响应度。(2)工作电流大,可达数毫安。(
9、3)所测光强范围宽。既可测强光,也可测弱光。(4)灵敏度高。光导电增益大于1。(5)偏置电压低,无极性之分,使用方便。其缺陷是在强光照射下光电转换线性较差。光电驰豫过程较长,频率响应很低。光敏电阻在农业生产和发展生活方面,重要用在自动控制装置和光检测设备中,如生产线上的自动送料、自动门装置、应急自动照明、自动给水与停水装置、生产安全装置、烟雾火灾报警装置等方面,还广泛应用于自动灯塔、劳动保护、照度测量、电子娱乐及家用电器等方面。1.3.1 光敏电阻的应用电路分析(1) 光敏电阻在自动灯塔中的应用电路分析如图1-6所示电路为光敏电阻在自动灯塔中的应用电路电子萤火虫电路原理图。由于检测的是白光的亮
10、度,检测电路中选用CdS光敏电阻(其响应波长为可见光区)。电路由三部分组成:第一部分为光敏电阻RP1、VR1和开关管8050构成的测光与开关电路;第二部分为时基电路NE555、R1、VR2、C2构成的单稳态触发电路;由D1、C1、D3、D2、C4、D4构成的执行电路。图1-6 光敏电阻在灯塔中的应用电子萤火虫电路当光敏电阻所处环境的光线暗到一定限度时,光敏电阻的阻值增大,由RP1和VR1构成的分压电路可使Q1的基极电压低于开关管8050导通所需的0.7V电压,三极管8050截止,U1(NE555)所构成的单稳态触发电路正常工作,U1-输出脉冲信号。当U1-输出高电平时,经D2、C4形成充电电路
11、,有适当电流流过D2,D2就会发光,并且随着充电时间推移,电流呈指数规律快速减小,发光管D2发出的光也由强到弱变化。同时,C1 经D3与U1-形成放电电路。当U1-输出低电平时,经D1、C1形成充电电路,有适当电流流过D1,D1就会发光,也会出现由亮到暗的变化,发光管D1发出的光也由强到弱变化。同时,C4经D4与U1-形成放电电路。这样,U1-输出的脉冲电压的作用下,发光管D1和D2呈现由亮到暗的荧光变化效果。当光敏电阻所处环境的光线亮到一定限度时,Q1的基极电压高于0.7V,开关管8050导通,U1-电位被固定为低电压,U1构成的单稳态触发电路不能正常工作。U1-则不能输出脉冲信号,由于电容
12、的隔直作用,发光二极管不能发光。(2) 光敏电阻在烟雾火灾报警装置中的应用火灾检测报警器电路图1-7所示为采用光敏电阻作为检测元件的火灾检测报警电路图。电路检测的是火焰(辐射的波长为红外波长2m左右),所选用的光电检测器件为PbS光敏电阻(其响应波长为红外区)。电路由三部分组成:一部分由Q1、电阻R1、R2、恒压二极管D1和光敏电阻RP1(构成光敏电阻的恒压偏置方式)构成性能稳定的红外光波检测电路。一部分由Q2和Q3等构成的交流信号放大电路。第三部分为R9和D2构成的光报警电路。图1-7 火焰检测报警器电路当被检测物体的温度高于燃点或被检测温度(光敏电阻相应的阻值)时,物体将会发出红外辐射光,
13、当辐射光被光敏电阻接受时,Q2-2将有适当的交变信号输入,放大器放大后,驱动发光二极管D2工作。当无燃点时,光敏电阻呈现很大的电阻,Q1-3不会产生交变信号,后续电路就不会产生动作。1.3.2 光敏电阻的应用电路设计(1) 光敏电阻在劳动保护中的应用光线照度提醒电路课题规定:当光线暗到一定限度(可调),采用声、光提醒;否则,没有任何动作。设计环节: 拟定系统电路原理框图:由光电器件实时感应光线的变换,产生相应的电信号输出;此信号作为脉冲发生电路的启动信号,报警设备发光二极管(光)和蜂鸣器(声)在脉冲信号的驱动下,产生声光提醒。光线感应电路声光驱动电路脉冲产生电路 设计单元电路:光线感应电路:由
14、于感应可见光的亮暗限度,实现开关的动作,电路设计中运用开关管的阈值来实现。可以运用施密特触发器(输出带整形电路)实现,当施密特触发器的输入为逻辑量“1”和逻辑量“0”时,分别实现开关动作。光线感应电路中可运用光敏电阻和外加电阻(可调)的分压电路实现节电处电压的高低,从而实现高低电平,实现不同逻辑输入。脉冲发生电路:运用RC充放电实现高低电平的输出,外加施密特整形电路实现脉冲的输出,采用施密特触发器实现脉冲电路的发生电路。由于电路需要声光提醒,而声光提醒信号的频率规定不同,所以,在电路脉冲发生电路中采用两级脉冲发生电路。声光驱动电路:由于声光提醒电路所用的发光二极管和无源扬声器所需的驱动电流一般
15、较大,同时,为了避免输出信号的变化,对前级数字电路逻辑的影响,故在输出级,采用开关管9014实现输出输入隔离和提高驱动能力的效果。设计电路图如1-8所示。图1-8 光敏电阻在劳动保护中的应用光线照度提醒电路(2) 光敏电阻在家电中的应用延迟节能灯电路光敏电阻在楼道(楼宇)中的应用,当光线暗到一定限度,当电路中探测到话音的时候,受控源(照明灯)的开关闭合,并延迟一定期间断开,为人们的行动带来方便。具体的设计方法讨论,设计后的电路原理图见图1-9所示。图1-9 光敏电阻在延迟节能灯中的应用电路参考文献:1 宋吉江,牛轶霞. 光敏电阻的特性及应用. 微电子技术. 2023年,第28卷第1期:5557
16、.2 杨墨.刘廷丽. 光敏电阻在火灾报警器中的应用. 北华航天工业学院学报. 2023年,第17卷第1期:68.3 贾 虎. 综合性实验一“CdS光敏电阻光照特性的测试与应用的设计. 物理与工程.2023年,Vo118 No1 :3942.第2章 光电池及其应用电路分析2.1 光电池的功能与结构光电池就是一个大面积的PN结,来接受更多的入射光。光电池的制作材料有许多种,例如硅、硒、锗、硫化镉、砷化镓,其中最常用的是硅光电池。硅光电池是用单晶硅组成,在一块N型硅片上扩散P型杂质,形成一个扩散P+N结;或在P型硅片上扩散N型杂质,形成N+P结;再焊上两个电极。P端为光电池正极,N端为光电池负极,作
17、为光电检测器在地面技术上使用最多的是P+N型,如国产2CU型。N+P型硅光电池具有很强的抗辐射能力,在空间技术上应用,作为航天的太阳能电池,如国产2DU型。作为太阳能电池使用时,为提高其输出功率,可将硅光电池单体经串联或并联构成阵列结构;作为光电检测器使用时,可按不同测量规定制作。图2-1是硅光电池结构示意图,上电极为栅状受光电极,栅状电极下涂有抗反射膜,用以增长透光,减小反射,下电极是一层衬底铝。 图2-1 硅光电池结构示意图光电池是一种不需外加偏置电压,就能将光能直接转换为电能的PN结光电器件。当光照射PN结的一个面时,电子空穴对迅速扩散,在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势,一般
18、可产生0. 2V0. 6V 电压、50m A电流。图2-2 光电池工作原理图2.2 光电池的特性参数2.2.1 伏安特性光电池的伏安特性表达的是输出电流和输出电压随负载电阻变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照度下,取不同负载电阻值所测得的输出电流和电压的特性。光电池的伏安特性曲线如图4-3所示。负载的斜率由负载电阻决定,负载线与伏安特性曲线的交点为工作点负载电阻R从硅光电池获得的最大功率为Pm = Im * Um。在一定的照度下,光电池的伏安特性曲线在横轴的截距,代表该照度下的开路电压Uoc。曲线在纵轴的截距,代表该照度下的短路电流Isc。硅光电池的Uoc一般为0.450.6V,最大不超过0.
19、756V,由于它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流为3540mA。图2-3 光电池的伏安特性曲线2.2.2 光照特性光电池在不同的光强度照射下可以产生不同的光电流和光生电动势。图4-4显示的便是光电池的光照特性曲线。可以看到,短路电流在很大范围内与光照度成线性关系,而开路电压与光照度关系是非线性关系,在照度位2023lx下趋于饱和。因此,光电池作为测量元件使用时,一般不作电压源使用,而作为电流源的形式应用。短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流,实验证明: 负载电阻RL越小,光电流与光照强度之间的线性关系越好,线性范围越宽。总之,负载电阻越小越好。图2-4 光电池
20、光照特性2.2.3 光谱特性不同材料的响应波长范围、峰值波长、积分灵敏度都由于不同的半导体材料的禁带宽度不同存在差异,如表4-2所示。硅光电池的光谱响应峰值在0.80.9m附近,波长范围(0.41.2)m,硒光电池光谱响应峰值在0.55m 附近,波长范围(0.380.75)m。锗光电池光谱响应峰值在1.41.5m硅光电池可以在很宽的波长范围内应用。表2-2 光电池的灵敏度和响应波长与材料的关系硒光电池的最大特点是其光谱特性与人眼的视觉函数比较接近,模拟人眼的检测比较方便,但稳定性差,灵敏度低,且寿命较短。而硅光电池灵敏度高,稳定性好,且寿命长,所以可见光照度计电路设计中优先采用硅电池,但要用可
21、见函数滤光片进行光谱特性的修正才干测量照度。2.3.4 频率特性频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。从图4-5中得知:硅、硒光电池的频率特性不同,硅光电池有较好的频率响应,硒光电池较差。在一些测量系统中,光电池作为接受器件,测量调制光(明暗变化)的输入信号,所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。这也是硅光电池在所有光电元件中最为突出的有优点。图2-5 光电池的频率特性硅光电池的响应时间在10-310-6s之间,光电转换效率高,国产的器件大多在17左右,而美国在2023年终研制出转换效率为20.1的太阳能电池。硅光电池在100mW/cm2的入射光照射下,其开路电压为
22、450600mV,短路电流为1630mA,光电转换效率为612。部分国产2CR硅光电池的重要技术参数如表2-1所示。表2-1 部分国产2CR硅光电池的技术参数表2.3 光电池的应用电路分析与设计光电池的应用重要有两个方面,用作检测光强的检测型光电池和用作电源的功率型光电池。用于光电检测器件的光电池,具有光敏面大,反映速度快,光电流随照度线性变化,工作时根据需要外加偏压等特点,常用于近红外探测器、光电耦合器、光电开关、光栅测量技术、激光准直等场合。用于电源使用的光电池,重要是直接把太阳的辐射能转换为电能,也称作太阳能电池。太阳能电池不需要燃料,没有运动部件,也不排放气体,具有重量轻、工作性能稳定
23、,光电转换效率高,使用寿命长,不产生污染等优点,在航天技术、气象观测工农业生产乃至人们的平常生活方面都得到了广泛的应用。实际应用时,把硅光电池单体串联、并联组成电池组,与镍镉电池组配合,作为卫星、微波站、野外灯塔、航标灯和无人气象站等无线电线路地区的电源使用。2.3.1 基于光电池的照度计电路分析在同一片光电池上,当光照强度一定期,短路电流与受光面积成正比,开路电压与受光面积的对数成正比。当光电池做检测器时,通常以电流源形式使用。开路电流是指将光电池输出端短路,输出电压为零时,流过光电池两端的电流,实际使用上都是外接有负载电阻的,当外接电阻相称于光电池内阻为很小时,可以认为接近于短路,此时,可
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