傳感器原理第二章光敏傳感器主要內(nèi)容外光電效應(yīng)及器件光電管、光電倍增管光電導(dǎo)效應(yīng)及其應(yīng)用光敏電阻光生伏特效應(yīng)器件光電池、光敏二極管、光敏晶體管第二章光敏傳感器什么是光敏傳感器？光敏傳感器是能將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種器件，簡稱光電器件。它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光敏傳感器的工作原理用光敏傳感器測量非電量時，首先要將非電量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件的作用（利用光電效應(yīng)），再將光量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，從而實現(xiàn)光敏傳感器非電量電測的目的。第二章光敏傳感器光敏傳感器的工作過程被測量——光量——電量光敏傳感器被測量的認(rèn)知過程電量——光量——被測量光敏傳感器的應(yīng)用分類模擬式脈沖式什么是光電效應(yīng)？外光電效應(yīng)在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象應(yīng)用：光電管、光電倍增管等內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象應(yīng)用：光敏電阻阻擋層光電效應(yīng)（光生伏特效應(yīng)）在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象應(yīng)用：光電池、光敏二極管、光敏晶體管等發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度是表征光源（物體）發(fā)光能力大小的物理量。光源在某一特定方向上單位立體角內(nèi)（每球面度）輻射的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度（又稱光通的空間密度）符號為I，單位為坎德拉（cd）。

光亮度光亮度是表示發(fā)光面明亮程度的，指發(fā)光表面在指定方向的發(fā)光強(qiáng)度與垂直且指定方向的發(fā)光面的面積之比單位是坎德拉/平方米（cd/m2）以下是部分光源的亮度值：日光燈：（5—10）*103；月光（滿月）：2.5*103；黑白電視機(jī)熒光屏：120左右；彩色電視機(jī)熒光屏：80左右。光通量單位時間里通過某一面積的光能，稱為通過這一面積的輻射能通量。符號F，單位為流明（lm）絕對黑體在鉑的凝固溫度下，從5.305*103cm2面積上輻射出來的光通量為1lm。為表明光強(qiáng)和光通量的關(guān)系，發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點光源在單位立體角（1球面度）內(nèi)發(fā)出的光通量為1lm。一只40W的日光燈輸出的光通量大約是2100流明。

光照度lx單位為勒克斯(Lux)被光均勻照射的物體，距離該光源1米處，在1m2面積上得到的光通量是1lm時，它的照度是1lux。習(xí)稱“燭光米”。黑夜：0.001—0.02；月夜：0.02—0.3；陰天室內(nèi)：5—50；陰天室外：50—500；晴天室內(nèi)：100—1000；夏季中午太陽光下的照度：約為10*9次方；閱讀書刊時所需的照度：50—60；家用攝像機(jī)標(biāo)準(zhǔn)照度：1400。2.1外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)在光照射下，某些材料中的電子逸出表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射效應(yīng)外光電效應(yīng)器件光電管光電倍增管光電管光電管電極光電陰極：在適當(dāng)波長光線照射時發(fā)射電子光電陽極：吸引電子光電管分類真空光電管充氣光電管光電管的伏安特性光電陰極發(fā)射的電子數(shù)量與光照的強(qiáng)度有關(guān)光電管的電極上需要加上適當(dāng)?shù)碾妷翰拍鼙ＷC光電陰極逸出的電子完全被光電陽極吸收，從而在外電路中形成與光照有關(guān)的電流光電管真空光電管充氣光電管惰性氣體電離，增加靈敏度優(yōu)點：靈敏度高缺點：靈敏度隨陽極電壓顯著變化的穩(wěn)定性、頻率特性比真空光電管差光電管的缺點在入射光極為微弱時，能產(chǎn)生的光電流很小，在測量電路中，容易受到噪聲的影響光電倍增管光電倍增管由光電陰極、若干倍增極和陽極三部分組成入射光能在光電陰極激發(fā)電子倍增極在受到一定數(shù)量的電子轟擊后能釋放出更多的電子，稱為“二次電子”陽極將這些電子收集起來形成電流2.2光電導(dǎo)效應(yīng)器件及其應(yīng)用什么是光電導(dǎo)效應(yīng)？光照射半導(dǎo)體材料時，材料吸收光子而產(chǎn)生電子－空穴對，使導(dǎo)電性能加強(qiáng)，電導(dǎo)率增加，人們把這種光照后電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，又稱內(nèi)光電效應(yīng)。光敏電阻是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件光敏電阻的工作原理光敏電阻沒有極性，是電阻器件當(dāng)無光照時，光敏電阻的暗電阻很大，電路中電流很小；當(dāng)受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增加光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定。因此在自動化技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。光敏電阻的主要參數(shù)暗電阻光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一段時間測量的電阻值暗電阻時在給定的工作電壓之下流過光敏電阻的電流，稱為暗電流光敏電阻的主要參數(shù)亮電阻光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻此時流過的電流稱為亮電流光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小，性能越好光敏電阻的主要參數(shù)光電靈敏度單位光通量入射時光敏電阻能輸出的光電流的大小電壓相對靈敏度在單位外加電壓下入射單位光通量時所輸出的光電流值積分靈敏度單位光通量入射時，電阻值的相對變化率光敏電阻的伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系光敏電阻都有最大額定功率、最大額定電流和最高工作電壓光敏電阻的光照特性光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此它不宜作為測量元件，一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件光敏電阻的光譜特性光譜特性體現(xiàn)光敏電阻對不同波長的光的不同靈敏度在選擇光敏電阻時應(yīng)根據(jù)光源來考慮光敏電阻的響應(yīng)時間光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流并不立刻上升到最大飽和值，而光照去掉后，光電流也不立刻下降到零，這說明光電流的變化對于光的變化在時間上有一個滯后，這就是光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象光敏電阻的響應(yīng)時間光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象通常用響應(yīng)時間表示。響應(yīng)時間又分為上升和下降時間，它們是表征光敏電阻性能的重要參數(shù)光敏電阻的響應(yīng)時間光照的強(qiáng)度有關(guān)，光照越強(qiáng)，響應(yīng)時間越短光敏電阻的頻率特性相對靈敏度與光調(diào)制頻率之間的關(guān)系曲線不同材料的的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時間，它們的頻率特性也就不盡相同光敏電阻的溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大，當(dāng)溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降溫度對光敏電阻的光譜特性也有很大影響，溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動光敏電阻的穩(wěn)定性初制成的光敏電阻，由于其內(nèi)部組織的不穩(wěn)定性以及其他原因，光電特性是不穩(wěn)定的。當(dāng)受到光照和外接負(fù)載后，其靈敏度有明顯下降在人為地加溫、光照和加負(fù)載的情況下，經(jīng)過一定時間的老化，光電性能逐漸趨向穩(wěn)定后就基本不變了2.3光生伏特效應(yīng)器件什么是光生伏特效應(yīng)？在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象利用光生伏特效應(yīng)的器件光電池光電二極管光電晶體管PN結(jié)光電池若給PN結(jié)連接一個用戶電路，只要光照不停止，可連續(xù)產(chǎn)生電子空穴對，電路中就有連續(xù)不斷的電流通過。此時，PN結(jié)就起到電源的作用，因此又將其稱為光電池。PN結(jié)光電池光敏二極管光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，此時的反向電流稱為暗電流當(dāng)PN結(jié)受到光照射時，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，使少數(shù)載流子增加，因此通過PN結(jié)的反向電流也隨著增加光敏晶體管光敏晶體管光敏晶體管能在把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的同時，又將信號電流加以放大當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，基極－集電極結(jié)就是反向偏壓當(dāng)光照在基－集結(jié)上，就會形成光電流輸入到基極，由于基極電流增加，集電極電流是光生電流的β倍，實現(xiàn)放大光敏晶體管的基極一般不接引線，許多光敏晶體管只有集電極和發(fā)射極兩端有引線光譜特性光敏二極管與光敏晶體管均在某些特定波長段有較大的相對靈敏度伏安特性光敏晶體管的光電流遠(yuǎn)大于相同管型的二極管零偏壓時，二極管有光電流輸出，而晶體管則沒有光照特性溫度特性光敏晶體管的溫度特性是指其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對光電流影響較小，對暗電流影響較大頻率響應(yīng)光敏管的頻率響應(yīng)是指具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)系頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長等因素有關(guān)光電管實物圖片光電倍增管實物圖片光電池光敏二極管光敏晶體管光電式傳感器應(yīng)用的幾種形式脈沖編碼器光電轉(zhuǎn)速傳感器原理光敏電阻火焰探測器電路原理圖

光敏電阻火焰探測器應(yīng)用硫化鉛光敏電阻為火焰探測器的探測元件硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1MΩ，亮電阻為0.2MΩ(光照度0.01W/m2下測試的)，峰值響應(yīng)波長為2.2μm。硫化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6V，電流約為6μΑ。V2管集電極電阻兩端并聯(lián)68μF的電容，可以抑制100Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。V2、V3構(gòu)成二級負(fù)反饋互補放大器，火焰的閃動信號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進(jìn)行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值的變化不致于影響輸出信號的幅度，保證火焰報警器能長期穩(wěn)定地工作。光電式緯線探測器應(yīng)用光電式緯線探測器是應(yīng)用于噴氣織機(jī)上，判斷緯線是否斷線的一種探測器。光電式緯線探測器應(yīng)用當(dāng)緯線在噴氣作用下前進(jìn)時，紅外發(fā)射管VD發(fā)出的紅外光，經(jīng)緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號時，說明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號，通過后續(xù)電路放大、脈沖整形等，控制機(jī)器正常運轉(zhuǎn)還是關(guān)機(jī)報警。由于緯線線徑很細(xì)，又是擺動著前進(jìn)，形成光的漫反射，削弱了反射光的強(qiáng)度，而且還伴有背景雜散光，因此要求探緯器具備高的靈敏度和分辨力。為此，紅外發(fā)光管VD采用占空比很小的強(qiáng)電流脈沖供電，這樣既保證發(fā)光管使用壽命，又能在瞬間有強(qiáng)光射出，以提高檢測靈敏度。一般來說，光電池輸出信號比較小，需經(jīng)放大、脈沖整形以提高分辨力。光敏三極管在點火控制器中的應(yīng)用光敏三極管應(yīng)用由于煤氣是易燃、易爆氣體，所以對燃?xì)馄骶咧械狞c火控制器的要求是安全、穩(wěn)定、可靠。為此電路中有這樣一個功能，即打火確認(rèn)針產(chǎn)生火花，才可打開燃?xì)忾y門；否則燃?xì)忾y門關(guān)閉，這樣就保證使用燃?xì)馄骶叩陌踩?。在高壓打火時，火