光电传感器1

2020/1/18第四章非电量的电测技术1第九节光电传感器学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用。光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。2020/1/18第四章非电量的电测技术2一、光电效应及元件用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串具有能量（每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘以光的频率γ，即E=hγ）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应光导效应光生伏特效应2020/1/18第四章非电量的电测技术3（一）外光电效应外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子，要使电子逸出物体表面，需对其做功A，以克服物体对电子的约束，A称为逸出功。设电子质量为m，逸出物体表面时的速度为υ，则电子的动能为mυ2/2。按照能量守恒与转换定律：E=hγ=mυ2/2+A爱因斯坦光电效应方程1、爱因斯坦光电效应方程2020/1/18第四章非电量的电测技术4E=hγ=mυ2/2+A1．光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。这就是说，每种物体都有相对应的光频阈值，称为红限频率，用γ0表示。γ0=A/h若入射光的频率小于红限频率，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，因此小于红限频率的入射光，光再强也不会产生光电效应。反之，若入射光的频率高于红限频率，即使光强微弱，也会使照射的物体有光电子发射出来。2020/1/18第四章非电量的电测技术5E=hγ=mυ2/2+A2．当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比。光愈强，意味着入射的光子数目越多，逸出的光电子数也就越多。3．光电子逸出物体表面时的初动能决定于光的频率。对于一定的物质，电子逸出功A是一定的，所以光子的能量hγ越大，则电子的初动能越大。2020/1/18第四章非电量的电测技术62、外光电元件紫外管当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线2020/1/18第四章非电量的电测技术7光电管光电管的阴极受到从光窗透进的光照射后，向真空发射光电子，这些光电子向阳极作加速运动，形成空间电子流，光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强。停止光照，外电路将无电流输出。阳极阴极AKAK2020/1/18第四章非电量的电测技术8K为光电阴极,A为光电阳极；D1、D2、D3…等若干个光电倍增极(又称二次发射极)，涂有光敏物质。光电倍增管光电倍增管的电流是逐级增加的。由于光电倍增管具有放大作用，因此适用做灵敏的若光探测器。入射光第一倍增极第倍增极n光电阴极第二倍增极阳极AKD1D2工作时，这些电极的电位是逐级增高的，当光线照射到光电阴极后，它产生的光电子受第一级倍增极D1正电位作用，加速并打在这个倍增极上，产生二次发射；由第一倍增极D1产生的二次发射电子，在更高电位的D2极作用下，又将加速入射到电极D2上，在D2极上又将产生二次发射…，这样逐级前进，一直到达阳极A为止。2020/1/18第四章非电量的电测技术9（二）光导效应及器件半导体材料受到光照时，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光（电）导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。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。2020/1/18第四章非电量的电测技术102、光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。2020/1/18第四章非电量的电测技术113、光敏电阻的主要参数及特点①几乎都是用半导体材料制成的光电器件。②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。③无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小；④当光敏电阻受到光照时，阻值减小。⑤光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。⑥一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。2020/1/18第四章非电量的电测技术12（三）光生伏特效应及器件在光线作用下,能使物体产生一定方向的电动势的现象。光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。器件：以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。其余的如光电二级管、光敏晶体管等属于这类光电器件。光电池2020/1/18第四章非电量的电测技术13工作原理：实质是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如p型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。最后建立一个与光照强度有关的电动势Es。图光电池工作原理图光生伏特效应PN结Es+-2020/1/18第四章非电量的电测技术142、光电二极管工作原理与电池相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中,其PN结装在管的顶部,可以直接受到光照射。将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方2020/1/18第四章非电量的电测技术15工作原理光照射在PN结上；无光照时,反向电阻很大,反向电流很小（暗电流）。光照射PN结时,光子打在PN结附近,使PN结附近产生光生电子和空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。光的照度越大,光电流越大。光敏二极管在不受光照射时,处于截止状态,受光照射时,处于导通状态。光2020/1/18第四章非电量的电测技术163、光电三级管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。工作原理（1）光电转换（2）电流放大2020/1/18第四章非电量的电测技术17工作原理光敏晶体管与一般晶体管很相似,具有两个PN结,只是它的基区一边做得很大,以扩大光的照射面积。当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对,从而形成光电流,相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加,因此集电极电流是光生电流的β倍,所以光敏晶体管有放大作用。2020/1/18第四章非电量的电测技术18光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。2020/1/18第四章非电量的电测技术194、光敏晶闸管导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。光敏晶闸管的特点：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。光敏面2020/1/18第四章非电量的电测技术205、光电耦合器件光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用,以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管,光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。2020/1/18第四章非电量的电测技术21（2）光电开关从原理上讲，光电开关及光电耦合器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电耦合器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。a)遮断型光电开关b)反射型光电开关2020/1/18第四章非电量的电测技术22p210信号检测方法2020/1/18第四章非电量的电测技术23b）反射型光电开关反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。2020/1/18第四章非电量的电测技术24定区域反射式光电开关原理定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。检测距离检测距离2020/1/18第四章非电量的电测技术25反射镜反射型光电开关工作原理反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。反射板反射镜被测物体偏振光发射光2020/1/18第四章非电量的电测技术26被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。2020/1/18第四章非电量的电测技术27反射式烟雾报警器在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。被测物体反射光通量的应用实例2020/1/18第四章非电量的电测技术28VA、VB、VC电压表零刻度处钻一小孔，指针两侧安装小灯泡、光电元件。VA、VB、VC处于零刻度，指针遮挡光电元件得光线，即可以并网。2、电力系统自动并网装置光敏三极管光控继电器电路当无光照时，V1截止，IΦ=0，则V2截至，继电器KA释放；有光照时，V2导通，kA吸合。2020/1/18第四章非电量的电测技术29发电机起动，合S2～S4，S1－1、S1－2。VA、VB、VC均不处于零刻度，电阻R'1～R'3均受光，V1～V6导通→K1K2K3带电，常闭触点K11、K21、K31断开，电磁起动器KM失电，常开触点KM断开，不能并网。考虑：自动并网过程。