光电子技术课程设计指导书改

光电子技术基础课程设计指导书西安理工大学2010年12月I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…………………………241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1011W／cm2Sr这是因为激光虽然功率有限，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（包括可见光中的强者：太阳光），这也是激光可用于星际测量的根本原因所在；2.激光的单色性好。这是因为激光的光谱频率组成单一。3.激光的方向性好。激光具有非常小的光束发散角，经过长距离的飞行以后仍然能够保持直线传输；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企业、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。这是因为基于相位法的激光测距仪轻易地就可以克服超声波测距的一大缺陷：误差过大，使测量精度达到毫米级别。而基于此法的激光测距仪主要的缺点在于电路复杂、作用距离较短（一百米左右，经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标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，由接收模块的鉴波器进行接收处理。也就是说，该方2法是一种有合作目标要求的被动式激光测距技术。如下图所示：核心控制电路部分激光二极管数字处理由图所显示的关系，我们可以知道，用正弦信号调制发射信号的幅度，通过检测从目标反射的回波信号与发射信号之间的相移φ，通过计算即可以得到待测距离。ΔD=ct/2①t=φ/ω②又有ω=2nf③φ=N+Δφ④即D=（N+Δφ）*c/(4nf)⑤其中，D是待测距离，也即测距仪与目标物间距离；C是光速，等于299792458m/s（假设光速未受环境影响）；t是往返测距仪与目标物间距离一次的时间；φ是激光光束往返一次后所形成的相位差；Δφ是激光光束往返一次后所形成的相位差不足半波长的部分；3N是相位差中半波长的个数；ω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确定，所以这就导致了基于相位法的激光测距仪只能测定Δφ，相位差中不足半波长的部分。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，可达到毫米级别。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，光敏电阻才能呈现光电导效应。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。还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。特别提示的是：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。4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，曲线的斜率表示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，对照度曲线线性度要求较高；但在光电开关应用中，对线性度要求不高。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经过一段时间，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10-2~10-3s，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，尤其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51.3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）光谱响应范围相当宽。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，尤其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。（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。其缺点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，主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程度时，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，U1-③输出脉冲信号。当U1-③输出高电平时，经D2、C4形成充电电路，有适当电流流过D2，D2就会发光，而且随着充电时6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U1-③形成放电电路。当U1-③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U1-③形成放电电路。这样，U1-③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程度时，Q1的基极电压高于0.7V，开关管8050导通，U1-⑦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。U1-③则不能输出脉冲信号，由于电容的隔直作用，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2μm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，当辐射光被光敏电阻接收时，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7（1）光敏电阻在劳动保护中的应用——光线照度提醒电路课题要求：当光线暗到一定程度（可调），采用声、光提醒；否则，没有任何动作。设计步骤：①确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，产生声光提示。②设计单元电路：光线感应电路：由于感应可见光的亮暗程度，实现开关的动作，电路设计中利用开关管的阈值来实现。可以利用施密特触发器（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。光线感应电路中可利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：利用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示，而声光提示信号的频率要求不同，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：由于声光提示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，当光线暗到一定程度，当电路中探测到话音的时候，受控源（照明灯）的开关闭合，并延迟一定时间断开，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。光线感应电路脉冲产生电路声光驱动电路8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.2000年，第28卷第1期：55~57.[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.2007年，第17卷第1期：6~8.[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.2008年，Vo1．18No．1：39~42.9第2章光电池及其应用电路分析22..11光光电电池池的的功功能能与与结结构构光光电电池池就就是是一一个个大大面面积积的的PPNN结结，，来来接接收收更更多多的的入入射射光光。。光光电电池池的的制制作作材材料料有有许许多多种种，，例例如如硅硅、、硒硒、、锗锗、、硫硫化化镉镉、、砷砷化化镓镓，，其其中中最最常常用用的的是是硅硅光光电电池池。。硅硅光光电电池池是是用用单单晶晶硅硅组组成成，，在在一一块块NN型型硅硅片片上上扩扩散散PP型型杂杂质质，，形形成成一一个个扩扩散散PP++NN结结；；或或在在PP型型硅硅片片上上扩扩散散NN型型杂杂质质，，形形成成NN++PP结结；；再再焊焊上上两两个