第8章 光电传感器
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16
三、光敏二极管和光敏晶体管
1. 光敏二极管的光电效应
无光照时, 反向电阻很大, 反向电流很小(暗电流)。 有光照时, 光生电子和空穴在PN结电场和外加反向偏压的共 同作用下,形成光电流I。光的照度越大, 光电流越大。
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2. 光敏晶体管的光电效应
无光照时, 相当于晶体管基极开路,只有很小的暗电流 有光照时, 光生电子和空穴形成基极电流,此电流在外加集 电结反偏电压作用下,经放大而成为集电极电流。
6 Q1 NT D2 95 5
P2. 7
P27
6 R9 1 0K
OT 7
6L1 LED
6 U1A 5 21
OT 7
单片机输出
6 R1 2 00
3K
光电隔离单片 机与负载端无 电的联系
GIO
GIO
6 R10
接负载
28
8路光电隔离输出
OT 0 OT 1 OT 2 OT 3 OT 4 OT 5
6 Q6 NT D2 95 5 6 R30 1 0K 6 R17 1 0K +24 V 6 R19 1 0K G2 4
例如:W=0.02mm,一般光电元件难以检测,当β=0.01 rad时, BH=2mm,已经容易用一般的光电元件进行检测了。 (2)莫尔条纹可以消除光栅尺局部缺陷引起的误差 (3)莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动的 大小和方向。
41
二、 光栅传感器的组成
1. 光栅传感器的组成
(1)光源
红外遥控器——发射器件、接 受器件分开。
34
第二节 光栅传感器
有普通光栅、
莫尔条纹
两种。 普通光栅:
1-光源 2-柱面镜 3-码盘 4-狭缝 5-元件
35
普通光栅
光透过槽(孔),接收器件输出 脉冲
光栅的数量不能多——槽(孔)不能太小太密 光检测元件有一定的尺寸,不能太小
故要求高的,一般用莫尔条纹制作光栅
同样用光电池做检测元件——光源与光电池处于被测薄膜两边
光源的光——一部分被吸收,一部分投射到达光电池
吸收的光的量与薄膜厚度有关——也就是通过透射到达光电池 的光与薄膜厚度有关。
32
5. 红外遥控器
发射管----接收管分别处于……
33
6. 反射式红外收发
还有反射式红外收发器件,例如
红外控制的洗手池的自动水龙头——用到 红外发射接收器件
12
2. 光电池的基本特性
(1)光谱特性 光电池对不同波长的光,其光电转换灵敏度是不同的,即光谱 特性,如图所示。
硅光电池:光谱响应范围400~1200nm,光谱响应峰值波长在 800nm附近; 硒光电池:光谱响应范围380~750nm,光谱响应峰值波长在 500nm附近。
13
(2) 光照特性
5 21 -1
5 21 -1
5 21 -1
5 21 -1
5 21 -1
5 21 -1
5 21 -1
INO1
INO2
INO3
INO4
INO5
INO6
INO7
INR 1 5 10
INR 2 5 10
INR 3 5 10
INR 4 5 10
INR 5 5 10
INR 6 5 10
INR 7 5 10
INO8
24
用于实现电信号隔离传输的光 耦: 使用注意事项: 隔离的两边不应该有电的任何 联系。
25
例:光电耦合器件实现输入信号的隔离
L1
VIO S1 G_ IO
IN_O1
INR20 3.3KΩ
VCC
I0 INR1 1KΩ 521-1
P1.0
输入信号
光电耦合器件隔离, 使输入开关电路与 单片机电路之间无 电的联系
4
基本结构和电路
如图
光 照
RG
负 RL 载
5
3、 光敏电阻的基本特性
(1) 光谱特性
是指光电流对不同波长的单色光的相对灵敏度。
典型光谱特性如下:
6
(2)光照特性
是指在一定的电压下,光电流I与光照强度E的关系。
光敏电阻具有较高的灵敏度 具有明显的非线性
7
(3)伏安特性
在一定光照度下,光敏电阻两端所加的电压与其光电流之间的 关系,称为伏安特性。
W 2 BH sin / 2
由于β很小,
sin / 2
2 (8 1)
40
W W 2 故 BH sin / 2
3. 莫尔条纹的特性
(1) 莫尔条纹的间距BH对光栅常数W具有放大作用
BH
W
(8 1)
β是两光栅尺之间的夹角(用弧度表示)其值很小(<1)
故BH比光栅的删距W大很多,容易用光电元件检测。
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(5)温度特性
在光照一定的条件下,光敏电阻的阻值随温度的升高而下降, 即温度特性,用温度系数来表示。 温度不仅影响光敏电阻的灵敏度,而且还影响其光谱特性,温 度升高,光谱特性向短波方向移动,如图8-12所示。
11
二、 光电池
1.光电池的光电效应
实质是一个大面积的PN结。
当光照射到PN结上时, 若光子能量足够大, 就在PN结附近激发 大量的电子—空穴对,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——叫做光生电势。若存在电路,就有电 流——叫做光生电流。 光电池是典型的光生伏特效应器件。 光电池:硒光电池、硅光电 池、锗光电池、砷化镓光电 池、氧化亚铜光电池等
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一、莫尔条纹
1.光栅 又叫光栅尺,利用化学方法在玻璃上均匀刻线,形成规则排 列的透光和不透光的明暗条纹——透射式光栅尺
3 2 1
W n
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
m
n
m---暗条纹宽度;
n---亮条纹宽度;
W=m+n – 光栅栅距 ,又叫光栅常数
37
01
11
00
10
除了直光栅外,还有圆光栅
30
3. 反射式固体表面粗糙度仪
教材P133页给出了一种利用光电池做检测元件的固体物表面粗 糙度测量仪器的基本原理。 光源发射的光照射到被测固体物表面,一部分光被吸收,一部 分光被反射。 表面粗造度不同——对光的反射不同 表面光滑,反射的光多 反之少
用光电池接收反射的光——
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4. 透射式薄膜厚度计
光电池在不同光照强度下,有不同的光生电动势和光生电流。 硅光电池的光照特性如图所示。 硅光电池开路电压为 0.4~0.6V
具有非线性
在2000lX以下趋于线性 短路电流(负载电阻很小时的电流)与光照度关系在很大范 围是线性的,负载电阻越小,线性度约好。 因此,将光电池作为检测元件时,是利用其短路电流,作为电 流源的形式来使用。
01
11
00
圆光栅:在圆周上均匀刻线
10 11
01
00
10
01
00
10
00 10
11
11
01
38
除了以上透射式,还有反射式——金属光栅。
利用激光和化学方法共同处理——造出光反射条纹和光不反射 (吸收)条纹 也同样有直光栅和圆光栅。
39
2. 莫尔条纹
把两块栅距W相等的光栅平行安装,且让它们的刻痕之间有较小的夹 角β时,这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹,这种条纹称莫尔条纹, 它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列,如图所示。
OT 0
OT 1
OT 2
OT 3
OT 4
6 Q1 NT D2 95 5
6 Q2 NT D2 95 5
6 Q3 NT D2 95 5
6 Q4 NT D2 95 5
6 Q5 NT D2 95 5
6 R25 1 0K +24 V 6 R9 1 0K
6 R26 1 0K +24 V 6 R11 1 0K
6 R27 1 0K +24 V 6 R13 1 0K
INR 8 5 10
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
2 4V
I0
I1
I2
I3
I4
I5
I6
L8
I7
5 21 -1
P1 .7
INR 2 7 1K
27
例: 光电耦合器隔离输出
如果外部干扰强,或者电压高,为了保证单片机的可靠工作, 一般使用光电耦合器件隔离输出。
VIO VCC
1 2 16 15
1 0K
6 R25
输入信号
26
8路光电隔离输入
P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6
VC C VC C VC C VC C VC C VC C VC C VC C INR 2 0 1K INR 2 1 1K INR 2 2 1K INR 2 3 1K INR 2 4 1K INR 2 5 1K INR 2 6 1K
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(3)频率特性
光电池的频率特性是指其输出电流随照射光调制频率变 化的关系,如图所示。
硅光电池响应频率较高,适用于作高速计数的运算器电池; 硒光电池响应频率较低,不宜用做快速光电转换。
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(4) 温度特性
一组硅光电池的温度特性是指其开路电压和短路电流随温度变 化的关系。
硅光电池的开路电压随温度升高快速下降,短路电流缓慢上升
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(2) 光照特性
在端电压一定条件下,光敏管的光电流与光照度的关系,称为 光敏管的光照特性。
20
(3)伏安特性
光敏管在一定光照下,其端电压与器件中电流的关系,称为光 敏管的伏安特性。
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(4) 频率特性
光敏管的频率响应是指具有一定频率的调制光照射光敏管时, 光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随调制频率的变化关 系。
第八章 光电传感器
1
第一节 常用光电器件
是一种将光信号转换成电信号的装置。
具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点。
得到广泛应用。 光电效应通常可分为三类
(1)光电导效应:光照改变半导体的导电率,从而引起半导体电阻值变化 的效应。
光敏电阻属于这类器件 (2)光生伏特效应:光照改变半导体PN结电场,从而引起结电势变化的效 应,又叫做PN结光电效应。 光电池、光敏晶体管属于这类器件 (3)光电发射效应:某些物质在光的照射下,能从表面向外部发射电子的 现象,叫光电发射效应。 光电管、光电倍增管属于这类器件。
8
(4)响应时间与频率特性
光敏电阻在照射光强变化时,由于光电导的驰豫现象,其 电阻的变化在时间上有一定的滞后,通常用响应时间表示。 响应时间又分为上升时间t1和下降时间t2,
9
光敏电阻上升和下降时间的长短,表示其对动态光信号响应的 快慢,即频率特性,如图所示。 光敏电阻的频率特性不仅与元件的材料有关,而且还与光照的 强弱有关。
3
4
5
6
7
8
1
2
3
VCC 6 R5 2 00
VCC 6 R1 2 00
VCC 6 R2 2 00
VCC 6 R3 2 00
VCC 6 R4 2 00
VCC
4
6 R6 2 00
P20
P21
P22
P23
P24
P20
P21
P22
P23
P24
P25
P25
13来自百度文库
9
29
2. 光电转速计
一种用于检测的光电耦合器
是一种透射式,一边为发光元件,另一边为光敏元件。
6 R28 1 0K +24 V 6 R15 1 0K
6 R29 1 0K +24 V
G2 4
G2 4
G2 4
G2 4
OT 5
G2 4 6 U2B 5 21
16
15
14
13
12
11
10
16
15
14
6 U2A 5 21
6 U1A 5 21
6 U1B 5 21
6 U1C 5 21
6 U1D 5 21
1
2
2
一、光敏电阻
1、光敏电阻的光电效应 无光照时,其阻值很大; 有光照时,阻值下降,光照越强阻值越低
光照停止,又恢复高电阻状态。
光敏电阻是典型的光电导器件。
3
2. 光敏电阻分类
(1)紫外光敏感元件——对紫外光敏感 紫外线波长10~380nm,紫外光是指至外线的内侧光波, 波长λ=300nm~380nm (2)可见光敏感元件——对可见光敏感 波长λ=380nm~760nm。 这类敏感元件适用于光电计数、光电耦合、光电控制 (3)红外光敏感元件——对红外光敏感 红外线波长:760nm~1000000(106)nm,红外光是指红外 线的内侧光波,波长λ=760nm~6000nm 这类期间主要用于探测不可见目标。
(2)透镜——将光源的光变为平行光 (3)主光栅尺——又叫标尺光栅,一般较长,固定不动
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3. 光敏管的基本特性
(1) 光谱特性 光敏管在恒定电压作用和恒定光通量照射下,光电流(用相对 值或相对灵敏度)与入射光波长的关系,称为光敏管的光谱特 性。 Si光敏管,光谱响应波段 400~1300nm,峰值响应波 长约为900nm
Ge光敏管,光谱响应波段 500~1800nm,峰值响应波 长约为1500nm
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(5) 温度特性
在端电压和光照度一定条件下,光敏管的暗电流及光电流与温 度的关系,称为光敏管的温度特性。
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四、常用光电器件的应用
1.光电耦合器
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。