4.1 光电式传感器（课件）-高一《传感器及应用》同步精品课堂（高教版—第2版）

4.1 光电式传感器 传感器及应用 第一章 常用低压电器 1 学习目标 知识目标 熟悉和掌握光电式传感器的光电效应。 能力目标 理解和运用光电元件及其特性、光电式传感器的应用类型等内容进行掌握。 情感目标 注重基本概念、基本原理、基本方法的阐述，并考虑中等职业教育的特点，避免了理论推导，增强了实际应用等方面的知识。 新课导入 思考：分小组总结光电式传感器的应用类型。 新知学习 一 、光电效应 光电元件的理论基础是光电效应。光电效应就是在光线作用下，物体吸收光能量而产生相 应电效应的一种物理现象，通常可分为外光电效应和内光电效应两种类型。 01 02 在光线作用下，物体电导性能发生变化或产生一定方向电动势的现象 称为内光电效应，它又可分为光电导效应、光敏晶体管效应和光生伏特效应。基于内光电效应 的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管和光电池。 (2)内光电效应 在光线作用下，电子从物体表面逸出的物理现象称为外光电效应，也 称光电发射效应。基于外光电效应的光电元件有光电管。 (1)外光电效应 新知学习 二 、光电元件及其特性 1. 光电管 以外光电效应原理制作的光电管由真空管、光电阴极 K 和光电阳极A 组成，其符号和基 本工作电路如图所示。当一定频率的光照射到光电阴极时，阴极发射的电子在电场作用 下被阳极所吸引，光电管电路中形成电流，称为光电流。 新知学习 二 、光电元件及其特性 1. 光电管 不同材料的光电阴极对不同频率的入 射光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象是红外光、可见光或紫外光而选择不同阴极材料 的光电管。光电管的光电特性如图所示。从图中可知，在光通量石太大时光电特性基本 是一条直线。 新知学习 二 、光电元件及其特性 2. 光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应的光电导效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下： (1)暗电阻 置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称 为暗电流。 (2)亮电阻 置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻 的电流称为亮电流。 (3)伏安特性 光敏电阻两端所加的电压和流过光 敏电阻的电流间的关系称为伏安特性 新知学习 二 、光电元件及其特性 2. 光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应的光电导效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下： (4)光电特性 在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。 (5)光谱特性 入射光波长不同时，光敏电阻的灵 敏度也不同。 (6)响应时间 光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间(上升时间)才能达到其 稳定值。 新知学习 二 、光电元件及其特性 3. 光敏晶体管 光敏晶体管是光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管的总称。 光敏二极管的结构与一般二极管相似，它的 PN 结装在管的顶部，可以直接受到光照射， 光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。 新知学习 二 、光电元件及其特性 光敏三极管有 PNP 型和 NPN 型两种，它的结构、等效电路、图形符号及应用电路如图所示。 新知学习 二 、光电元件及其特性 下面着重介绍光敏晶体管的基本特性。 (3)光电特性 光敏晶体管的输出电流 I。和照度 E。之间关系可近似地看作线性关系。 (4)温度特性 锗光敏晶体管的温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定， 而暗电流随温度变化很大，所以在使用时应在线路上采取措施进行温度补偿。 (1)光谱特性 光敏晶体管硅管的峰值波长为0.9 μm左右，锗管的峰值波长为1.5μm 左右。 (2)伏安特性 就像一般三极管在不同的基极电流时的输出特性一样，只要将入射光在发射极 与基极之间的 PN 结附近所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看成一般的三 极管。 (5)响应时间 硅和锗光敏二极管的响应时间分别为10~°s 和10~*s 左右，光敏三极管的 响应时间比相应的二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或入射光调制频率较高时选用 硅光敏二极管较合适。 新知学习 二 、光电元件及其特性 4. 光电池 光电池的工作原理是基于内光电效应的光生伏特效应。它的种类很多，有硅、硒、硫化 铊、碲化镉等，其感光灵敏度随材料和工艺方法的不同而有差异，目前应用最广泛的是硅光电 池，它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高等优点，但对光的响应速度还不 够高。 (1)光谱特性 (2)光电特性 (3)频率特性 (4)温度特性 新知学习 二 、光电元件及其特性 (1)光谱特性 图所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相对灵敏度K, 和 入