4项目四 光信号的检测（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（北京理工大学版）

项目四 光信号的检测 任务一光控节能路灯电路的设计与制作 任务二红外自动干手器电路设计与制作 任务三自动生产线的零件打包系统设计与制作 任务四光电编码器鉴相计数电路 1 任务一光控节能路灯电路的设计与制作 一、任务描述 利用光敏器件实现能够在黄昏时自动接通路灯的电源，在黎明时自动关闭路灯，实现对路灯的自动控制，要求灵敏度高，灯泡由220 V市电供电。 二、任务目标 (1)掌握光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等器件的检测方法。 (2)能够运用光敏器件进行电路的设计。 (3)了解光敏器件的结构原理。 下一页 返回 任务一光控节能路灯电路的设计与制作 三、知识链接 1.光电式传感器 将光量转换为电量的器件，称为光电传感器或光电元件。光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件，具有结构简单、精度高、响应快、非接触等优点，在计算机、自动检测、控制系统中应用非常广泛。 2.光电传感器的测量原理 光具有波粒二象性，由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子(光子)流，一束频率为v的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为E=hv 上一页 下一页 返回 任务一光控节能路灯电路的设计与制作 通常将光电效应分为3类: ①在光线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光电管、光电倍增管等。 ②在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象，称为内光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻等。 ③在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件有光电池、光敏二极管、光敏三极管等。 1)外光电效应 光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量可由式(4-1)确定，即 E=hv (4-1) 上一页 下一页 返回 任务一光控节能路灯电路的设计与制作 式中 h—普朗克常数，6.626x10-34J v—光的频率，s-1。 物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功时，电子就逸出物体表面，产生光电子反射。如果一个电子想要逸出，光子能量hv必须超过逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理 式中 m —电子质量; v0 —电子逸出速度。 上一页 下一页 返回 任务一光控节能路灯电路的设计与制作 由式(4-2)可知: (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电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频闽值，称为极限频率或波长。光线频率低于极限频率，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于极限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子反射;反之，入射光频率高于极限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。 (2)当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比，即光强越大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。 上一页 下一页 返回 任务一光控节能路灯电路的设计与制作 (3)光电子逸出物体表面具有初始动能1/2mv02 ，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。 2)内光电效应 当光照在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象，称为内光电效应。分为光电导效应和光生伏特效应(光伏效应)。 (1)光电导效应。入射光强改变物质电导率的物理现象，称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，由于在入射光作用下电子吸收光子能量，从价带激发到导带过渡到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起电阻率减小。 上一页 下一页 返回 任务一光控节能路灯电路的设计与制作 为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度的能量Eg ，电子能级示意如图4-1所示。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。 (2)光生伏特效应。在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池。 当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度(E0 > Eg)，可激发出电子一空穴对。在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势，如图4-2所示。 3.外光电效应的光电器件 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。 上一页 下一页 返回 任务一光控节能路灯电路的设计与制作 1)光电管结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似，如图4-3(a)所示。它们由一个阴极和一个阳极