任务6 光电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（重庆大学版）

任务6 光电式传感器 任务导航 光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，它的基础是光电转换元件的光电效应。光电测量方法一般具有结构简单、非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点；另外，激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光纤等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在自动检测领域得到了广泛的应用。 学习目标 1.知识目标 （1）理解光电效应及光电器件； （2）理解光电式传感器的工作原理及特点； （3）掌握光电式传感器的测量电路； （4）了解光电式传感器的分类及应用。 2.能力目标 （1）会正确操作传感器与检测技术综合实验台； （2）会对实验数据进行分析； （3）按操作规程进行操作，具有安全操作意识； （4）知道光电转速传感器测量转速的原理及方法； （5）能够正确按照电路要求对光电式传感器模块等进行正确接线，并调试； （6）完成实验报告。 6.1 光电效应及光电器件 6.1.1 光电效应 光照射在物体表面上就可看成是物体受到一连串能量为E的光子轰击，而光电效应就是由于该物体吸收到光子能量为E的光后产生的电效应。 通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类： （1）外光电效应。在光线作用下能使电子逸出物体表面的称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 （2）内光电效应。在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应，又称光电导效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻等。 （3）半导体光生伏特效应。在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称为半导体光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏晶体管等。 基于外光电效应的光电器件属于真空光电器件，基于内光电效应和半导体光生伏特效应的光电器件属于半导体光电器件。 6.1.2 光电管 光电管由一个阴极和一个阳极构成，并密封在一支真空玻璃管内。光电管的特性主要取决于光电管阴极材料。 光电管基本特性： （1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性。 图6.1 光电管的结构 图6.2 光电管的伏安特性 图6.3 光电管的光照特性 6.1.3 光敏电阻 光敏电阻是由具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻器件。 1．光敏电阻的基本特性 （1）光电流：光敏电阻在不受光照射时流过光敏电阻的电流称为暗电流；在受光照射时流过光敏电阻的电流称为亮电流；亮电流与暗电流之差称为光电流。 （2）伏安特性:在一定的照度下，加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性曲线。 （3）光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性 。 图6.4 光敏电阻的伏安特性曲线 图6.5 光敏电阻的光照特性曲线 （4）光谱特性：光敏电阻对于不同波长l 的入射光，其相对灵敏度Kr是不同的。 （5）频率特性：相对灵敏度Kr与光强度变化频率f之间的关系曲线 。 （6）光谱温度特性：在不同温度下的相对灵敏度Kr与入射光波长l 之间的关系曲线。 图6.8 光敏电阻的光谱温度特性 图6.7 光敏电阻的频率特性 图6.6 光敏电阻的光谱特性 6.1.4 光敏晶体管 1．光敏二极管 （1）工作原理。 光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件。在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。 （2）光敏二极管的检测方法。 图6.9 光敏二极管 2．光敏三极管 （1）工作原理 （2）基本特性 ① 光谱特性 ② 伏安特性 ③ 光照特性 ④ 温度特性 ⑤ 时间常数 图6.10 光敏三极管 （3）光敏三极管的检测方法。 图6.13 光敏三极管的温度特性曲线 图6.11 光敏三极管的光谱特性曲线 图6.12 光敏三极管的光照特性曲线 6.1.5 光电池 1．光谱特性 光电池的相对灵敏度Kr与入射光波长l之间的关系称为光谱特性。 2．光照特性 光生电动势U与照度Ee之间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee之间的特性曲线称为短路电流曲线。如图6.15所示为硅光电池的光照特性曲线。 图6.14