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第七章 光电传感器Ⅰ 课题：光电传感器的原理及应用 课时安排：2 课次编号：14 教材分析 难点： 光电元件的应用电路 重点： 光电传感器的应用 教学目的和要求 1、了解光电元件的分类以及工作原理； 2、掌握光电元件的应用电路； 3、了解光电池的电流/电压转换电路及计算； 4、掌握光电传感器的应用。 采用教学方法和实施步骤： 讲授、课堂互动、分析 教具：各种光电元件、光电传感器 各教学环节和内容 演示： 做以下的演示： 将光敏电阻接到万用表的电阻量程，测量在有光照和没有光照情况下的的电阻值。 可以看到：随着光的照度的增加，光敏电阻的阻值从几个MΩ逐渐减小。在强光照的情况下，大约可减小到几个kΩ。 从以上演示，引入第一节光电效应、光电元件，以及它们的工作原理。 第一节 光电效应及光电元件 光电效应用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。通常把光电效应分为三类： 1）外光电效应在光线的作用下能使电子逸出物体表面的光电效应基于外光电效应的光电元件光电管、光电倍增管、光电摄像管等玻璃真空管元件。 2）内光电效应在光线的作用下能使物体的电阻率改变的光电效应内光电效应光电元件光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。 3）光生伏特效应在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的效应基于光生伏特效应的光电元件光电池等。 一、光电管由于材料的逸出功不同，所以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可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。光电管的图形符号及测量电路如图10-2所示。目前紫外光电管在工业检测中多用于紫外线测量、火焰监测等，可见光较难引起光电子的发射。 二、基于内光电效应的光电元件 （一）光敏电阻 1．工作原理 光照愈强，光生电子-空穴对就越多，阻值就愈低。2．光敏电阻的特性和参数 （1）暗电阻 置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1MΩ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。 （2）光电特性 在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。某型号光敏电阻的光电特性如图10-4所示。从图中可以当光照大于100lx时，它的光电特性非线性就十分严重了。照度定义E=dΦ/dA，所以1 lx=1 lm/m2。照度是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。 光通量是光源在单位时间内发出的光量总和。 光通量单位：流明（lm） 照度单位：勒克斯（lux）不同功率白炽灯不同颗数LED灯及节能灯在不同距离的照度性能试验参数单位为lx 距离 白炽灯 40W 白炽灯 60W 白炽灯 100W LED 180颗 LED 72颗 节能灯 26W 0.5m 610 815 1542 2155 735 1182 1.0m 124 185 334 589 175 272 1.5m 64 96 179 247 83 129 2.0m 44 65 122 148 51 94 2.5m 29 46 87 101 32 64 0lx是教育部门要求所有学校课堂桌面所必须达到的标准照度。光敏电阻光电特性为非线性用于光的精密测量只能用于定性地判断有无光照照相机的测光。 图10-4 某型号光敏电阻的光电特性 a）光照/电阻特性 b）光照/电流特性 （3）响应时间 光敏电阻的时延特性上升响应时间和下降响应时间10–2～103s，光敏电阻用在要求快速响应的场合（二）光敏二极管、光敏三极管1．光敏二极管结构及工作原理PN结光敏二极管的在电路中处于反向偏置状态当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。光敏二极管在应用电路中必须反向偏置否则电流就与普通二极管的正向电流一样，不受入射光的控制 图10-6 光敏二极管的反向偏置接法 2．光敏三极管结构及工作原理 光敏三极管有两个PN结只有正负（、）两个引脚，其外形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。 光线通过透明窗口落在基区及集电结上光敏三极管比二极管的灵敏度高。 图10- 光敏三极管图形符号 a光敏三极管图形符号 b光敏达林顿三极管图形符号 光敏三极管的频率特性比二极管差暗电流大。光敏晶闸管的导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有可达数百伏输出功率大主要用于光控开关电路及光耦中。 （三）光敏晶体管的基本特性 光谱特性不同材料的光敏晶体管对不同波长的入射其相对灵敏度Kr不同 图10- 光敏晶体管的光谱特性硅光敏晶体管滤光玻璃滤光玻璃伏安特性 （3）光电特性光电