《单片机原理及应用》光电传感器.ppt

第9章 光电传感器 本章要求： 1、掌握光电效应及其光电器件； 2、了解新型光电传感器； 3、熟悉光电传感器的应用。 本章重点： 外光电效应、内光电效应及其光电器件。 本章难点： 光电位置传感器和光图像传感器。 光电传感器的组成 光电传感器的的转换原理是基于光电效应。 光电效应分为： 1、外光电效应； 2、内光电效应； 光电传感器由四部分组成：光源、光通路、光电元件和测量电路。 9.1 光源 9.1.1 光的特性 光具有波粒二重性，既具有波动的本性，又具有粒子的特性。 光的粒子说可知，光是由具有一定能量、动量和质量的粒子所组成，这种粒子称为光子。每个光子都具有一定的能量，其大小与它的频率成正比，即 E=hυ=hc/λ 式中h为普朗克常数，h=6.626×10-34（J.S）； υ为光子的频率（S-1）； C为光速，C=3×108（m/S）； λ为光的波长（m）。 9.1.2 常用光源及特性 1、热辐射光源 热辐射光源输出功率大，但电源的响应速度慢，调制频率一 般低于1KHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。 2、气体放电光源 气体放电光源发出的热量少，对检测对象和光电探测器件 温度影响小，对电压恒定要求也比白炽灯低。 3、电致发光器件 具有体积小、功耗低、寿命长（106∽109h）、工作电压低 （1∽2V）、响应速度快（几个纳秒至几十纳秒），便于与集 成电路相匹配等优点，因此得到广泛应用。 4、激光器 按工作物质来分：（1）固体激光器； （2）气体激光器； （3）半导体激光器；（4）液体激光器 。 9.2 光电效应 光电效应 物质在光的照射下释放电子的现象称为光电效应。 光电效应的实验规律： （1）光电流的大小与入射光的强度成正比； （2）光电子的初动能只与入射光的频率有关，而与入射光的强 度无关； （3）当入射光的频率低于某一极限频率时，不论光的强弱，照 射时间的长短，均无光电流产生； （4）从光照开始到光电子被被释放出来。整个过程所需的时间 小于10-9S。 光电效应分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。 9.3 外光电效应 9.3.1 外光电效应 1.外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表 面向外发射的现象称为外光电效应，又称光电子发射效应。 2.爱因斯坦光电效应方程式 由方程式知： 1)光电子能否产生，取决于光子能量是否大于该物体的表 面逸出功A0。 2)当入光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比 3)光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2， 9.3.2 外光电效应光电器件 （3）光电管的主要特性 光电特性 暗电流 伏安特性 I=f（UAK） 光谱特性 K=f（υ）UA=C 9.4 内光电效应 内光电效应有两种：光电导效应和光生伏特效应。 1、光电导效应 ：物体受光照后，物质吸收入射光子的能量使其内部载流子被激发而使其导电率增加，电阻值下降的现象称为光电导效应 2、光生伏特效应：在光线作用下，能够使物体在一定方向上产生电动势的现象称为光生伏效应。 光生伏特效应根据其产生电势的机理又可分为： （1）、侧向光生伏特效应 （2）、PN结光生伏特效应 （3）、光电磁效应（简称PEM效应） （4）、贝克勒尔（Bcquerl）效应 9.4.1 内光电效应器件 （一）光敏电阻：光敏电阻是基于半导体光电导效应制成的光电器件，又称光导管。 1、光敏电阻的结构和工作原理 2 光敏电阻的主要参数 ①暗电阻与暗电流 ②亮电阻与亮电流 ③光电流 3、光敏电阻的基本特性 ①光敏电阻的伏安特性 ②光敏电阻的光照特性 ③光敏电阻的光谱特性 ④光敏电阻的温度特性 ⑤响应时间和频率特性 ⑥稳定性 （二） 光电池 1 光电池的结构与工作原理 2 光电池的主要特性 （三） 光敏二极管 （四）光敏三极管 1光敏三极管的结构和工作原理 2、光敏三极管的主要技术特性 （1）、光谱特性 （2）、伏安特性 （3）、光电特性 （4）、温度特性 （5）、时间常数 （5）、时间常数 （6）、频率特性 （五）光敏晶闸管 （六）光敏集成器件 1、达林顿光电管 2、光电耦合器件 独具下列特点： （1）光电耦合器件实现了以光为媒介的传输，具有优良的隔离性。 （2）具有信号单向传输不可逆性。 （3）发光源使用砷化镓发光二极管，它具有低阻抗的特点，可以抑制干扰，消除噪声。 （4）响应速度快，可用于高频电