资源简介

中小学教育资源及组卷应用平台
项目七 光电式传感器的应用
一、教学目标
1.了解光电效应。　
2.了解各类光电元件。
3.掌握各类光电式传感器的工作原理。
4.掌握光电式传感器测量转速的方法。
二、课时分配
本项目共2个任务，本项目安排4课时。其中理论课时2课时，实践课时2课时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生理解能正确识别各类光电式传感器能根据任务要求，正确安装光电式传感器，正确完成光电式传感器测量转速的电路接线，正确测量转速并且读数正确。的相关知识。通过本项目的学习，新旧知识得以重新整合，使学生对传感器的认识更完整，更清晰。
四、教学难点
1.能识别各类光电式传感器。
2.能根据任务要求，正确安装光电式传感器。
3.正确完成光电式传感器测量转速的电路接线。
4.正确测量转速并且读数正确。
五、教学内容
任务一 光电式传感器在转速检测中的应用
知识链接
一、光电效应
用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串具有能量（每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘以光的频率γ，即E=hγ）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。
由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。
1.外光电效应
在光线的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紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。
2.内光电效应
半导体材料受到光照时，使其导电性能增强，光线越强，阻值越低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。
3.光生伏特效应
在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象，称为光生伏特效应。具有光生伏特效应的光电器件有硅、硒、砷化镓、氧化铜、锗等材料做成的光电池。
二、光电元件
1.基于外光电效应的光电元件
（1）光电管
光电管是基于外光电效应原理工作的光电元件。根据爱因斯坦光量子学说，一个光子的能量只能给一个电子，要使电子逸出物体表面，需对其做功A，以克服物体对电子的约束，A称为逸出功。设电子质量为m，逸出物体表面时的速度为υ，则电子的动能为。按照能量守恒与转换定律：
根据上式电子能否逸出物体表面，取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。每种物体都有相对应的光频阈值，称为红限频率，用γ0表示。
对于一定的物体，如果入射光的频率高于该物体的红限频率，会使照射的物体有光电子发射出来，光线越强，意味着入射的光子数目越多，逸出的光电子数也就越多。电路中的光电流也越大。反之入射光的频率小于该物体红限频率，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，光再强也不会产生光电效应。
光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极K、阳极A，光阴极涂有光敏材料，如图所示。
光电管的结构
阳极2—光阴极3—玻璃外壳4—底座5—电极引脚6—定位销
下图是光电管的符号及测量电路。当光线照射在涂在光阴极的光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。
光电管的符号及测量电路
（2）光电倍增管
光电管输出较小，实际应用中常采用光电倍增管。光电倍增管的电流是逐级增加的。由于光电倍增管具有放大作用，因此适于做灵敏的弱光探测器。如图所示在阳极和阴极之间有若干个光电倍增极(又称二次发射极)，涂有光敏物质。
光电倍增管的结构和工作原理
2.基于内光电效应的光电元件
（1）光敏电阻
如图（a）所示，在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，并且在其两端引出梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜，并封装在玻璃管壳中就构成了光敏电阻。光敏电阻的图形符号如图（b）所示。
光敏电阻
构成光敏电阻的材料主要是金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料，光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可以加直流电压, 也可以加交流电压。
（2）光敏二极管
光敏二极管是一种利用PN结的单向导电性工作的光电元件，与一般的二极管不同之处在于光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，以便接受光线照射，如图（c）所示。
光敏二极管
下图为光敏二极管的基本应用电路，PN结在电路中处于反向截止状态。
光敏二极管的基本应用电路
（3）光敏三极管
光敏三极管有两个PN结，与普通三极管相似，如图（a）所示。
光敏三极管
当光线照射在基区和集电结上，导致集电结附近产生较大的光电流，与普通三极管相似，集电极电流Ic是原始电流的β倍，所以光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。光敏三极管常见的应用电路如图所示。
应用电路
有时有些厂家还会把光敏三极管和一个普通的三极管组合成复合管形式，做在一个管芯里，成为达林顿光敏三极管，如图所示。
达林顿光敏三极管
3. 基于外光电效应的光电元件
（1）光电池
光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源——太阳能电池，所以广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。
如图（a）所示，光电池实质是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面, 例如p型面时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向内迅速扩散,如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。最后建立一个与光照强度有关的电动势。
光电池
四、光电元件的基本特性
1.光照特性
光照特性是指光电元件的光电流和光电元件上的光照度E的对应关系，用表示。图是各种光电元件的光照特性，从图（a）可以看出，光敏电阻的光照特性是非线性的，所以，光敏电阻一般在检测电路中被做为开关元件使用。
各种光电元件的光照特性
图（b）是光敏二极管的光照特性，是线性的。因此可以使用光敏二极管检测光信号。图（c）是光敏三极管的光照特性，也是非线性的，但是从图中可以看出相同照度下，光敏三极管的光电流要比光敏二极管大，即灵敏度高。
光电池的开路电压和短路电流均与光照度E有关，开路电压与光照度的关系曲线是非线性的，如图（d）所示，当光照度超过2 000 lx时，开路电压趋于饱和。当负载保持不变，光电池的短路电流和光照度成正比，为线性关系。
2.光谱特性
光电元件对于不同波长的入射光的相对灵敏度Kr是不同的，即如果有一单色光照射在光电元件上，在保持入射光的功率不变的情况下，光电流会随着入射光的波长变化而变化。因此将入射光波长和光电元件的相对灵敏度之间的关系称为该光电元件的光谱特性，如图所示为硅光敏晶体管的谱特性。
硅光敏晶体管的光谱特性
目前已经研制出了几种光敏材料的光谱波长峰值见表，表是光的波长和颜色的关系。
几种光敏材料的光谱峰值波长
光的波长与颜色的关系
3.伏安特性
各种光电元件的伏安特性
图为各种光电元件的伏安特性曲线。图（a）为光敏电阻的伏安特性，从图中可知光敏电阻两端电压越高，相同照度下，产生的光电流越大。图（b）为光电池的伏安特性曲线，从图中可以看出，当负载电阻较小（100Ω）时，光照度每变化100 lx，输出的光电流基本上间隔相等，两者成线性关系；当负载增大时，光电流和光照度之间的非线性越来越明显。所以尽量要减小负载电阻对光电池输出光电流的影响。图（c）和图（d）为光敏二极管和光敏三极管的伏安特性，与普通二极管和三极管的伏安特性类似。
4.温度特性
温度对光电元件影响较大，尤其是对光敏电阻和光敏晶体管，温度主要是对光电元件的暗电流影响较大。暗电流的增大会影响元件的灵敏度，还会给微光测量带来误差。一般硅管的暗电流比锗管的要小很多，所以通常采用硅管，并且通过差动放大器等提高灵敏度。
5.响应时间
一般工业用的硅光敏二极管的响应时间较短，在10-7～10-5　s左右，硅光敏三极管由于要进行电流放大，比光敏二极管要慢一个数量级，光敏电阻的响应时间比光敏三极管还要慢。所以在需要快速响应或者入射光调制频率较高时，应采用硅光敏二极管检测。
五、光电耦合器件
光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用, 以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管, 光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现光电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。
从原理上讲，光电开关及光电耦合器没有太大的差别，都是由红外线发射元件构成的发射器与光敏接收元件构成的接收器组成，只是光电耦合器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。
光电开关根据检测方式的不同可以分成透射型和反射型两大类，如图所示。
图（a）所示的为透射型，发射器和接收器相对安放。发射器与接收器必须排列在同一条直线上，当有物体从两者之间通过，发射器发出的红外光束被遮断，接收器接收不到光线而发出一个脉冲信号。透射型由于其稳定性好，所以可以进行长距离（几十米左右）的检测。
光电开关的类型
反射型光电开关采用发射器和接收器按一定方向装在同一个检测头内，可分成反射板反射型和被测物体漫反射型两类。
任务二 热释电红外传感器在报警电路中的应用
知识链接
一、红外辐射
红外辐射简称红外线，是太阳光谱的一部分。红外辐射的物理本质是热辐射。自然界中的任何物体，只要温度在绝对零度（-273℃）以上，都有红外线向周围空间辐射，是光谱中最大光热效应区。红外光是一种不可见光，从图的电磁波谱可以看出其波长范围大致在0.75～1000μm。
电磁波谱
遥感探测
与所有电磁波一样，红外线具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外线在真空中的传播速度为。红外线在介质中传播会产生衰减，尤其在金属中传播衰减很大，所以一般金属基本不能透过红外线，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料。
实践证明，温度越高的物体，辐射的红外线波长越短。由此在应用中根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。
二、红外传感器的分类
①热探测型对入射的各种波长的辐射能量全部吸收。它是一种对红外光波无选择的红外传感器。其工作原理是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。
②光子探测型常用的光子效应有外光电效应、内光电效应、光生伏特效应和光电磁效应。
热探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响应时间要长得多。前者的响应时间一般在ms以上，而后者只有ns量级。
三、热释电红外传感器
1.热释电效应
某些被称为“铁电体”的电介质材料，如钛锆酸铅、硫酸三甘钛、钽酸锂等，受到热辐射后温度升高，在两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。具有热释电效应的元件称为热释电元件。热释电元件因温度变化而产生的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号，利用这一原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器。
2.热释电红外传感器
热释电红外传感器由敏感元件、滤光窗和场效应晶体管三大部分组成，如图所示。
热释电红外传感器的结构和外形
（1）敏感元件
对不同的传感器来说，敏感元件的制造材料有所不同。如有的热释电红外传感器的敏感元件由锆钛酸铅制成；有的则是由钽酸锂制成。将这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。
传感器中两个电容是极性相反串联的，如图所示。
热释电红外传感器等效电路
（2）滤光窗
滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除7~14μm波长以外的红外线，使人体辐射的红外线（10μm左右）通过，最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线通过，以免引起干扰。
（3）场效应晶体管
场效应晶体管的作用是实现阻抗变换。由于敏感元件输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。场效应管输入阻抗非常高，接成共漏极形式来完成阻抗变换。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。
（4）菲涅尔透镜
菲涅尔透镜是一种由塑料制成的薄片状的光学透镜，其镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，如图所示。
菲涅尔透镜
3.热释电红外传感器的使用注意事项
由于热释电型红外传感器的输入阻抗极高，非常容易引入噪声，因此最好能够对它进行电学屏蔽。在采用金属封装的情况下，因为外壳接地，所以本身就可以作为屏蔽使用，而在塑料封装的情况下，则需要有另外的屏蔽方法。
六、课后作业
完成本项目的项目测评。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)

展开更多......

收起↑