光电传感器.docx
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光电传感器
课程
传感器基础知识
课题
光电传感器
课型
一体化
教具
多媒体课件、实物投影仪、
传感器实训台
课时
20
教室场地
D305
学生基础
初中起点
学生人数
20
知识目标
1．了解光电传感器的基本概念。
2．掌握光电管、光电培增管、光敏电阻的工作原理及特性。
能
力
目
标
专业能力
掌握光电式传感器的类型及应用
方法能力
1．由知识的理性认识到感性认识，并亲自动手验证，从而体会理论-实验-验证的辨证唯物主义的认识过程。
2．通过学生分组训练培养学生动手能力，增强安全意识养成文明操作习惯。
3．培养学生探究问题，分析问题，解决问题的能力。
社会能力
1．培养学生在实践中团结协作能力，语言表达能力。
2．在完成任务中的自我学习和持续发展的能力。
3．培养学生严谨认真的职业工作态度。
4．激发学生学习技术的热情。
教学重点
1．光电效应的概念。
2．光电管、光电培增管、光敏电阻的工作原理
教学难点
1．光敏电阻的基本特性和主要参数。
教学方法
任务驱动法、示范演示法、问题探究法、行为引导法、小组合作法、讨论法等
教法分析
本节课在实训室进行，根据任务为主线、教师为主导、学生为主体的原则采用讲、演、训相结合等方式进行教学，有利于突出重点，突破难点。
使学生容易接受新知识，并能提高分析问题解决问题的能力。
一体化教学基本流程
理论
依据
为了使理论与实践更好的衔接，将理论与实习（实践）教学融为一体，使每块内容都能内讲授、示范、训练同步进行，增强了直观性。
内涵主要是打破传统的学科体系和教学模式，依据职业教育培养目标的要求来重新整合教学资源，体现能力本位的特点。
从而实现了从以课堂为中心向以实验室、实习车间为中心的转变，培养出素质优良、技术过硬、单项技能拔尖的技术型人才。
教学环节
教学内容及过程
教师活动
学生活动
组织教学
回顾旧知
大声诵读7S内涵：
整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养
集合、点名、填写教学日志、分组，
检查学生劳防用品穿戴情况，讲解实训安全操作规
热电阻、热敏电阻传感器的基本概念。
调整情绪集中学生注意力
通过提问的形式，引导学生系统回顾以前学过的知识点
集中
注意力
思考
回答问题
任务下达步步落实
任务1
实施
任务2
实施
任务3、4
实施
任务5
实施
任务6
实施
作业
板书
课题小结
布置作业
光电式传感器：
将光信号转换为电信号的一种传感器。
第一节光电式传感器的基本知识
一、光电传感器的基本概念、主要特点和工作原理
常见的光电元件有真空光电元件和半导体光电元件两大类。
作为光电式传感器的检测对象有可见光、不可见光，其中，不可见光有紫外线、近红外线等。
另外，光的不同波长对光电式传感器的影响也各不相同。
因此要根据被检测光的性质，即光的波长和响应速度来选用相应的光电式传感器。
光电效应：
光电材料（或物质）在吸收了光能后而发生相应电效应的物理现象。
光能的计算公式为
E=h
式中：
h——为普朗克常数（h=6.63×10–34J·s）
——光波（或光波群）频率（Hz）
光电效应通常分为三类：
流明：
光通量的单位，所有的灯都以流明表征输出光通量的大小。
勒克司：
照度的单位，照度表征受照物体被照程度的物理量。
若受照面积为A，它所接受到的光通量为Φ，则照度被定义为：
E=dΦ/dA，所以1lx=1lm/m2。
二、常用光源及光电式传感器种类
1．常用光源
（1）自然光源
太阳光、月光等自然界存在的光线。
（2）热辐射光源
热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。
（3）电致发光器件——发光二极管
固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。
（4）气体放电光源
电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。
低
压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯等是光谱仪器中常用的光源，统称光谱灯。
（5）激光器
激光器是“光受激辐射放大器”的缩写。
它能量高度集中，方向性好，频率单纯，相干性好，是很理想的光源。
2．常用光电式传感器种类
主要有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管、集成光电传感器、光电池、图像传感器等。
第二节光电式传感器及其基本特性
一、光电管、光电倍增管
1．光电管
光电管的外形如图9-1所示。
当入射光照射到阴极K上时，每个光子就把它的能量传递到阴极表面的一个自由电子，使电子的能量增加到h。
当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，自由电子就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。
这种逸出的电子成为光电子，光电子的逸出金属表面的初速度由能量守恒定律得
式中，m——电子质量，
A——阴极金属材料的逸出功，
——入射光频率，
红限：
要使阴极金属表面有电子逸出，入射光的频率要大于某一最低限度这个最低限度的频率称为红限。
当hA时，光通量逸出的电子数目光电流IΦ。
光电管正常工作时，阳极电位高于阴极电位，光电管符号及测量电路如图9-2所示。
光电流：
在入射光频率大于红限的前提下，当光电管阳极加上适当电压（几十V）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成的电流。
图9–2光电管符号及测量电路图9-3光电倍增管结构示意图
二、光敏电阻
又称光导管，均质半导体光电元件。
1．工作原理和结构
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
①结构
在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带透明窗的管壳内就构成光敏电阻，如图9-5（a）所示。
为了增加灵敏度，常将两电极做成梳状，如图9-5（b）所示，图形符号如图9-5（c）所示。
②工作原理
构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。
当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。
为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导材料的禁带宽度。
③抗干扰措施
为了避免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔用一种能透过所要求光谱范围的透明保护窗（例如玻璃）。
有时用专门的滤光片作保护窗。
为了避免灵敏度受潮湿的影响，因此将电导体严密封装在壳体中。
图9-5光敏电阻
（a）原理图（b）外形图（c）图形符号
2．光敏电阻的基本特性和主要参数
（1）暗电阻和暗电流
置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。
（2）亮电阻和亮电流
置于室温、在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。
（3）伏安特性
光照度不变时，光敏电阻两端所加电压与流过电阻的光电流关系称为光敏电阻的伏安特性。
如图9-6所示。
从图中可知，伏安特性近似直线。
图9-6光敏电阻的伏安特性
（4）光电特性
在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性，如图9-7所示。
光敏电阻的光电特性呈非线性。
图9-7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
（5）光谱特性
光敏电阻对不同波长的入射光，其对应光谱灵敏度不相同，而且各种光敏电阻的光谱响应峰值波长也不相同。
（6）响应时间
光敏电阻受光照后，光电流并不立刻升到最大值，而要经历一段时间（上升时间）才能达到最大值。
同样，光照停止后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这段时间称为响应时间。
（7）温度特性
温度，暗电阻和灵敏度。
第二节光电式传感器及其基本特性
三、光敏晶体管
1．光敏二极管
光敏二极管的PN结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。
光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。
当有光照射时，形成与光照度成正比的比无光时大得多的反向电流即光电流。
图9-8光敏二极管
（a）外形图（b）内部组成（c）管芯结构（d）结构简化图（e）图形符号
1—负极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜5—正极引脚
6—N型衬底7—SiO2保护圈8—SiO2透明保护层9—铝引出电极
10—P型扩散层11—PN结12—金引出线
2．光敏三极管
光敏三极管有两个PN结，从而可以获得电流增益。
它具有比光敏二极管更高的灵敏度。
光线通过透明窗口照射在集电结上，当电路按图9–10（d）连接时，集电
结反偏，发射结正偏。
有光照射时其工作过程与普通三极管的放大作用相类似，集电极电流原始光电电流的倍。
图9-9光敏二极管的反向偏置连接法
图9-10光敏三极管
（a）结构图（b）等效电路（c）图形符号（d）应用电路
3．光敏晶闸管
光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管，其顶部有一个透明玻璃透镜，能把光线集中照射到J2上。
应用时光敏晶闸管的阳极接正极，阴极接负极，控制极通过电阻RG与阴极相接。
在光照射下，J2产生控制电流使晶闸管导通，调节RG可使晶闸管在设定的照度下导通
图9-11光敏晶体管图9-12光敏晶体管的光谱特性
（a）结构及图形符号（b）应用电路1—硅光敏晶体管2—锗光敏晶体管
4．光敏晶体管的基本特性
（1）光谱特性
光敏晶体管在入射光照度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。
一种晶体管只对一定波长的入射光敏感。
如图9-12所示。
不管是硅管还是锗管，当入射光波长超过一定值时，波长，相对灵敏度。
不同材料的光敏晶体管，其光谱响应峰值波长也不相同。
硅管：
1.0μm左右，锗管：
1.5μm左右。
（2）伏安特性
光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就像普通三极管在不同基极电流下的输出特性一样，改变光照就相当于改变普通三极管的基极电流。
（3）光电特性
指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流和光照度的关系。
光敏二极管光电特性的线性通常较好，光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都会下降。
如图9-14所示，图中曲线1、曲线2分别是某种型号的光敏二极管、光敏三极管的光电特性。
图9-13光敏晶体管的伏安特性图9-14光电晶体管的光电特性
（4）温度特性
温度变化对亮电流的影响较小，但对暗电流的影响相当大，并且是非线性的，这将给微光测量带来误差，如图9-15所示。
图9-15光电晶体管的温度特性图9-16光敏晶体管频率特性
1—输出电流2—暗电流
（5）频率特性
光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。
如图9-16所示。
减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。
（6）响应时间
工业用的硅光敏二极管的响应时间为10-7~10-5s左右，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级。
四、光电池
光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出光电流。
常用的光电池有金属-半导体型和PN结型。
现以硅光电池为例说明光电池的结构及工作原理。
1．光电池的结构及工作原理
在N型衬底上渗入P型杂质形成一个大面积的PN结，作为光照敏感面。
光子能量大于硅的禁带宽度，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，并形成由表及里扩散的自然趋势。
PN结内电场使扩散到PN结附近的电子-空穴对分离，光生电子被推向N区，光生空穴被留在P区，从而使N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。
图9-17光电池图9-18光电池的光谱特性
（a）结构示意图（b）图形符号1—硅光电池2—硒光电池
2．光电池的基本特性
（1）光谱特性
光电池对不同波长的光有不同的灵敏度。
（2）光电池的光电特性
硅光电池的负载电阻不同，输出电压和电流也不同。
如图9–19所示。
图9-19硅光电池的光电特性图9-20光电池的温度特性
1—开路电压特性曲线2—短路电流特性曲线
（3）光电池的温度特性
光电池的开路电压和短路电流随温度变化的关系称为温度特性。
从图9-20中可以看出，光电池的光电压随温度变化有较大变化，温度电压，而光电流随温度变化很小。
（4）光电池的频率特性
频率特性是指输出电流与入射光的调制频率之间的关系。
当入射光的调制频率太高时，光电池的输出光电流将下降。
3、短路电流的测量
图9-21光电池短路电流测量电路
运算放大器的开环放大倍数Aod→∞，所以UAB→0，A点为0电位（虚地）。
对光电池来说相当于负载电阻值为0，产生的光电流为短路电流。
根据运算放大器的“虚断”性质，则输出电压Uo为
从上式可知，该电路的输出电压Uo与光电流IΦ成正比，从而达到电流/电压转换关系。
第三节光电式传感器的应用
光电式传感器属于非接触式测量，通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
按照被测物、光源、光电元件三者之间的关系，通常有4种类型。
①光源本身是被测物。
被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了某些物理参数，如图9-22（a）所示。
②恒定光源发出的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，另一部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数，如图9–22（b）所示。
③恒定光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物反射到光电元件上，反射光的强弱取决于被测物表面的性质和形状，如图9–22（c）所示。
④被测物处在恒定光源与光电元件的中间，被测物阻挡住一部分光通量，从而使光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置，如图9–22（d）所示。
图9-22光电传感器的几种形式
（a）被测物为光源（b）被测物吸收光通量（c）被测物为可反射表面（d）被测物遮蔽光通量
1—被测物2—光电元件3—恒光源
一、高温比色温度仪
理论基础：
物体在两个特定波长1、2上的辐射强度
、
之比与该物体的温度成指数关系
式中，K1、K2为与1、2及物体的温度有关的常数。
只要测出
与
之比，就可算出物体的温度T。
测温原理：
测温对象发出的光线穿过半反半透镜3、成像小孔7和光导棒8混合均匀后投射到分光镜9，使红外光通过并反射可见光。
红外光透过滤光片10，让红外线某一特定频率1的光线通过，被硅光电池11吸收，转换为与
成正比的光电流I1。
可见光透过滤光片12使可见光某一特定频率2的光线穿过，被硅光电池13吸收，产生与
成正比的光电流I2。
14、15分别把光电流I1、I2转换为电压U1、U2，再经过运算电路算出
/
的值。
图9-23高温比色温度仪原理图
1—高温物体2—物镜3—半反半透镜4—反射镜5—目镜6—观察者的眼睛7—光阑
8—光导棒9—分光镜10、12—滤光片11、13—硅光电池14、15—电流/电压转换器
二、光电比色计
工作原理：
如图9-24所示，1发出的光分为左右两束相等强度的光线。
其中一束穿过2，经3把光线提纯，再通过4投射到6上，另一束光线经过同样方式穿过被测样品5到达7上。
两光电池产生的电信号同时输送给8，放大器输出端的放大信号经9指示出两样品的差值。
图9-24光电比色计原理图
1—光源2—透镜3—滤色片4—标准样品5—被测样品
6、7—光电池8—差动放大器9—指示仪表
三、光电式带材跑偏检测装置
带材跑偏检测装置是用来检测带型材料在加工过程中偏离正确位置的大小与方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。
工作原理：
带材走偏时，其边沿与传送机械发生接触摩擦，造成带材卷边、撕边或断裂，出现废品，同时也可能损坏传送机械。
因此，在生产过程中必须有带材跑偏纠正装置。
光电式带材跑偏检测装置由光电式边沿位置传感器、测量电桥和放大电路组成。
如图9-25所示。
图9-25光电式带材跑偏检测装量
（a）原理示意图（b）光电检测装置（c）测量电路
1—被测带材2—卷取电动机3—卷取辊4—液压缸5—活塞6—滑台
7—光电检测装置8—光源9、10—透镜11—光敏电阻12—遮光罩
如图9-25（b）所示，光电式边沿位置传感器的白炽灯发出的光线经9会聚为平行光线投射到10，由10会聚到11上。
图9-25（c）是测量电路简图。
R1、R2为同型号的光敏电阻，R1作为测量元件安置在带材边沿的下方，R2用遮光罩罩住，起温度补偿作用。
RP为微调电桥的平衡电阻。
四、物体长度及运动速度的检测
如图9-26所示。
当工件自左向右运动时，光源A的光线首先被遮断，光敏元件VA输出低电平，触发RS触发器，使其置1，与非门打开，高频脉冲可以通过，计数器开始计时。
当工件经过设定的距离S0而遮断光源B时，光敏元件VB输出低电平，RS触发器置0，与非门关断，计数器停止计数。
若高频脉冲的频率f=1MHz，周期T=1μs，计数器所计脉冲数为n，则可得出工件通过已知距离S0所耗时间为t=nT=nμs，则工件的运动平均速度=S0/t=S0/nT。
图9-26光电检测运动物体的速度（长度）示意图
1—光源A2—光敏元件VA3—运动物体4—光源B5—光敏元件VB6—RS触发器
板书思考
1．光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，它们的工作原理是基于内光电效应。
2．光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出及光电流。
3．常用的光电池有两种，一种是金属-半导体型，另一种是PN结型。
1．光电效应的分类：
外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。
2．流明：
是光通量的单位，所有的灯都以流明表征输出光通量的大小。
勒克司：
是照度的单位，它表征受照物体被照程度的物理量。
若受照面积为A，它所接受到的光通量为Φ，则照度被定义为：
E=dΦ/dA，所以1lx=1lm/m2。
3．光敏电阻的伏安特性近似直线；光电特性呈非线性。
1．光电式传感器属于非接触式测量，通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
2．按照被测物、光源、光电元件三者之间的关系，通常有4种类型。
3．光电式传感器的应用：
高温比色温度仪、光电比色计、光电式带材跑偏检测装置、物体长度及运动速度的检测。
（介绍各种类型所包括的光电元件）
（对比各类光源的特点和应用）
（简单介绍）
（看图讲解光电管的结构或取实物讲解）
（说明其特点）
（注意光敏电阻的额定值）
（参考教材中的光敏电阻参数表）
（参考教材介绍其应用）
（讲解工作原理）
（讲解工作原理）
（对比不同）
（对比光敏二极管、光敏三级管的光电特性）
（讲解）
（对照图片讲解原理）
（对比两曲线的不同）
（讲解电路原理）了解
（举例说明）
（对照原理图讲解）
（参考教材说明其应用和特点）
。
。
课题名称
光电式传感器
授课日期
2012、11、12
授课班级
11电子
课题实施记录
组织课堂检查人数强调纪律
强调7S管理：
整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养
内容回顾
热电效应
热敏电阻的热电特性
热电偶
热电偶的温度补偿
讲授内容
光电式传感器的基本概念
光电式传感器的主要特点
光电式传感器的工作原理
光电式传感器的分类
光敏电阻特性试实验
其它
课题名称
光电式传感器
授课日期
2012、11、13
授课班级
11电子
课题实施记录
组织课堂检查人数强调纪律
强调7S管理：
整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养
内容回顾
光电式传感器的基本概念
光电式传感器的主要特点
光电式传感器的工作原理
光电式传感器的分类
讲授内容
光电式传感器的基本特性
光敏电阻
光敏晶体管
光电式传感器的应用
其它
课题名称
光电式传感器
授课日期
2012、11、14
授课班级
11电子
课题实施记录
组织课堂检查人数强调纪律
强调7S管理：
整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养
内容回顾
光电式传感器的基本特性
光敏电阻
光敏晶体管
讲授内容
硅光电池
透射式光电开关
硅光电池
透射式光电开关
其它
课题名称
光电式传感器
授课日期
2012、11、15
授课班级
11电子
课题实施记录
组织课堂检查人数强调纪律
强调7S管理：
整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养
内容回顾
硅光电池
透射式光电开关
硅光电池
透射式光电开关
讲授内容
红外线传感器
红外线传感器的应用
反射式红外光电接近开关
其它
课题名称
光电式传感器
授课日期
2012、11、16
授课班级
11电子
课题实施记录
组织课堂检查人数强调纪律
强调7S管理：
整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养
内容总结
实验调试
书写报告
其它
学习活动评价
活动评价表
项目
评价内容
评价等级
（学生自评）
A
B
C
关键能力考核项目
遵守纪律、遵守学习场所管理规定，服从安排
安全意识、责任意识，7S管理意识，注重节约、节能与环保
学习态度积极主动，能参加实习安排的活动
团队合作意识，注重沟通，能自主学习及相互协作
仪容仪表符合活动要求
专业能力考核项目
按时按要求独立完成工作页
工具、设备选择得当，使用符合技术要求
操作规范，符合要求
学习准备充分、齐全
注重工作效率与工作质量
小组评语及建议
组长签名：
年月日
老师评语及建议
教师签名：
年月日
操作能力考核表（操作技能考点、能完成的打勾、尽量不要以分数进行界定【如可能，可导入企业评价】）本活动考核采用的是过程化考核方式
注：
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