光电传感器及控制系统VIP专享VIP免费

第二章光电传感器控制技术与系统光电传感器是以光敏器件作为检测元件，将光信号转换为电信号的装置。用这种传感器进行测控时，只需将其它的非电量转换为光信号即可。广泛用于物位、速度、位移、温度、白度、压力，以及一些机械量、几何量的测量与自动控制、电子计算机、智能机器人等，是目前应用最广泛的传感器之一。光敏器件是利用物质的光电效应，将光量转换为电量的一种变换器件。它的发展迅速，品种繁多，常见的有光敏电阻、光电二级管、光电三级管、光电耦合器、硅光电池和光控晶闸管等。§1光敏电阻控制技术与系统一、光敏电阻1．光电导效应半导体材料受光照射时，载流子数目增加，电阻率减少，这种现象称为光电导效应。当一束光照射到半导体时，如果光的频率足够高，光子的能量hf(h=×10-34(J·S)为普朗克常数，f为频率)大于半导体材料的禁带宽度gE，就能产生出自由电子和“空穴”，使半导体的载流子数目增加，电阻率减小。入射光的强度越大，激发出来的自由电子和空穴越多，半导体的电阻率减小得就越厉害。如果半导体是掺杂的，因为从杂质上释放一个电子（或空穴）所需的能量比本征半导体价电子所需的能量小，所以较长波长的光也能产生光电导。具有光电导效应的材料称为光导材料。大多数的半导体和绝缘体都具有光电导效应。但能利用于制作光敏器件的却不多。从目前的光敏电阻来看，可分为三种类型：第一类为可见光光敏电阻，如硫化镉，硒化镉，硫—硒化镉，硫化镉—硫化锰光敏电阻等；第二类为红外光光敏电阻，如硫化铅，硒化铅，锑化铅，砷化铅，碲镉汞，碲化铅等光敏电阻；第三类为紫外光光敏电阻，如硫化铅，硫化锌镉，硫化锗镉，硒碲锑三元素化合物等光敏电阻。2．光敏电阻的结构光敏电阻是根据半导体光电导效应，用光导材料制成的光电元件，又称作光导管。其典型结构如图2–1所示。管芯是一块装于绝缘衬底上，带有两个欧姆接触电极的光电导体，半导体吸收光子而产生的光电导效应只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但深入的厚度有限，因此，光电导体一般都作成薄层。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图2–2所示。壳体具有良好的密封性能，以保证光敏电阻灵敏度不受潮湿等影响。光敏电阻没有极性，是一个纯电阻元件。两极间既可加直流电压，也可加交流电压。光敏电阻在电路中的符号见图2–3。3．光敏电阻的特性（1）灵敏度a：电阻灵敏度光敏电阻在室温环境，处于全暗条件下，经过一定时间具有的电阻值称为暗电阻dR，dR一般在MΩ数量级，常用“olx”表示；受到一定光照时的电阻值称为亮电阻Rl，Rl一般为KΩ数量级，常用“100lx”表示。暗电阻与亮电阻阻值之差Rd–Rl与亮电阻Rl之比，称为光敏电阻的电阻灵敏度。即LLdrRRKK（1）b．积分灵敏度光敏电阻加上一定电压并受光照时所产生的电流称为亮电流，无光照射时流过光敏电阻上的电流称为暗电流。在同一电压下，亮电流与暗电流之差称为光电流IФ，光电流IФ和照在光敏电阻上的光通量之比称为光敏电阻的积分灵敏度。即图2-1光敏电阻的典型结构1–光电导体2–玻璃3–电极4–绝缘衬底5–金属壳6–引线图2-2光敏电阻的芯片结构1–电极2–光电导体图2-3光敏电阻的符号K=IФФ（2）（2）伏安特性在一定光照下，光敏电阻两端所加电压与电流之间的关系称为伏安特性。对于光敏元件来说，其光电流随外加电压增大而增大。图2–4所示硫化镉光敏电阻的伏安特性。硫化镉光敏电阻器在规定的极限电压下，它的伏安特性具有较好的线性，使用时注意不要超过允许功耗线。（3）光照特性是指光敏电阻输出的的电信号（电阻、电压、电流）随光照强度而变化的特性。光敏电阻的光照特性多数情况下是非线性的，只是在微小区域呈线性，这是光敏电阻的很大不足。硫化镉光敏电阻的光照特性如图2–5所示。（4）光谱特性是指光敏电阻在不同波长的单色光照下的灵敏度。光敏电阻对不同波长的光灵敏度不同，若绘成曲线就可得光谱灵敏度的分布图，如图2–6所示。因此，在选择光敏电阻时，必须结合光源进行考虑。图2-7硫化镉光敏电阻对脉冲光的响应特性tKr（kA°）图2–6光敏电阻的光谱特性Kr(%)功耗线图2-4硫化镉...