任務3 測量反射型光電傳感器
1.3.1 相關知識
內光電效應器件包含有光敏電阻、光敏管、光電池等。
1. 光敏電阻
1）光敏電阻的結構
光敏電阻又稱為光導管，其工作原理是光電導效應，為純電阻器件。隨光照增強，光敏電阻的阻值會減??；當光照消失，自由電子與空穴逐漸復合，電阻又恢復原值。
光敏電阻的原理圖、外形圖及圖形符號如圖1-11所示。光敏電阻管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體。光導體吸收光子而產生的光電效應，只限于光照的表面薄層，因此光電導體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般都采用梳狀圖案。
（a）原理圖
（b）外形圖
（c）圖形符號
圖1-11 光敏電阻原理圖、外形圖及圖形符號
2）光敏電阻的主要參數
光敏電阻的主要參數有暗電阻、亮電阻、光電流。
（1）暗電阻。光敏電阻在室溫、全暗（無光照射）環境下，經過一定時間測量的電阻值；此時在給定電壓下流過的電流為暗電流。
（2）亮電阻。光敏電阻在某一光照下的阻值；此時流過的電流為亮電流。
（3）光電流。亮電流和暗電流之差稱為光電流，即光電流=亮電流－暗電流。
對于光敏電阻希望暗電阻越大越好，而亮電阻越小越好。通常光敏電阻的暗電阻值在兆歐（MΩ）級，亮電阻值在千歐（kΩ）級。與普通電阻一樣，光敏電阻也有最大功率，若超過額定功率則會導致光敏電阻永久性損壞。
3）光敏電阻的基本特性
（1）光照特性。在一定外加電壓下，光電流和光通量之間的關系，稱為光照特性。大部分光敏電阻的光照特性曲線是非線性的。因此不宜作定量檢測元件，一般在自動控制系統中作光電開關。
（2）光譜特性。對于不同波長的入射光，光敏電阻的靈敏度不同。比如硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區域，硫化鉛有較寬的光譜范圍且峰值在紅外區域。因此在選用光敏電阻時，應結合光源考慮。
（3）伏安特性。在一定照度下，加載光敏電阻兩端的電壓和電流的關系稱為光敏電阻的伏安特性。在一定的光照下，光敏電阻兩端所加的電壓越大，光電流越大，當然由于受光敏電阻額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制，兩端電壓不能無限增大?？偟膩碚f，在一定的光照下，光敏電阻的伏安特性曲線是一條直線，也就是說光敏電阻值與光照有關。
（4）穩定性。初制成的光敏電阻，由于體內機構工作不穩定、電阻體與其介質的作用還沒有達到平衡，所有性能是不夠穩定的。在人為的加溫、光照及加負載情況下，經一兩周的老化，性能可達穩定。光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，阻值上升或下降，但最后達到一個穩定值后就不再變了。
（5）頻率特性。光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用響應時間來表示。大多數的光敏電阻響應時間都較長，因此光敏電阻不能用在快速響應的場合，這是其不足之一。不同材料光敏電阻的頻率特性不一樣，相比較，硫化鉛的使用頻率范圍較大。
（6）溫度特性。光敏電阻的光學和電學性質受溫度的影響較大，隨著溫度的升高，其暗電阻值和靈敏度隨之改變。
2. 光敏管
光敏管一般分為光敏二極管和光敏三極管。大多數半導體二極管和三極管都是對光敏感的，當二極管和三極管的PN結受到光照射時，通過PN結的電流將增大。因此，常規的二極管和三極管都用金屬罐或其他殼體密封起來，以防光照；而光敏管則必須使PN結能接收最大的光照射。
1）光敏二極管
光敏二極管是一種PN結型半導體器件，與一般半導體二極管類似，其PN結裝在管的頂部，以便接收光照，上面有一個透鏡制成的窗口，可使光線集中在敏感面上，其電路符號和基本使用電路如圖1-12所示。
（a）電路符號
（b）基本電路
圖1-12 光敏二極管的電路符號及基本電路
當無光照射時，處于反偏的光敏二極管工作在截止狀態，這時只有少數載流子在反向偏壓下越過阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。當光敏二極管受到光照射之后，光子在半導體內被吸收，使P型區的電子數增多，也使N型區的空穴增多，即產生新的自由載流子（即光生電子-空穴對）。這些載流子在結電場的作用下，空穴向P型區移動，電子向N型區移動，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了光電流，處于導通狀態。當入射光的強度發生變化時，光生載流子的多少相應發生變化，通過光敏二極管的電流也隨之變化，這樣就把光信號變成了電信號。達到平衡時，PN結的兩端將建立起穩定的電壓差，這就是光生電動勢。
2）光敏三極管
光敏三極管（習慣上常稱為光敏晶體管）是光敏二極管和三極管放大器一體化的結果，它有NPN型和PNP型兩種基本結構，用N型硅材料為襯底制作的光敏三極管為NPN型，用P型硅材料為襯底制作的光敏三極管為PNP型。
這里以NPN型光敏三極管為例，其結構與普通三極管很相似，只是它的基極做得很大，以擴大光的照射面積，且其基極往往不接引線；即相當于在普通三極管的基極和集電極之間接有光敏二極管且對電流加以放大。光敏三極管的工作原理分為光電轉換和光電流放大兩個過程；光電轉換過程與一般光敏二極管相同，光集電極加上相對于發射極為正的電壓而不接基極時，集電極就是反向偏壓，當光照在基極上時，就會在基極附近光激發產生電子-空穴對，在反向偏置的PN結勢壘電場作用下，自由電子向集電區（N區）移動并被集電極所收集，空穴流向基區（P區）被正向偏置的發射結發出的自由電子填充，這樣就形成一個由集電極到發射極的光電流，相當于三極管的基極電流Ib?？昭ㄔ诨鶇^的積累提高了發射結的正向偏置，發射區的多數載流子（電子）穿過很薄的基區向集電區移動，在外電場作用下形成集電極電流Ic，結果表現為基極電流將被集電結放大β倍，這一過程與普通三極管放大基極電流的作用相似。不同的是普通三極管是由基極向發射結注入空穴載流子控制發射極的擴散電流，而光敏三極管是由注入發射結的光生電流控制。PNP型光敏三極管的工作與NPN型相同，只是它以P型硅為襯底材料構成，它工作時的電壓極性與NPN型相反，集電極的電位為負。
光敏三極管是兼有光敏二極管特性的器件，它在把光信號變為電信號的同時又將信號電流放大，光敏三極管的光電流可達0.4~4mA，而光敏二極管的光電流只有幾十微安，因此光敏三極管有更高的靈敏度。圖1-13給出了它的結構、電路符號及基本電路。
（a）結構
（b）電路符號
（c）基本電路
（d）工作原理示意圖
圖1-13 光敏三極管的結構、電路符號及基本電路
3）光敏管的基本特性
（1）光譜特性。光譜特性是指光敏管在照度一定時，輸出的光電流（或光譜相對靈敏度）隨入射光的波長而變化的關系。對一定材料和工藝制成的光敏管，必須對應一定波長范圍（即光譜）的入射光才會響應，這就是光敏管的光譜響應。硅光敏管適用于0.4~1.1μm波長，最靈敏的響應波長為0.8~0.9μm；而鍺光敏管適用于0.6~1.8μm的波長，其最靈敏的響應波長為1.4~1.5μm。
由于鍺光敏管的暗電流比硅光敏管大，故在可見光作光源時，都采用硅管；但是，在用紅外光源探測時，則鍺管較為合適。光敏二極管、光敏三極管幾乎全用鍺或硅材料做成。由于硅管比鍺管無論在性能上還是制造工藝上都更為優越，所以目前硅管的發展與應用更廣泛。
（2）伏安特性。伏安特性是指光敏管在照度一定的條件下，光電流與外加電壓之間的關系。光敏三極管的光電流比相同管型光敏二極管的光電流大上百倍。
光敏三極管在偏置電壓為零時，無論光照度有多強，集電極的電流都為零，因此光敏三極管必須在一定的偏置電壓作用下才能工作，偏置電壓要保證光敏三極管的發射結處于正向偏置、集電結處于反向偏置，隨著偏置電壓的增高伏安特性曲線趨于平坦。
與光敏三極管不同的是，一方面，在零偏壓時，光敏二極管仍有光電流輸出，這是因為光敏二極管存在光生伏特效應；另一方面，隨著偏置電壓的增高，光敏三極管的伏安特性曲線向上偏斜，間距增大，這是因為光敏三極管除了具有光電靈敏度外，還具有電流增益β，且β值隨光電流的增加而增大。
（3）光照特性。光照特性就是光敏管的輸出電流Io和照度Φ之間的關系。光照度越大，產生的光電流越強。光敏二極管的光照特性曲線的線性較好，光敏三極管在照度較小時，光電流隨照度增加緩慢，而在照度較大時（光照度為幾千勒克斯）光電流存在飽和現象，這是由于光敏三極管的電流放大倍數在小電流和大電流時都有下降的緣故。
（4）頻率特性。光敏管的頻率特性是光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度）與光強變化頻率的關系。光敏二極管的頻率特性好，其響應時間可以達到9-7～10-8s，因此它適用于測量快速變化的光信號。
由于光敏三極管存在發射結電容和基區渡越時間（發射極的載流子通過基區所需要的時間），所以，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差，而且和光敏二極管一樣，負載電阻越大，高頻響應越差，因此，在高頻應用時應盡量降低負載電阻的阻值。
3. 光電池
1）結構原理
光電池實質上是一個電壓源，是利用光生伏特效應把光能直接轉換成電能的光電器件。由于它廣泛用于把太陽能直接轉變成電能，因此也稱為太陽能電池。一般能用于制造光電阻器件的半導體材料均可用于制造光電池，例如硒光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。
（a）硅光電池結構
（b）硒光電池結構
圖1-14 光電池結構示意圖
光電池結構如圖1-14所示。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散的方法摻入一些P型雜質形成PN結。當入射光照射在PN結上時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度Ε，則在PN結內激發出電子-空穴對，在PN結內電場的作用下，N型區的光生空穴被拉向P型區，P型區的光生電子被拉向N型區，結果使P型區帶正電、N型區帶負電，這樣PN結就產生了電位差，若將PN結兩端用導線連接起來，電路中就有電流流過，電流方向由P型區流經外電路至N型區（見圖1-15）。若將外電路斷開，就可以測出光生電動勢。
圖1-15 光電池工作原理
硒光電池是在鋁片上涂硒（P型），再用濺射工藝，在硒層上形成一層半透明的氧化鎘（N型）。在正、反兩面噴上低熔合金作為電極。在光線照射下，鎘材料帶負電，硒材料帶正電，形成電動勢或光電流。光電池的符號、基本電路及等效電路如圖1-16所示。
（a）符號
（b）基本電路
（c）等效電路
圖1-16 光電池符號、基本電路及等效電路
光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等，但最受人們重視的是硅光電池。這是因為它具有性能穩定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高、耐高溫輻射、價格便宜、壽命長等特點。
2）光電池特性
（1）光譜特性。
①光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。硅光電池的光譜響應波長范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池在0.38~0.75μm。相對而言，硅光電池的光譜響應范圍更寬。硒光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，適宜測可見光。
②不同材料的光電池的光譜響應峰值所對應的入射光波長也是不同的。硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。因此，使用光電池時對光源應有所選擇。
（2）光照特性。光電池在不同光照度（指單位面積上的光通量，表示被照射平面上某一點的光亮程度。單位：lm/m2或lx）下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系稱為光照特性。從實驗知道，對于不同的負載電阻，可在不同的照度范圍內，使光電流與光照度保持線性關系。負載電阻越小，光電流與照度間的線性關系越好，線性范圍也越寬。因此，應用光電池時，所用負載電阻大小，應根據光照的具體情況來決定。
（3）頻率特性。光電池的PN結面積大，極間電容大，因此頻率特性較差。
（4）溫度特性。半導體材料易受溫度的影響，將直接影響光電流的值。光電池的溫度特性用于描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。溫度特性將影響測量儀器的溫漂和測量或控制的精度等。
4. 反射型光電傳感器
松下EX-14A光電開關是一種超薄限定反射型光電傳感器，其外形照片如圖1-17所示。EX-14A光電開關厚度非常薄，只有3.5mm，安裝非常靈活，只需擁有些許空間，就可以隨處安裝。距檢測面100mm以上時，即使是鏡面狀物體也無法檢測，如圖1-18所示為流水線物品檢測示意圖。其參數表如表1-9所示。
圖1-17 松下EX-14A實物照片圖
圖1-18 流水線物品檢測示意圖
表1-9 松下EX-14A光電開關參數表
1.3.2 任務描述
本任務主要通過紅外光電式煙霧傳感器將煙霧顆粒作為被測對象，通過煙霧顆粒對發光元件發出的紅外線的散射作用，在接受元件端產生電量的變化，通過判斷電量的變化確定煙霧報警器的狀態。
1.3.3 任務分析
光電式煙霧報警器的電路原理圖如圖1-19所示。
圖1-19 光電式煙霧報警器的電路原理圖
MC145012是一款低電流BICMOS煙霧報警器芯片，它集成了報警器的全部功能，只要外接紅外線發射電路、接收元件及揚聲器等，就可構成一臺火災報警器。MC145012共有16腳，具體管腳功能說明如表1-10所示。
表1-10 MCS145012管腳功能說明
該電路使用聲光報警，電路工作時，MC145012芯片的第6腳輸出高電平驅動D1發出紅外線信號，由D2接收，D1和D2安裝成不能相互直射的位置。當不存在火災引起的煙霧時，LED2輸出為0；如果有煙霧，則紅外線因煙霧而發生散射，使D2能接收到紅外線，觸發報警。
電路中的S為測試開關，在沒有煙霧時閉合S，MC145012芯片的第16腳接通電源，芯片內部就會模擬報警狀態，發出報警信號，斷開開關S即恢復正常工作狀態。微調電位器RP1可以調節報警器的報警脈沖寬度、脈寬增加，即報警檢測所需時間變長；脈寬減小，即報警時間變短。C6、C8、R12組成增益調節電路，可以調節系統的放大倍數，也可以作為一種調節靈敏度的方法。在有煙霧時，由于煙霧顆粒造成的光電二極管的變化很小，因此內置放大電路，調整C6、C8、R12的參數 即可調整放大器的增益倍數，達到調節靈敏度的效果。其中C6作為粗調元件單獨使用，C8作為增益的微調元件，需要與R12配合使用。
MC145012芯片的時鐘模塊為RC電路，由R2、R6、C2組成，向芯片的第12腳提供周期性的脈沖信號。
電源低壓報警電路是在系統電源電壓過低時發出報警信號，提示及時更換電池，R1、R3 串聯在電源電壓和11腳之間，向芯片的第15腳提供電源最低允許電壓。當電源電壓小于最低允許電壓時，9腳輸出一個高電平，推動復合三極管輸出，提示報警。調節R1與R2比值大小，可以改變電源最低允許電壓值。
表1-11為光電式煙霧報警器的元器件清單表。
表1-11 實訓器材清單表
1.3.4 任務實施
（1）按表1-7所示檢測每個元器件，并按圖1-19所示接好電路。
（2）接通電源，檢測煙霧報警器是否正常工作。
1.3.5 任務表單
填寫任務表單，查找相關資料，制定任務設計方案和實施方案，填寫實施過程和檢查評價結果。
表1-12 任務表單
1.3.6 考核標準
根據考核標準（見表1-13）對本任務實施進行綜合評價，并進行任務總結，指導教師給出評價意見及評分。
表1-13 考核標準
