任务3 测量反射型光电传感器
1.3.1 相关知识
内光电效应器件包含有光敏电阻、光敏管、光电池等。
1. 光敏电阻
1）光敏电阻的结构
光敏电阻又称为光导管，其工作原理是光电导效应，为纯电阻器件。随光照增强，光敏电阻的阻值会减小；当光照消失，自由电子与空穴逐渐复合，电阻又恢复原值。
光敏电阻的原理图、外形图及图形符号如图1-11所示。光敏电阻管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般都采用梳状图案。
（a）原理图
（b）外形图
（c）图形符号
图1-11 光敏电阻原理图、外形图及图形符号
2）光敏电阻的主要参数
光敏电阻的主要参数有暗电阻、亮电阻、光电流。
（1）暗电阻。光敏电阻在室温、全暗（无光照射）环境下，经过一定时间测量的电阻值；此时在给定电压下流过的电流为暗电流。
（2）亮电阻。光敏电阻在某一光照下的阻值；此时流过的电流为亮电流。
（3）光电流。亮电流和暗电流之差称为光电流，即光电流=亮电流－暗电流。
对于光敏电阻希望暗电阻越大越好，而亮电阻越小越好。通常光敏电阻的暗电阻值在兆欧（MΩ）级，亮电阻值在千欧（kΩ）级。与普通电阻一样，光敏电阻也有最大功率，若超过额定功率则会导致光敏电阻永久性损坏。
3）光敏电阻的基本特性
（1）光照特性。在一定外加电压下，光电流和光通量之间的关系，称为光照特性。大部分光敏电阻的光照特性曲线是非线性的。因此不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中作光电开关。
（2）光谱特性。对于不同波长的入射光，光敏电阻的灵敏度不同。比如硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域，硫化铅有较宽的光谱范围且峰值在红外区域。因此在选用光敏电阻时，应结合光源考虑。
（3）伏安特性。在一定照度下，加载光敏电阻两端的电压和电流的关系称为光敏电阻的伏安特性。在一定的光照下，光敏电阻两端所加的电压越大，光电流越大，当然由于受光敏电阻额定功率、最高工作电压和额定电流的限制，两端电压不能无限增大。总的来说，在一定的光照下，光敏电阻的伏安特性曲线是一条直线，也就是说光敏电阻值与光照有关。
（4）稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定、电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所有性能是不够稳定的。在人为的加温、光照及加负载情况下，经一两周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，阻值上升或下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。
（5）频率特性。光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用响应时间来表示。大多数的光敏电阻响应时间都较长，因此光敏电阻不能用在快速响应的场合，这是其不足之一。不同材料光敏电阻的频率特性不一样，相比较，硫化铅的使用频率范围较大。
（6）温度特性。光敏电阻的光学和电学性质受温度的影响较大，随着温度的升高，其暗电阻值和灵敏度随之改变。
2. 光敏管
光敏管一般分为光敏二极管和光敏三极管。大多数半导体二极管和三极管都是对光敏感的，当二极管和三极管的PN结受到光照射时，通过PN结的电流将增大。因此，常规的二极管和三极管都用金属罐或其他壳体密封起来，以防光照；而光敏管则必须使PN结能接收最大的光照射。
1）光敏二极管
光敏二极管是一种PN结型半导体器件，与一般半导体二极管类似，其PN结装在管的顶部，以便接收光照，上面有一个透镜制成的窗口，可使光线集中在敏感面上，其电路符号和基本使用电路如图1-12所示。
（a）电路符号
（b）基本电路
图1-12 光敏二极管的电路符号及基本电路
当无光照射时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压下越过阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。当光敏二极管受到光照射之后，光子在半导体内被吸收，使P型区的电子数增多，也使N型区的空穴增多，即产生新的自由载流子（即光生电子-空穴对）。这些载流子在结电场的作用下，空穴向P型区移动，电子向N型区移动，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流，处于导通状态。当入射光的强度发生变化时，光生载流子的多少相应发生变化，通过光敏二极管的电流也随之变化，这样就把光信号变成了电信号。达到平衡时，PN结的两端将建立起稳定的电压差，这就是光生电动势。
2）光敏三极管
光敏三极管（习惯上常称为光敏晶体管）是光敏二极管和三极管放大器一体化的结果，它有NPN型和PNP型两种基本结构，用N型硅材料为衬底制作的光敏三极管为NPN型，用P型硅材料为衬底制作的光敏三极管为PNP型。
这里以NPN型光敏三极管为例，其结构与普通三极管很相似，只是它的基极做得很大，以扩大光的照射面积，且其基极往往不接引线；即相当于在普通三极管的基极和集电极之间接有光敏二极管且对电流加以放大。光敏三极管的工作原理分为光电转换和光电流放大两个过程；光电转换过程与一般光敏二极管相同，光集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电极就是反向偏压，当光照在基极上时，就会在基极附近光激发产生电子-空穴对，在反向偏置的PN结势垒电场作用下，自由电子向集电区（N区）移动并被集电极所收集，空穴流向基区（P区）被正向偏置的发射结发出的自由电子填充，这样就形成一个由集电极到发射极的光电流，相当于三极管的基极电流Ib。空穴在基区的积累提高了发射结的正向偏置，发射区的多数载流子（电子）穿过很薄的基区向集电区移动，在外电场作用下形成集电极电流Ic，结果表现为基极电流将被集电结放大β倍，这一过程与普通三极管放大基极电流的作用相似。不同的是普通三极管是由基极向发射结注入空穴载流子控制发射极的扩散电流，而光敏三极管是由注入发射结的光生电流控制。PNP型光敏三极管的工作与NPN型相同，只是它以P型硅为衬底材料构成，它工作时的电压极性与NPN型相反，集电极的电位为负。
光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件，它在把光信号变为电信号的同时又将信号电流放大，光敏三极管的光电流可达0.4~4mA，而光敏二极管的光电流只有几十微安，因此光敏三极管有更高的灵敏度。图1-13给出了它的结构、电路符号及基本电路。
（a）结构
（b）电路符号
（c）基本电路
（d）工作原理示意图
图1-13 光敏三极管的结构、电路符号及基本电路
3）光敏管的基本特性
（1）光谱特性。光谱特性是指光敏管在照度一定时，输出的光电流（或光谱相对灵敏度）随入射光的波长而变化的关系。对一定材料和工艺制成的光敏管，必须对应一定波长范围（即光谱）的入射光才会响应，这就是光敏管的光谱响应。硅光敏管适用于0.4~1.1μm波长，最灵敏的响应波长为0.8~0.9μm；而锗光敏管适用于0.6~1.8μm的波长，其最灵敏的响应波长为1.4~1.5μm。
由于锗光敏管的暗电流比硅光敏管大，故在可见光作光源时，都采用硅管；但是，在用红外光源探测时，则锗管较为合适。光敏二极管、光敏三极管几乎全用锗或硅材料做成。由于硅管比锗管无论在性能上还是制造工艺上都更为优越，所以目前硅管的发展与应用更广泛。
（2）伏安特性。伏安特性是指光敏管在照度一定的条件下，光电流与外加电压之间的关系。光敏三极管的光电流比相同管型光敏二极管的光电流大上百倍。
光敏三极管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极的电流都为零，因此光敏三极管必须在一定的偏置电压作用下才能工作，偏置电压要保证光敏三极管的发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。
与光敏三极管不同的是，一方面，在零偏压时，光敏二极管仍有光电流输出，这是因为光敏二极管存在光生伏特效应；另一方面，随着偏置电压的增高，光敏三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大，这是因为光敏三极管除了具有光电灵敏度外，还具有电流增益β，且β值随光电流的增加而增大。
（3）光照特性。光照特性就是光敏管的输出电流Io和照度Φ之间的关系。光照度越大，产生的光电流越强。光敏二极管的光照特性曲线的线性较好，光敏三极管在照度较小时，光电流随照度增加缓慢，而在照度较大时（光照度为几千勒克斯）光电流存在饱和现象，这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都有下降的缘故。
（4）频率特性。光敏管的频率特性是光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）与光强变化频率的关系。光敏二极管的频率特性好，其响应时间可以达到9-7～10-8s，因此它适用于测量快速变化的光信号。
由于光敏三极管存在发射结电容和基区渡越时间（发射极的载流子通过基区所需要的时间），所以，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差，而且和光敏二极管一样，负载电阻越大，高频响应越差，因此，在高频应用时应尽量降低负载电阻的阻值。
3. 光电池
1）结构原理
光电池实质上是一个电压源，是利用光生伏特效应把光能直接转换成电能的光电器件。由于它广泛用于把太阳能直接转变成电能，因此也称为太阳能电池。一般能用于制造光电阻器件的半导体材料均可用于制造光电池，例如硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。
（a）硅光电池结构
（b）硒光电池结构
图1-14 光电池结构示意图
光电池结构如图1-14所示。硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质形成PN结。当入射光照射在PN结上时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Ε，则在PN结内激发出电子-空穴对，在PN结内电场的作用下，N型区的光生空穴被拉向P型区，P型区的光生电子被拉向N型区，结果使P型区带正电、N型区带负电，这样PN结就产生了电位差，若将PN结两端用导线连接起来，电路中就有电流流过，电流方向由P型区流经外电路至N型区（见图1-15）。若将外电路断开，就可以测出光生电动势。
图1-15 光电池工作原理
硒光电池是在铝片上涂硒（P型），再用溅射工艺，在硒层上形成一层半透明的氧化镉（N型）。在正、反两面喷上低熔合金作为电极。在光线照射下，镉材料带负电，硒材料带正电，形成电动势或光电流。光电池的符号、基本电路及等效电路如图1-16所示。
（a）符号
（b）基本电路
（c）等效电路
图1-16 光电池符号、基本电路及等效电路
光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等，但最受人们重视的是硅光电池。这是因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。
2）光电池特性
（1）光谱特性。
①光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池在0.38~0.75μm。相对而言，硅光电池的光谱响应范围更宽。硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，适宜测可见光。
②不同材料的光电池的光谱响应峰值所对应的入射光波长也是不同的。硅光电池在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。因此，使用光电池时对光源应有所选择。
（2）光照特性。光电池在不同光照度（指单位面积上的光通量，表示被照射平面上某一点的光亮程度。单位：lm/m2或lx）下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系称为光照特性。从实验知道，对于不同的负载电阻，可在不同的照度范围内，使光电流与光照度保持线性关系。负载电阻越小，光电流与照度间的线性关系越好，线性范围也越宽。因此，应用光电池时，所用负载电阻大小，应根据光照的具体情况来决定。
（3）频率特性。光电池的PN结面积大，极间电容大，因此频率特性较差。
（4）温度特性。半导体材料易受温度的影响，将直接影响光电流的值。光电池的温度特性用于描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。温度特性将影响测量仪器的温漂和测量或控制的精度等。
4. 反射型光电传感器
松下EX-14A光电开关是一种超薄限定反射型光电传感器，其外形照片如图1-17所示。EX-14A光电开关厚度非常薄，只有3.5mm，安装非常灵活，只需拥有些许空间，就可以随处安装。距检测面100mm以上时，即使是镜面状物体也无法检测，如图1-18所示为流水线物品检测示意图。其参数表如表1-9所示。
图1-17 松下EX-14A实物照片图
图1-18 流水线物品检测示意图
表1-9 松下EX-14A光电开关参数表
1.3.2 任务描述
本任务主要通过红外光电式烟雾传感器将烟雾颗粒作为被测对象，通过烟雾颗粒对发光元件发出的红外线的散射作用，在接受元件端产生电量的变化，通过判断电量的变化确定烟雾报警器的状态。
1.3.3 任务分析
光电式烟雾报警器的电路原理图如图1-19所示。
图1-19 光电式烟雾报警器的电路原理图
MC145012是一款低电流BICMOS烟雾报警器芯片，它集成了报警器的全部功能，只要外接红外线发射电路、接收元件及扬声器等，就可构成一台火灾报警器。MC145012共有16脚，具体管脚功能说明如表1-10所示。
表1-10 MCS145012管脚功能说明
该电路使用声光报警，电路工作时，MC145012芯片的第6脚输出高电平驱动D1发出红外线信号，由D2接收，D1和D2安装成不能相互直射的位置。当不存在火灾引起的烟雾时，LED2输出为0；如果有烟雾，则红外线因烟雾而发生散射，使D2能接收到红外线，触发报警。
电路中的S为测试开关，在没有烟雾时闭合S，MC145012芯片的第16脚接通电源，芯片内部就会模拟报警状态，发出报警信号，断开开关S即恢复正常工作状态。微调电位器RP1可以调节报警器的报警脉冲宽度、脉宽增加，即报警检测所需时间变长；脉宽减小，即报警时间变短。C6、C8、R12组成增益调节电路，可以调节系统的放大倍数，也可以作为一种调节灵敏度的方法。在有烟雾时，由于烟雾颗粒造成的光电二极管的变化很小，因此内置放大电路，调整C6、C8、R12的参数 即可调整放大器的增益倍数，达到调节灵敏度的效果。其中C6作为粗调元件单独使用，C8作为增益的微调元件，需要与R12配合使用。
MC145012芯片的时钟模块为RC电路，由R2、R6、C2组成，向芯片的第12脚提供周期性的脉冲信号。
电源低压报警电路是在系统电源电压过低时发出报警信号，提示及时更换电池，R1、R3 串联在电源电压和11脚之间，向芯片的第15脚提供电源最低允许电压。当电源电压小于最低允许电压时，9脚输出一个高电平，推动复合三极管输出，提示报警。调节R1与R2比值大小，可以改变电源最低允许电压值。
表1-11为光电式烟雾报警器的元器件清单表。
表1-11 实训器材清单表
1.3.4 任务实施
（1）按表1-7所示检测每个元器件，并按图1-19所示接好电路。
（2）接通电源，检测烟雾报警器是否正常工作。
1.3.5 任务表单
填写任务表单，查找相关资料，制定任务设计方案和实施方案，填写实施过程和检查评价结果。
表1-12 任务表单
1.3.6 考核标准
根据考核标准（见表1-13）对本任务实施进行综合评价，并进行任务总结，指导教师给出评价意见及评分。
表1-13 考核标准
