《光电传感器》PPT课件.ppt

第7章 光电传感器 一、光电效应及光电元件 二、光电元件的基本应用电路 三、光电传感器的应用 四、光电开关及光电断续器 *1 1905年德国物 理学家爱因斯坦用 光量子学说解释了 光电发射效应，并 为此而获得1921年 诺贝尔物理学奖。 Date2 一、光电效应及光电元件 用光照射某一物体，可以看作物体 受到一连串能量为hf 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。 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。 Date3 紫外管外形 当入射紫外 线照射在紫外管 阴极板上时，电 子克服金属表面 对它的束缚而逸 出金属表面，形 成电子发射。紫 外管多用于紫外 线测量、火焰监 测等。 紫外线 Date4 光敏电阻 当光敏电阻受到 光照时， 阻值减小。 Date5 光敏电阻演示 当光敏 电阻受到光照 时，光生电子 空穴对增加 ，阻值减小， 电流增大。 暗电流（越小越好） Date6 光敏二极管 将光敏二极管的 PN 结设置在透明管 壳顶部的正下方，光 照射到光敏二极管的 PN结时，电子-空穴 对数量增加，光电流 与照度成正比。 Date7 光敏二极管外形 光敏二极管阵列 包含1024个InGaAs元件 的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。 Date8 红外发射、接收对管外形 红外发射管 红外接收管 Date9 PIN光电二极管 PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻 率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作 频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压） 高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的 光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作 各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接 收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关、中波频带 到1000MHZ之间电流控制、可变 衰减器、各种通信设备收发天线的 高频功率开关切换和RF领域的高 速开关等。特殊结构的PIN二极 管还可用于测量紫外线或射线等。 Date10 APD光敏二极管（雪崩光敏二极管） 硅雪崩光电二极管是采用n+p-p+型结构的可见 光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比， 高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、 长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息 传输和光电对抗系统。 Date11 GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数 参数单位GD3250- A GD3250- B GD3250- C 光敏面直径 mm0.20.5 0.8 工作电压V100150100150150250 暗电流nA152535 响应度V/w606060 上升时间ns134 噪声等效功 率 Pw/Hz1 /2 0.050.070.09 结电容pF11.52 使用温度范 围 -20+40-20+40-20+40 封装形式 TO型 光纤型 TO型TO型 Date12 光敏二极管的反向偏置接法 在没有光照时，由 于二极管反向偏置，所 以反向电流很小，这时 的电流称为暗电流，相 当于普通二极管的反向 饱和漏电流。当光照射 在二极管的PN结（又称 耗尽层）上时，在PN结 附近产生的电子-空穴 对数量也随之增加，光 电流也相应增大，光电 流与照度成正比。 Date13 光敏二极管的反向偏置接线 （参考上页图）及光电特性演示 在没有光照时，由于二 极管反向偏置，反向电流（ 暗电流）很小。 当光照增加 时，光电流I 与光照度成正 比关系。 光敏二 极管的 反向偏 置接法 UO + 光照 Date14 光敏三极管 光敏三极管有两个PN结。与普通 三极管相似，有电流增益，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。 Date15 光敏三极管外形 Date16 光敏三极管内部结构 a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+ 衬底 7N型集电区 8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结 Date17 硅光敏晶体管的光谱特性 电磁波频谱 Date18 光敏晶闸管 光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极 k和门极g 。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸 管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源 负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过 玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门 极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通 状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维 持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须 使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其 维持电流。 光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得 多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大 ，可用于工业自动检测控制。 Date19 光敏晶闸管外形 光敏面 Date20 基于光生伏特效应的光电元件 光电池 在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照 敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光 子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子 就产生一对光生电子空穴对， 光生电子 空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被 拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电 ，P区带正电。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。 Date21 光电池外形 光敏面 Date22 能提供较大电流的 大面积光电池外形 Date23 其他光电池及在照度测量中的应用 柔光罩下面为圆形光电池 Date24 光电池在动力方面的应用 太阳能赛车 太阳能电动机模型 太阳能 硅光电池板 Date25 光电池在动力方面的应用（续） 太阳能发电 Date26 光电池在动力方面的应用（续） 光电池在人造卫星上的应用 Date27 光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性 1开路电压曲线 2短路电流曲线 开路电压为 对数特性 短路电流为 线性特性 Date28 二、光电元件的基本应用电路 1、光敏电阻的基本应用电路 a）U与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路 Date29 2、光敏三极管光控继电器电路 当无光照时，V1截止，I =0，则V2处于什 么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与 R b2位置上下对调，其结果如何？ Date30 3、光电池的应用电路 光电池短路电流测量电路 I/U 转换电路的输出电压Uo与光电流I成正 比。若光电池用于微光测量时，I可能较小，则 应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP 微调总的放大倍数。 Date31 三、光电传感器的应用 1、光源本身是被测物的应用实例 光的照度E 的单位是lx（勒 克斯），它是常 用的光度学单位 之一，它表示受 照物体被照亮程 度的物理量，可 以用照度计来测 量。 光电池（ 外加柔光 罩） Date32 红外线辐射温度计： 红外辐射温度计既可用于高温测量， 又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐 射温度计的发展趋势。 市售的红外辐射温度计的温度范围可 以从-30 3000 ，中间分成若干个不 同的规格，可根据需要选择适合的型号。 Date33 红外线辐射温度计外形 激光仅 用于瞄准 Date34 红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度计 用于食品温度测量 Date35 红外线辐射温度计 在非接触体温测量中的应用 耳温仪 Date36 红外线辐射温度计用于人体额温测量 Date37 红外线辐射温度计在 非接触温度测量中的应用 集成IC 温度测量 Date38 红外线辐射温度计在非接触温度测量 中的应用（续） 利用红色激光瞄准被测 物（冷藏牛奶和面食） Date39 红外线辐射温度计在非接触温度测量中的 应用（续） 利用红色激光瞄准被 测物（电控柜、天花 板内的布线层） 温度 采集系统 Date40 比色式温度传感器温度非接 触测量中的应用 比色式温度传感器：采用比色式（双 波段）测温原理实现对被测目标的非接触 测温，用户不需知道物质的发射率。它抗 烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口 玻璃影响，能瞄准 ,测量小目标，可不考 虑距离系数，可以不完全被目标充满，不 需调焦就可准确测量。 比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如 : 烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现 场。 Date41 热释电传感器在人体检测、报警中的应用 热释电元件在红外线检测中得到广泛的 应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检 测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的 控制等。 热释电元件外形 Date42 热释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线 而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电 效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起 了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已 广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼 道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用 。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机 能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视 器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或 人的活动等等 可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀 的新产品。或自动化控制装置。 Date43 热释电传感器的内部电路 两块反向 串联的热 释电晶片 场效应管 Date44 热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由一组平 行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透 镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在 透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入 第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个 反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲 信号。当然，如果人体静止不动地站在热释 电元件前面，它是“视而不见”的。 Date45 菲涅尔透镜 菲涅尔透镜 热释电晶片 Date46 菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔 透镜时，其检测距离 小于2m，而加上该透 镜后，其检测距离可 增加3倍以上。 Date47 热释电套件 Date48 热释电 报警器 菲涅尔透镜 设定按钮 高分贝喇叭 Date49 热释电 报警器（续） 菲涅尔透镜 5mm 接插件 Date50 热释电 报警器（续） 吸顶式 热释电报警器 Date51 热释电 传感器应用 热释电传感器用 于自动亮灯， 当然也可以用 于防盗 热释电传感器 的感应范围 Date52 热释电感应灯 热释电 传感器 Date53 自动感应灯 Date54 热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测 出屋内是否有人，微 处理器据此自动调节 空调的出风量，以达 到节能的目的。 空调中，热释电传感器的菲涅尔 透镜做成球形状，从而能感受到屋内 一定空间角范围里是否有人，以及人 是静止着还是走动着。 上下范围 左右范围 Date55 、被测物吸收光通量的应用实例 光电式浊度计和 含沙量测量 将装有浊水的试管 插入仪器中 Date56 光电式浊度计工作原理 1恒流源 2半导体激光器 3半反半透镜 4反射镜 5被测水样 6、9光电池 7、10电流/电压转换器 8标准水样 参比通道 Date57 烟雾报警器外形 无烟雾时，光敏 元件接收到LED发射 的恒定红外光。而在 火灾发生时，烟雾进 入检测室，遮挡了部 分红外光，使光敏三 极管的输出信号减弱 ，经阀值判断电路后 ，发出报警信号。 烟雾 报警 Date58 无线烟雾报警器内部结构 可发出高分贝 笛鸣声的蜂鸣器 Date59 无线火灾烟雾传感器 无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花 板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警 戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作 电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一 定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的 连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器 发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警 信息传递出去。 无线发射器的报警距离在空旷地可 以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到 20米。 Date60 、被测物体反射光通量的应用实例 在没有烟雾 时，由于红外对 管相互垂直，烟 雾室内又涂有黑 色吸光材料，所 以红外LED发出 的红外光无法到 达红外光敏三极 管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对 红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反 射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有 光电流输出。 反射式烟雾报警器 Date61 光电式转速表 光电式 转速表属于 反射式光电 传感器，它 可以在距被 测物数十毫 米外非接触 地测量其转 速。 n =60( f /z ) Date62 水泵转速测量 Date63 光电式转速表外形 Date64 色标传感器 色饱和图 色标传感器常用于检测 特定色标或物体上的斑点， 它是通过与非色标区相比较 来实现色标检测，而不是直 接测量颜色。 人眼对各色光的敏感程度 Date65 色标传感器的用途 现代化工业生产中，颜色检测和颜色 识别的应用越来越多。例如，在包装生产 中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包 装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的 玻璃纸窗口等等。色标传感器常用于检测 特定色标或物体上的斑点，它是通过与非 色标区相比较来实现色标检测，而不是直 接测量颜色。 Date66 各种色标传感器外形 色标传感器能识别 红、绿、蓝等颜色 Date67 色标传感器外形（续） Date68 色标传感器在流水线上检测产品的颜色 Date69 用多个色标传感器 测量薄板的颜色 Date70 产品包装色彩检测、分选 Date71 光电自动门 自动门光电传感器 放大图 有效检测区域 Date72 、被测物遮挡光通量的应用实例 光电式带材跑偏检测器 光电传感器 带材走偏 时，边缘经常 与传送机械发 生碰撞，易出 现卷边，造成 废品。 当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压 Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带 材跑偏的方向及大小。 Date73 光电式带材跑偏 检测控制器原理 1 被测带材 2卷取电机 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R1 12遮光罩 指针将偏向左边还是右边？ Date74 四、光电开关及光电断续器 从原理上讲，光电开关及光电断续器没有 太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接 收元件组成，只是光电断续器是整体结构，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。 Date75 1、光电开关的结构和分类 光电开关可分为遮断型和反射型两大 类。遮断型光电开关的发射器和接收器相 对安放，轴线严格对准。当有物体在两者 中间通过时，红外光束被遮断，接收器接 收不到红外线而产生一个负脉冲信号。 遮断型光电开关的检测距离一般可达十几 米，对所有能遮断光线的物体均可检测。 Date76 光电开关外形 Date77 遮断型光电开关示意图 遮断报警 Date78 遮断式光电开关原理 Object Receiver 遮断式光电开关 由相互分离且相对安 装的光发射器和光接 受器组成。当被检测 物体位于发射器和接 受器之间时，光线被 阻断，接受器接受不 到红外线而产生开关 信号。 被检测物体 光发射器 光接收器 Date79 光电开关在 流水线上的应用 送料器 定区域式光电开关 咖啡罐 流水线运行方向 罐装高度检测 储料仓 落料口 遮断式光电开关（ 计数） Date80 光幕 两个柱 形结构相对 而立，每隔 数十毫米安 装一对发光 二极管和光 敏接收管， 形成光幕， 当有物体遮 挡住光线时 ，传感器发 出报警信号 。 接收器Date81 光幕应用 当有物 体遮挡住光 线时，传感 器发出报警 信号，起保 护、预警等 作用。 光线被遮断（报警） Date82 光幕应用（续） 产品高度测量 Date83 光幕应用（续） 三维尺寸 检测 宽度 测量 长度 测量 高度 测量 Date84 光幕应用（续） 木材外形截面积检测 Date85 光幕应用（续） 纠偏 光幕可 检测出带材 在卷曲过程 中的偏移， 经控制器和 执行机构使 带材向正确 的方向运动 （纠偏）。 Date86 光幕用于 自动收费系统的 车辆超高测量 Date87 光幕应用 锻压机床的 安全区域设置 及入侵报警 Date88 光幕应用 安全区示警 Date89 反射型光电开关 反射型光电开关分为两种情况：反 射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射 型）。 反射镜反射型光电开关采用较为方便 的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角 度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使 用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏 感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出 的光转变成偏振光（波动方向严格一致的 光）反射回去，提高抗干扰能力。 Date90 定区域反射式光电开关原理 (发出光有角度) 定区域式光电 开关有一个非常确定 的检测区域，不经过 该区域的被测物体不 会引起光电开关产生 开关信号。 检测距离 检测距离 Date91 反射型光电开关及反射镜外形 三角反射镜集发射、接收器 于一身 Date92 反射镜反射型光电开关 工作原理 反射镜反射型光电开 关集光发射器和光接受器 于一体，与反射镜相对安 装配合使用。反射镜使用 偏光三角棱镜，能将发射 器发出的光转变成偏振光 反射回去，光接收器表面 覆盖一层偏光透镜，只能 接受反射镜反射回来的偏 振光。 反射板反射镜 被测物体 偏振光 发射光 Date93 调制型光电开关原理 光电开关的LED多采用中频（40kHz左右）窄脉 冲电流驱动，发射40kHz调制光脉冲，相应地，接收 光电元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及专用 的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的 干扰，又可减小发射LED的功耗。 Date94 被测物漫反射型光电开关原理 漫反射光线 (漫无边际) 反射光线 被检测物体 光发射器 和光接受器 发射光线 漫反射型 光电开关集光 发射器和光接 受器于一体。 当被测物体经 过该光电开关 时，发射器发 出的光线经被 测物体表面反 射由接受器接 受，于是产生 开关信号。 额定距离 Date95 漫反射型光电开关的应用 请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备 Date96 反射型光电开关外形电源 指示 信号 指示 Date97 反射型光电开关外形（续） 灵敏度调节电位器 Date98 智能化自学习型光电开关 常规反射型光电开关的动作距离是不变的 （与型号有关），当检测流水线上的漫反射物 体时，必须调节安装距离，十分不方便。自学 习型光电开关上设置了一只阈值开关，当流水 线上的被检测物体到达光电开关面前时，按下 阈值开关数秒，待“学习”指示灯闪亮停止后， 内部的微处理器就记住了两者之间的距离，就 能在一定的允许范围内，可靠地对之后来到的 被检测物体作出反应。当流水