光电式传感器及应用

1、2021-6-271 光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将被测非电量 通过光量的变化再转化成电量的传感器。 光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件3部分组 成。 光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可 靠性，因此在自动检测，计算机和控制系统中，应用非常 广泛。 光电式传感器的物理基础是光电效应。 2 6.1光电效应及光电元器件 6.2光电式传感器的实用电路 6.3光纤传感器 6.4红外传感器 3 光电式传感器的工作原理是基于不同形式的光电效 应。根据光的波粒二象性，光是一种以光速运动的 粒子流，这种粒子称为光子。具有的能量h正比于

2、光的频率（h普朗克常数）。每个光子具有的能量 为 E= h 4 6.1.1 光电效应及分类光电效应及分类 对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率越 高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作 物体受到一连串能量为h的光子所轰击，组成该物 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。 5 （1）外光电效应。真空管元件 （2）内光电效应。 （3）光生伏特效应。 （2）、（3）类属于半导体元件。 6 流明（lm）和勒克斯（lx）两个光学单位。所谓流 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。勒克斯是照度的单位，它表征受照物 体被照程度的物理量。 7 （1）结构

3、与工作原理。它们是利用外光电效应制 成的光电元件。 8 1光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管 光电管的结构 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，形成逸出 电子。这种逸出的电子称为光电子，光电子逸出金 属表面的初速度可由爱因斯坦光电效应方程确定。 （1/2）m2= hA 9 当阴极金属材料选定后，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，否则 当h小于A时，不管光通量有多大，都不可能有电 子逸出，这个最低限度的频率称为红限。当h大于 A时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电 流I就越大。 10 光电管正常工作时，阳极电位高于

4、阴极电位。 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（几十伏）时，从阴极表面逸出的电 子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电 流，称为光电流。 11 光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子，并使电 子获得倍增的电真空器件。 它有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大， 线性好，多用于微光测量。光电倍增管由两个主要 部分构成：阴极室和若干光电倍增极组成的二次发 射倍增系统 12 在它的阴极与阳极之间设置许 多二次倍增极D1、D2、 D3、，它们又称为第1倍 增极、第2倍增极，相邻 电极之间通常加上100V左右 的电压，其电位逐级提高，阴 极电位最低，阳极电位最高， 两者

5、之差一般在。600 1 200V左右。 13 光电倍增管结构示意图 14 当微光照射阴极K时，从阴极K上逸出的光电子在D1的电 场作用下，以高速向倍增极D1射去，产生二次发射，于 是更多的二次发射的电子又在D2电场作用下，射向第二 倍增极，激发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电 子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所收集。若每 级的二次发射倍增率为m，共有n级（通常可达911 级），则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大 mn倍，因此光电倍增管的灵敏度极高。 15 各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、Rn获得的， 阳极电流流经电阻RL得到输出电压Uo。当用于测量稳定 的辐射通量时，

6、图中虚线连接的电容C1、C2、Cn 和输出隔离电容C0都可以省去。这时电路往往将电源正 端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接。当入射 光通量为脉冲量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍 增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应 接入隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接入，以稳 定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。 16 光电特性。 17 光电管光电特性曲线光电管光电特性曲线 伏安特性。 18 光谱特性。 19 光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性，暗电 流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和有关 手册合理选用。 20 光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元

7、件。 它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量 轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强 和寿命长等特点 21 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。 22 当光敏电阻受到 光照时， 阻值减小。 23 暗电阻和暗电流。 亮电阻和亮电流。 伏安特性。 24 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 光电特性。 光谱特性。 25 某光敏电阻的光电特性 光敏电阻的光谱特性 响应时间。 温度特性。 26 光电导器件材料光电导器件材料禁带宽度禁带宽度/eV光谱响应范围光谱响应范围/nm峰值波长峰值波长/nm 硫化镉（硫化镉（CdS）2.45400800515550 硒化镉（硒化镉（CdSe）1.746

8、80750720730 硫化铅（硫化铅（PbS）0.405003 0002 000 碲化铅（碲化铅（PbTe）0.316004 5002 200 硒化铅（硒化铅（PbSe）0.257005 8004 000 硅（硅（Si）1.124501 100850 锗（锗（Ge）0.665501 8001 540 锑化铟（锑化铟（InSb）0.166007 0005 500 砷化铟（砷化铟（InAs）0.331 0004 0003 500 27 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。光敏三 极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差， 目前广泛应用于光纤通信、

9、红外线遥控器、光电耦 合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等 场合。光敏晶闸管主要应用于光控开关电路 28 光敏二极管。 通常处于反向偏 置状态 。当没有 光照射时，其反 向电阻很大，反 向电流很小，这 种反向电流称为 暗电流。 29 1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引脚 6N型衬底 7SiO2保护圈 8SiO2透明保护层 9铝引出电极 10P型扩散层 11PN结 12金属引出线 30 光敏二极管阵列光敏二极管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件元件 的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。于分光镜。 31 红外发射管红外发射管 红外接收管红

10、外接收管 集电极电流是原始 光电电流的倍。因 此，光敏三极管比 光敏二极管的灵敏 度高许多倍。 32 光敏三极管光敏三极管 33 光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管 光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有的可达数百 伏，导通电流比光敏三极管大得多，因此输出功率 很大，在自动检测控制和日常生活中应用会越来越 广泛。 34 光敏面 35 光谱特性。 36 图6-16 光敏晶体管的光谱特性 1硅光敏晶体管 2锗光敏晶体管 伏安特性 37 光电特性 38 图6-18 光敏晶体管的光电特性 1光敏二极管的光电特性 2光电三极管的光电特性 温度特性 频率特性 响应时间 39 光电池的工作原理是基于光生伏特效

11、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 池有两种，一种是金属半导体型，另一种是PN结 型，如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。 40 用导线连接P区和N 区，电路中就有电 流流过 41 42 光敏面光敏面 43 44 光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用 光谱特性 光电特性 温度特性 频率特性 45 光电池和光谱特性曲线 1硅光电池 2硒光电池 硅光电池的光电特性 1开路电压特性曲线 2短路电流特性曲线 光电池的温度特性 光电池的频率特性 Uo= -UR f = -I Rf 该电路的输出电压Uo与光电流I 成正比，从而达到电流/ 电压转换关系。 47 光电池短路电

12、流测量电路 由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并 使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。 发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元 件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控 硅等。 根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离 的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。 48 光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器，它具有 抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛应用在电路 隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继 电器等场合。 49 光电耦合器组合形式 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以 接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大 和控制，从而获得最终的控制输出“开”

13、、“关”信号的 器件。 光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与 TTL、MOS等电路容易结合。 50 51 1发光元件 2接收元件 3壳体 4导线 5反射物 6窗体 52 用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号 有“高低”之分即可。 53 光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安 全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中 用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、 安全报警及计算机输入接口等用途。 54 工作原理与光电开关的相同，但其光电发射器、接 收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以两者 能可靠地对准。 分为遮断型和反射型2种。 55 56 1发光二极管发光二极管 2

14、红外光红外光 3光电元件光电元件 4槽槽 5被测物被测物 57 58 红色红色 光柱光柱 59 齿 盘 每齿 盘 每 转过一个齿，转过一个齿， 光电断续器就光电断续器就 输出一个脉冲。输出一个脉冲。 通过脉冲频率通过脉冲频率 的测量或脉冲的测量或脉冲 计数，即可获计数，即可获 得齿盘转速和得齿盘转速和 角位移。角位移。 请写出转速与频率的关系式请写出转速与频率的关系式 n= ？ n 非接触式测量，由光源、光学通路和光电元件3部 分组成。 按照被测物、光源、光电元件三者之间的关系 4种类型 60 61 1被测物 2光电元件 3恒光源 根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长1、2上 的辐射强度之比

15、与该物体的温度成指数关系，即 K1、K2是与1、2及物体的黑度有关的常数。 TK eKII / 1 2 21 / 62 63 1高温物体 2物镜 3半反半透镜 4反射镜 5目镜 6观察者眼睛 7光阑 8光导棒 9镜 10、12滤光镜 11、13硅光电池 14、15电流/电压转换器 化学分析仪器 使用公共光源，不管光线强弱如何，光源光通量不 稳定带来的变化可以被抵消，故其测量精度高。但 两光电池的性能不可能完全一样，由此会带来一定 误差。 64 65 1光源 2光透镜 3滤色镜 4标准样品 5被检 测样品 6、7光电池 8差动放大电路 9指示仪表 带材跑偏检测装置是用来检测带型材料在加工过程 中

16、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。 66 67 1被测带材 2光源 3、4光透镜 5光敏电阻 6遮光罩 光电元件检测运动物体的速度 68 1光源A 2光敏元件VA 3运动物体 4光源B 5光敏元件VB 6RS触发器 69 6.3.1 光纤传感器概述光纤传感器概述 优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵 敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、 便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、 加速度、磁、

17、电、声和加速度、磁、电、声和pH值等各种物理量的测量，具有值等各种物理量的测量，具有 极为广泛的应用前景。极为广泛的应用前景。 光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传 感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。 单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为212 m，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持 一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感 器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采 用多模光纤。 70 71 发光 二极管产生 多种颜色的 光线，通过 光导纤维传 导到东方明 珠球体的表 面。在计算 机控制下， 可产生动态 图案。 72 光导纤维简称为光纤

18、，目前基本上还是采用石英玻 璃，其结构如图6-36所示。中心的圆柱体叫做纤 芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层 主要由不同掺杂的石英玻璃制成。 73 1光纤的结构光纤的结构 74 75 76 光纤的传输是基于光的全内反射。 77 只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里 的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的 光纤集光本领的术语叫数值孔径NA NA= sinc= 数值孔径反映纤芯接收光量的多少。 78 22 12 nn 一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束 光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感 器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，从而使光 纤

19、被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模 光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的 干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过处 理电路处理后便可正确地测出加速度值。 79 1光纤加速度传感器光纤加速度传感器 80 在球状对折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射回 来，由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于 被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接 近，反射光强度越小。显然，传感器处于空气中时比处于 液体中时的反射光强要大。因此，该传感器可用于液位报 警。若以探头在空气中时的反光强度为基准，则当接触水 时反射光强变化6dB7dB，接触油时变化25dB

20、 30dB。 81 （1）球面光纤液位传感器）球面光纤液位传感器 82 当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的 光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反 射光强度差在20dB以上。 83 1、2光纤 3棱镜 将光纤的端部抛光成45的圆锥面。当光纤处于空 气中时，入射光大部分能在端部满足全反射条件而 返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射 率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折 射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用X形耦 合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。 84 85 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心 必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及 光纤插座来完成。

21、 86 87 标志孔标志孔 电路板标志检测电路板标志检测 当光纤发出当光纤发出 的光穿过标志孔的光穿过标志孔 时，若无反射，时，若无反射， 说明电路板方向说明电路板方向 放置正确。放置正确。 光纤光纤 耦合器耦合器 传输光纤传输光纤 出射光纤出射光纤 88 遮断型光纤遮断型光纤 光电开关光电开关 出射光纤出射光纤 接收光纤接收光纤 军用光纤陀螺： 将激光射入绕成线圈的 光纤，当线圈的底座随运动 物体旋转时，可以测得出射 光的相位发生变化，它的灵 敏度比机械陀螺高，无机械 磨擦力。 89 光纤内窥镜光纤内窥镜 （1）红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量； （2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目

22、标，确定 其空间位置并对它的运动进行跟踪； （3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像， 如红外图像仪、多光谱扫描仪等； （4）红外测距和通信系统； （5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组 合。 90 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是 位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线 波长范围大致在0.761 000 m 红外辐射的物理本质是热辐射 以波的形式在空间直线传播的 是22.6 m、35 m和814 m，统称它们 为“大气窗口”。 91 92 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电 路及显示系统等组成。红外探测器是红外传感器的 核心。红外探测器种类很多，

23、常见的有两大类：热 探测器和光子探测器。 93 热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感 元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理 参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便 可确定探测器所吸收的红外辐射。 94 热探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、热电 偶型和气体型探测器。 95 具有极化现象的热晶体或被称为“铁电体”的材料制成的。 “铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当 红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温 度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一 部分电荷，所以叫做热释电型传感器。 96 97 热释电传感器 红外探测报器主要用

24、于防盗报警和安全报警。 采用热释电红外传感器，加滤波器（滤光片） 以适应人体辐射（7.514m）。 98 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。 99 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

25、输出一串交变脉冲信 号。当然，如果人体静止不动静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而 不见”的。 两块反向串联两块反向串联 的热释电晶片的热释电晶片 场效应管场效应管 菲涅尔透菲涅尔透 镜镜 热释电晶片热释电晶片 10 0 热释电红外传感器除在楼道灯自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领 域得到应用。如在房间无人时会自动停机的空调、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；开启监视器或自动门铃；摄影机或数码照相机自动记 录动物或人的活动及自动门控制等。 自动亮灯、防盗自动亮灯、防盗 在智能空调中的应用在智能空调中的应用 10 1 有效检测区域有效检测区域 自动门控制 主要用

26、于公共场所自动 门人员进出的自动开关控制。 热释电传感器热释电传感器 10 2 自动门控制电路如图所示，、部分为热释电人体探测电路， 当有人靠近门时输出一串脉冲。两部分的传感器分别安装在门的里、 外两边。D1、D2组成一个或门，无论、哪部分或两者都有信号 输出，都会使VT导通，输出低电平，触发由555构成的单稳态触发 器，使3脚输出高电平，继电器吸合，驱动电机使门打开。暂态时 间由R3、C3决定，暂态结束后3脚输出低电平，继电器释放，使电机 反转，门自动关上。 10 3 耳温仪耳温仪 人体额温测量人体额温测量 集成集成IC 温度测量温度测量 10 4 冷藏牛奶和食品测温冷藏牛奶和食品测温 电控柜、天花板内的布线层测温电控柜、天花板内的布线层测温 光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电 子的相互作用来改变电子的能量状态，引起各种电学现象。 利用光子效应制成的红外探测器，统称光子探测