第五章 光电式传感器

1、传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校1第五章第五章 光传感器光传感器w 光电效应光电效应w 光电式传感器光电式传感器w 光纤式传感器光纤式传感器w CCD传感器传感器w 趣味小制作报警器趣味小制作报警器传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校2光电效应光电效应-外光电效应外光电效应 w 光线照射在某些物体上，引起电子从这些光线照射在某些物体上，引起电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。称光电发射。 w 光的频率必须高于某一限值，这个光的频率必须高于某一限值，这个能使物能使物体发射光电子的最低光频率称为红限频率体发射

2、光电子的最低光频率称为红限频率。 w 小于红限频率的入射光，光再强也不会激小于红限频率的入射光，光再强也不会激发光电子；大于红限频率的入射光，光再发光电子；大于红限频率的入射光，光再弱也会激发光电子。弱也会激发光电子。 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校3光电效应光电效应-内光电效应内光电效应 w 物体受物体受光照射后光照射后，其内部的原子释放出电，其内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使子，这些电子仍留在物体内部，使物体的物体的电阻率发生变化电阻率发生变化或或产生光电动势产生光电动势的现象称的现象称为内光电效应。为内光电效应。 w 内光电效应又细分为内光电效应又细分

3、为光电导效应光电导效应和和光电伏光电伏生效应生效应。 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校4光电导光电导效应效应 w 入射光强改变物质导入射光强改变物质导电率的物理现象称光电率的物理现象称光电导效应电导效应 w 基于光电导效应的光基于光电导效应的光电器件有电器件有光敏电阻光敏电阻 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校5光电伏生效应光电伏生效应 w 光生伏特效应是半导体材料光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在吸收光能后，在PN结上产结上产生电动势的效应。生电动势的效应。 w 处于反偏的处于反偏的PN结结 ，当有光当有光照时，形成光电流照时，形成光电流I，并且，并且光

4、照越大，光电流越大。光照越大，光电流越大。 w 基于此效应的光电元件有光基于此效应的光电元件有光敏二极管敏二极管、光敏三极管光敏三极管。电子空穴IPNE光照传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校6光电管光电管 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校7光电管结构光电管结构 w 光电管由一个光电管由一个光电阴光电阴极极和和阳极阳极封装在封装在玻璃玻璃壳内壳内组成，光电阴极组成，光电阴极涂有涂有光敏材料光敏材料。 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校8原理原理 w 无光无光照射照射时时，电路不通电路不通w 有光线有光线照射照射时时，如果光子，如果光子能量大于电子

5、的逸出功，能量大于电子的逸出功，会有电子逸出，产生电子会有电子逸出，产生电子发射发射w 电子被带有正电的阳极吸电子被带有正电的阳极吸引，引，在光电管内形成光电在光电管内形成光电流流w 根据电流大小可知光量的根据电流大小可知光量的大小大小光A（阳极）K（阴极）REU0I传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校9光电倍增管光电倍增管 w 在光电管的阴极与阳极之间（光电子飞跃在光电管的阴极与阳极之间（光电子飞跃的路程上）安装若干个倍增极，就构成了的路程上）安装若干个倍增极，就构成了光电倍增管，光电倍增管， 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校10光敏电阻光敏电阻 w 光敏电阻

6、的工作原理是基于光电导效应，光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，由掺杂的由掺杂的光导体薄膜光导体薄膜（光导体）（光导体）沉积在绝沉积在绝缘基片上缘基片上而成，纯粹是个电阻，没有极性而成，纯粹是个电阻，没有极性 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校11光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电当光敏电阻受到光照阻受到光照时，光生电时，光生电子子空穴对空穴对增加，阻值增加，阻值减小，电流减小，电流增大。增大。传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校12测量电路测量电路 w 当当无光照时无光照时，由于光敏电，由于光敏电阻的阻值太大，阻的阻值太大，电路中电电路中电流很小流很小；w 当当

7、有有适当波长范围内的适当波长范围内的光光线照射时线照射时，因其阻值变得，因其阻值变得很小，很小，电路中电流增加电路中电流增加w 根据电流表测出的电流值根据电流表测出的电流值的变化，即可推算出照射的变化，即可推算出照射光强的大小光强的大小 A电极光E传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校13光敏二极管光敏二极管 w 光敏二极管封装在透光敏二极管封装在透明玻璃外壳中，明玻璃外壳中，PN结结在管子的顶部，可以在管子的顶部，可以直接受到光照，为了直接受到光照，为了提高转换效率大面积提高转换效率大面积受光，受光，PN结面积比一结面积比一般二极管大。般二极管大。 传感器原理及应用2021-7-

8、26沈阳铁路机械学校14光敏二极管光敏二极管 w 当当无光照射无光照射时，与普通二极管一时，与普通二极管一样，样，电路电路中仅中仅有很小的有很小的暗暗电流电流，此时相当于光敏二极管截止此时相当于光敏二极管截止w 当当有光照射时有光照射时，在反向电压作用，在反向电压作用下，反向饱和电流大大增加，下，反向饱和电流大大增加，形形成光电流成光电流，这时相当于光敏二极，这时相当于光敏二极管导通。管导通。传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校15光敏三极管光敏三极管 NPNce基区光Ece光基区发射区PNNNPNceERL光结构结构 平面和剖平面和剖面结构面结构 电路电路 传感器原理及应用20

9、21-7-26沈阳铁路机械学校16应用应用 光电转速传感器光电转速传感器 w 当被测物体旋转起来，当被测物体旋转起来，每相邻一对黑、白标每相邻一对黑、白标志，使光电元件由导志，使光电元件由导通变为不导通，对应通变为不导通，对应输出一个电脉冲。输出一个电脉冲。w 被测体每转一周，产被测体每转一周，产生生6个电脉冲，通过频个电脉冲，通过频率计对脉冲计数，即率计对脉冲计数，即可得到旋转物体转速。可得到旋转物体转速。 1-光源光源 2-透镜透镜 3-半透半透明膜明膜 4-透镜透镜 5-转盘转盘 6-透镜透镜 7-光电元件光电元件 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校17表面缺陷光电传感器

10、表面缺陷光电传感器 表面光滑表面光滑 表面有缺陷表面有缺陷 1-光源光源 2-透镜透镜 3-被测物被测物 4-透镜透镜 5-光电元件光电元件 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校18燃气热水器脉冲点火控制器燃气热水器脉冲点火控制器 w 打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀门关闭，保证使用燃气器具的安全性门关闭，保证使用燃气器具的安全性 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校19红外光电开关红外光电开关 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校20红外光电开关红外光电开关w 红外光电开关是用来检测物体

11、的靠近、通红外光电开关是用来检测物体的靠近、通过等状态的光电传感器，也有人称其为红过等状态的光电传感器，也有人称其为红外传感器，简称光电开关外传感器，简称光电开关w 光电开关可分为光电开关可分为透射式透射式和和反射式反射式两种两种 w 反射型又分为两种情况：反射型又分为两种情况：反射镜反射型反射镜反射型和和被测体反射型被测体反射型传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校21红外光电开关红外光电开关w 透射型透射型 w 发光二极管和光敏三极发光二极管和光敏三极管管相对安放相对安放，轴线严格轴线严格对准对准。当有不透明物体当有不透明物体在两者中间在两者中间通过时通过时，红，红外光束会被阻

12、断，光敏外光束会被阻断，光敏三极管因收不到红外线三极管因收不到红外线而而产生一个电脉冲信号产生一个电脉冲信号 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校22红外光电开关红外光电开关w 反射镜反射型传感器单侧安反射镜反射型传感器单侧安装装 w 需要调整反射镜的角度以取需要调整反射镜的角度以取得最佳反射效果得最佳反射效果 w 当当有物体通过时有物体通过时，红外光束，红外光束被隔断，光敏三极管收不到被隔断，光敏三极管收不到红外线而红外线而产生一个电脉冲信产生一个电脉冲信号号，其检测距离不如透射型，其检测距离不如透射型 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校23红外光电开关红外光电

13、开关w 被测体反射型被测体反射型 w 发光二极管与光敏三极管光发光二极管与光敏三极管光轴在同一平面上，以某一角轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为待测点，度相交，交点处为待测点，当当有物体经过待测点时有物体经过待测点时，发，发光二极管的红外线经被测体光二极管的红外线经被测体上的标记反射，被光敏三极上的标记反射，被光敏三极管接收，从而使光敏三极管管接收，从而使光敏三极管产生电脉冲信号产生电脉冲信号 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校24应用应用 自动扶梯自动自动扶梯自动起停起停 产品计数产品计数 烟雾检测烟雾检测 高度辨认高度辨认 仓库门警卫仓库门警卫 自动注料自动注料 传感

14、器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校25光电鼠标光电鼠标 机械鼠标机械鼠标 机械鼠标机械鼠标 第一代光第一代光电鼠标电鼠标 第二代光第二代光电鼠标电鼠标 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校26光纤传感器光纤传感器 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校27光纤光纤的结构的结构w 中心纤芯、外层包层、护套尼龙塑中心纤芯、外层包层、护套尼龙塑料料 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校28光纤的传光原理光纤的传光原理 w 光被全反射时的入射角光被全反射时的入射角c称临界角称临界角w 只要只要c，光在纤芯和包层界面上，经若干次，光在纤芯和包层界面上，

15、经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出全反射向前传播，最后从另一端面射出 )1arcsin(22210NNNc传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校29光纤的类型光纤的类型 w 功能型功能型 ：光纤不仅起到光纤不仅起到传光作用，而且是传感传光作用，而且是传感元件元件 光纤光源光敏元件调制波空载波传感元件被测对象光纤光源光敏元件调制波空载波传感元件被测对象w传光型：传光型：光纤仅作为光纤仅作为光的传播媒质光的传播媒质 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校30光纤传感器的应用光纤传感器的应用 光敏元件发光元件X光纤d发射接收发射发射式光式光纤位纤位移传移传感器感器光纤

16、光纤温度温度传感传感器器 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校31光纤温度传感器光纤温度传感器光光谱谱型型折折光光型型传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校32光纤传感器的应用光纤传感器的应用 光纤流速光纤流速传感器传感器 光纤压力光纤压力传感器传感器 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校33CCD传感器传感器 指纹机 数码相机 摄像头 数码摄像机 扫描仪 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校34CCD传感器的种类传感器的种类w 种类种类 w CCD有面阵和线阵之分有面阵和线阵之分 w 面阵是把面阵是把CCD像素排成像素排成1个平面的器件；

17、个平面的器件；而线阵是把而线阵是把CCD像素排成像素排成1直线的器件直线的器件 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校35CCD传感器的工作原理传感器的工作原理 w 当物体通过物镜成像，这些光敏元就产生与照当物体通过物镜成像，这些光敏元就产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷（光生电在它们上面的光强成正比的光生电荷（光生电子空穴对），同一面积上子空穴对），同一面积上光敏元越多分辨率光敏元越多分辨率越高越高，得到的图象越清楚，得到的图象越清楚 传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校36CCD传感器的应用传感器的应用 w 管径测量管径测量 CCD物镜玻璃管CCD视频输出外径尺寸上臂厚下臂厚平行光线传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校37CCD传感器的应用传感器的应用 w 工业尺寸检测工业尺寸检测 视频微机工件光源传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校38CCD传感器的应用传感器的应用 w 高度自动检测高度自动检测 被测体CCD摄像机光源成像hL传感器原理及应用2021-7-26沈阳铁路机械学校39趣味小制作：报警器趣味小制作：报警器 89 10 11 12 13 14vv110V220V76543215432 154321透射式光电开关220光电开关 放大器电铃1314传感器原理及应用