传感器之光电传感器

1、第八章 光电传感器 采用光电元件作为检测元件的传感器被称为光电传采用光电元件作为检测元件的传感器被称为光电传感器。光电传感器由光源、光学通路和光电元件组成。感器。光电传感器由光源、光学通路和光电元件组成。 主要特点：精度高、反应快、非直接接触、结构简主要特点：精度高、反应快、非直接接触、结构简单、形式多样、应用广泛。单、形式多样、应用广泛。第一节第一节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件1.外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。2.内光电效应：在光线作用下物体的电阻率改变。内光电效应：在光线作用下物体的电阻率改变。3.光生伏特效应：在光线作用

2、下物体具有发电能力。光生伏特效应：在光线作用下物体具有发电能力。 光电效应光电效应 一、一、光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管 利用外光电效应制成的光电器件。利用外光电效应制成的光电器件。（一）光电管（一）光电管光输入光输入 阳极阳极阴极阴极电电子子逸逸出出 电输出电输出光光-以光速运动的粒子流。以光速运动的粒子流。单个光子能量：单个光子能量：hE 普郎克常数普郎克常数光波频率光波频率0212Ahmv光电管中的自由电子逸出条件：光电管中的自由电子逸出条件：电子电子质量质量逸出逸出初速度初速度逸出功逸出功光波光波频率频率AhhAAhcc即即光波频率光波频率光波波长光波波长或或光速光速光电管光电

3、管测量电路：测量电路：Ahcm 可见，要使光电管中的自由电子逸出，频率不能可见，要使光电管中的自由电子逸出，频率不能太低，波长也不能太长。太低，波长也不能太长。为入射光波长上限，也被称为为入射光波长上限，也被称为“红限红限”。光光电电管管阴极阴极阳极阳极 电压输出电压输出光输入光输入（二）光电倍增管（二）光电倍增管 光电倍增管具有放大光电子电流的能力。光电倍增管具有放大光电子电流的能力。 光电倍增管具光电倍增管具10-1510-15级倍增电极，电位依次升高，使得级倍增电极，电位依次升高，使得阴极因接受光能而发射的电子逐级加速，且受光电子的数量阴极因接受光能而发射的电子逐级加速，且受光电子的数量

4、逐级增多，形成较大的光电流。可用于微光测量。逐级增多，形成较大的光电流。可用于微光测量。 设单级的信号倍增率为设单级的信号倍增率为 ，则多级的倍增率为，则多级的倍增率为 。 光输入光输入 阳极阳极阴极阴极 - -+ + + + + - - - - - -+ + - -+ + + - -+ + - - - -n光电倍增管光电倍增管测量电路：测量电路：直直流流电电源源光线光线输输出出电电压压阴极阴极阳极阳极二、光敏电阻二、光敏电阻 （一）工作原理（一）工作原理：由：由半导体材料半导体材料构成，利用构成，利用内光电内光电效应效应而工作。而工作。 光敏电阻当光线照射时，因材料中的电子光敏电阻当光线照射

5、时，因材料中的电子空穴对空穴对增加，其电阻值会变小，当光照消失时，电阻会恢复原增加，其电阻值会变小，当光照消失时，电阻会恢复原值。这种现象被称为值。这种现象被称为光导效应光导效应。 光敏电阻没有极性光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直，纯粹是电阻器件，即可以加直流电压，也可以加交流电压工作。流电压，也可以加交流电压工作。 光照光照电路符号电路符号（二）特性参数（二）特性参数 1.暗电阻与亮电阻暗电阻与亮电阻 暗电阻暗电阻-在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的暗阻大于等于型光敏电阻的暗阻大于等于0.1兆欧。兆欧。 暗电阻暗

6、电阻-在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。例如例如MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于型光敏电阻的亮阻小于等于1000欧。欧。 2.伏安特性曲线伏安特性曲线 光敏电阻接在电路光敏电阻接在电路上，亮电流（大）与暗上，亮电流（大）与暗电流（小）之差被称为电流（小）之差被称为光电流光电流。 光敏电阻的亮电阻光敏电阻的亮电阻越大，暗电阻越小，越大，暗电阻越小，灵灵敏度敏度越高。越高。光照度小光照度小光照度大光照度大3.光电特性曲线光电特性曲线-光照度与光电流之间的关系。光照度与光电流之间的关系。4.光谱特性曲线光谱特性曲线-入射光频率与灵敏度之间的关系。入射光

7、频率与灵敏度之间的关系。光电特性光电特性光谱特性光谱特性光照度光照度光光电电流流灵灵敏敏度度光波波长光波波长硫化镉硫化镉硫化跎硫化跎硫化铅硫化铅（紫外（紫外-紫紫-红红-红外）红外）5.频率特性曲线频率特性曲线-光频率与灵敏度之间的关系。光频率与灵敏度之间的关系。6.温度特性曲线温度特性曲线-温度对光谱特性的影响。温度对光谱特性的影响。频率特性频率特性（硫化铅）光谱温度特性（硫化铅）光谱温度特性硫化铅硫化铅硫化跎硫化跎 温度降低更适合检测波长长的信号温度降低更适合检测波长长的信号温度高温度高温度低温度低（紫外（紫外-紫紫-红红-红外）红外）三、光敏晶体管三、光敏晶体管（一）工作原理（一）工作原

8、理 1.光敏二极管：光敏二极管：正常情况下，正常情况下，PN结反向是不导通的。结反向是不导通的。当被光线照射时，当被光线照射时，PN结反向导通，可以感测光信号。结反向导通，可以感测光信号。 NP电路符号电路符号结构示意结构示意基本电路基本电路 2.光敏三极管：光敏三极管：正常情况下，给正常情况下，给PNP型三极管的集型三极管的集电极和发射极之间加正向电压，一个电极和发射极之间加正向电压，一个PN结（集电结）结（集电结）不导通，另一个不导通，另一个PN结（发射结）导通。结（发射结）导通。 但当集电结被光线照射时，集电结会反向导通，造但当集电结被光线照射时，集电结会反向导通，造成三极管中出现放大电

9、流，集电极和发射极之间导通。成三极管中出现放大电流，集电极和发射极之间导通。也可以感测光信号。也可以感测光信号。无光照无输出无光照无输出有光照有输出有光照有输出+ +- -（二）基本特性（二）基本特性 1.光谱特性：光谱特性：一定照度下一定照度下,光波波长与光敏管灵敏度的关光波波长与光敏管灵敏度的关系。系。 2.伏安特性伏安特性: 不同照度下不同照度下,输出电压输出电压电流关系。电流关系。 硅硅管管锗锗管管光谱特性光谱特性（紫外（紫外-紫紫-红红-红外）红外）伏安特性伏安特性光照度小光照度小光照度大光照度大 3.光电特性：光电特性：光照度光照度-输出电流关系。一般光照加强电输出电流关系。一般光

10、照加强电流增大。光敏二极管的线性度较好，光敏三极管会饱和。流增大。光敏二极管的线性度较好，光敏三极管会饱和。 4.温度特性温度特性: 一定照度下温度一定照度下温度-电流关系。对亮电流、暗电流关系。对亮电流、暗电流、输出电流影响程度不同。电流、输出电流影响程度不同。温度对亮电流小，对暗电流温度对亮电流小，对暗电流影响显著影响显著。 4.频率特性频率特性: 输入的调制光频率与输出灵敏度的关系。输入的调制光频率与输出灵敏度的关系。 温度特性温度特性输出电流输出电流暗电流暗电流频率特性频率特性输输出出灵灵敏敏度度四、光电池四、光电池（一）工作原理（一）工作原理 光生伏特效应。光生伏特效应。（二）基本特

11、性（二）基本特性 1.光谱特性：光谱特性： 一定照度下一定照度下,光波光波波长与光电池灵敏度的波长与光电池灵敏度的关系。关系。 （紫外（紫外-紫紫-红红-红外）红外）硅硅光电池光电池硒硒光电池光电池光线照射光线照射发电发电电路符号电路符号受光范围宽受光范围宽受光范围窄受光范围窄 2.光电特性光电特性: 光照度与输出电光照度与输出电动势、输出电流之间动势、输出电流之间的关系。的关系。 3.温度特性温度特性 指开路电压、短指开路电压、短路电流与温度变化的路电流与温度变化的关系。关系。 4.频率特性频率特性: 指输入的调制光指输入的调制光频率与输出电流的关频率与输出电流的关系。系。 硅光电池的频率硅

12、光电池的频率特性较好，频率上限特性较好，频率上限约几万约几万Hz。 开路电压开路电压短路电流短路电流输出电动势输出电动势短路输出电流短路输出电流第二节第二节 光电传感器与光电检测光电传感器与光电检测一、光电传感器的类型一、光电传感器的类型 光电传感器组成：光电传感器组成：被测量使得光通亮连续变化，输出光电流也连续变化。被测量使得光通亮连续变化，输出光电流也连续变化。 （一）模拟式光电传感器（一）模拟式光电传感器被测量被测量模拟式光电传感器的四种形式：模拟式光电传感器的四种形式：被测量是光源（测光源温度）被测量是光源（测光源温度）被测量吸收光通亮（测厚）被测量吸收光通亮（测厚）光源被投射光源被投

13、射- -反射反射（测表面粗糙度等）（测表面粗糙度等）光源被运动物体阻挡光源被运动物体阻挡（测尺寸和位置）（测尺寸和位置）（二）脉冲式光电传感器（二）脉冲式光电传感器 光信号断续变化，光电元件输出的也断续变化。只光信号断续变化，光电元件输出的也断续变化。只有两种状态。常用于计数或测速。有两种状态。常用于计数或测速。二、光电传感器的常用光源二、光电传感器的常用光源（一）发光二极管：（一）发光二极管：电能电能 光能。光能。（二）钨丝灯泡：（二）钨丝灯泡：发射红外光。发射红外光。（三）激光（三）激光三、光电转换电路三、光电转换电路1.光敏电阻测量电路光敏电阻测量电路2.光敏晶体管测量电路光敏晶体管测量

14、电路3.光电池测量电路光电池测量电路4.使用运算放大器的光敏元件测量电路。使用运算放大器的光敏元件测量电路。光敏电阻光敏电阻测量电路测量电路光敏晶体管光敏晶体管测量电路测量电路光线增强光线增强电阻减小电阻减小基极电压基极电压输出电压输出电压感光感光感温感温不感光不感光感温感温输出输出与光通亮与光通亮成比例成比例光线增强光线增强电压变小电压变小光电池光电池测量电路测量电路光线增强光线增强电压变大电压变大光线增强光线增强电压变大电压变大光线增强光线增强电压变大电压变大使用运算放大器的光敏元件测量电路使用运算放大器的光敏元件测量电路光线增强光线增强PNPN导通导通负电压输入负电压输入光线增强光线增强

15、短路电路短路电路增大增大光线强弱光线强弱影响放大倍数影响放大倍数IFRIU20二、光电检测实例二、光电检测实例 （一）（一）WDS型光电比色高温计：型光电比色高温计： 通过辐射体在两个不同波长上的辐射能量之比，测定辐通过辐射体在两个不同波长上的辐射能量之比，测定辐射体的温度。非接触式，可测量高温。射体的温度。非接触式，可测量高温。辐射体辐射体物镜物镜瞄准瞄准反射镜反射镜光导棒光导棒不可见光不可见光可见光可见光光阑光阑分光镜分光镜比例计算比例计算人人工工观观测测反射镜反射镜目镜目镜棱镜棱镜变送器变送器记录仪记录仪 （二）光电比色计（二）光电比色计 用于溶液的颜色、成分、浑浊度等化学分析。用于溶液

16、的颜色、成分、浑浊度等化学分析。 标准样品标准样品 受检样品受检样品光源光源凸透镜凸透镜凸透镜凸透镜滤色滤色滤色滤色光电池光电池光电池光电池差值差值差动放大器差动放大器显示仪表显示仪表 （三）光电式带材测厚跑偏检测仪（三）光电式带材测厚跑偏检测仪 检测带材加工过程中偏离正确位置的情况。检测带材加工过程中偏离正确位置的情况。光源光源不反射带材不反射带材光源光源凸透镜凸透镜凸透镜凸透镜反射镜反射镜半透膜半透膜反射镜反射镜 光敏光敏三极管三极管正确位置电桥平衡正确位置电桥平衡U U0 0=0=0左或右偏左或右偏U UO O都会改变。都会改变。电桥电桥 （四）光电式转速仪（四）光电式转速仪 1 1）反

17、射式光电转速仪）反射式光电转速仪 电信号电信号 光信号光信号凸透镜凸透镜半透膜片半透膜片聚焦透镜聚焦透镜凸透镜凸透镜光源光源测测量量电电路路计计数数器器不反光位置电桥平衡不反光位置电桥平衡U U0 0=0=0反光位置输出电脉冲。反光位置输出电脉冲。2 2）直射式光电转速仪）直射式光电转速仪 测测量量电电路路计计数数器器光信号光信号 电信号电信号 凸透镜凸透镜指示透镜指示透镜光源光源旋转盘旋转盘不透光位置电桥平衡不透光位置电桥平衡U U0 0=0=0透光位置输出电脉冲。透光位置输出电脉冲。 （五）光电检测的其他应用举例（五）光电检测的其他应用举例布料宽度检测、有无检测布料宽度检测、有无检测两台行

18、车的两台行车的安全距离检测安全距离检测空箱检测及推出处理空箱检测及推出处理被长距传送的金属板检测被长距传送的金属板检测第三节第三节 光导纤维传感器光导纤维传感器一、光纤传感器工作原理一、光纤传感器工作原理（利用光的完全内反射原理）（利用光的完全内反射原理） 象电路传输电信号一样，光导纤维可以传输光信号。象电路传输电信号一样，光导纤维可以传输光信号。主要应用于通讯领域。主要应用于通讯领域。 使用光导纤维的传感器被称为光纤传感器。使用光导纤维的传感器被称为光纤传感器。光纤传感器光纤传感器传光型：传光型：作为光学通路作为光学通路传输光信号。传输光信号。功能型：被测信号功能型：被测信号 光纤及传输特性变化。光纤及传输特性变化。 包层包层2.2.光导光导纤维纤维低折射率低折射率高折射率高折射率1.1.光源光源3.3.光探光探测器测器 光纤传感器的优点光纤传感器的优点: : 1)1)性能好、耐腐蚀、不受电磁干扰，环境适应性强。性能好、耐腐蚀、不受电磁干扰，环境适应性强。 2 2）检测灵敏度高、精度高，便于利用光通信电路进行）检测灵敏度高、精度高，便于利用光通信电路进行远距离测量。