47光电式传感器

1、5:06 pm15:06 pm24.7 光电传感器光电传感器 4.7.1 光电效应及光电器件光电效应及光电器件 光电传感器是将光量转换为电量。光电器件的物理基础是光电效应。光电传感器是将光量转换为电量。光电器件的物理基础是光电效应。 光照射在物体上可以看成光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表的光子轰击这些物体的表面；光子与物体之间的联面；光子与物体之间的联接体是电子。所谓接体是电子。所谓光电效光电效应应是指物体吸收了光能后是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。的能量而产生的电效应。光电效应可分成

2、光电效应可分成外光电效外光电效应和内光电效应应和内光电效应两类。两类。5:06 pm3 5:06 pm4一一. .外光电效应外光电效应 在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。光电效应，也叫光电发射效应。 其中，向外发射的电子称为光电其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。子，能产生光电效应的物质称为光电材料。 根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量要使一个电子从物体表面

3、逸出，必须使光子能量大于该物体大于该物体的表面逸出功的表面逸出功a a。各种不同的材料具有不同的逸出功。各种不同的材料具有不同的逸出功a a，因此对，因此对某特定材料而言，将有一个频率限某特定材料而言，将有一个频率限oo( (或波长限或波长限oo) )，称为，称为“红限红限”。当入射光的频率低于。当入射光的频率低于oo时时( (或波长大于或波长大于oo) )，不论，不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于oo时，不管时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多

4、。红限波长可用下式求得：电子数目越多。红限波长可用下式求得： c_光速光速; ;h h_普朗克常数普朗克常数 ahc/0动画动画5:06 pm5光电效应的规律是：光电效应的规律是： (1) 任何一种金属都有一个任何一种金属都有一个_频率频率, 入射光的频率必须入射光的频率必须_这个频率这个频率, 才能产生光电效应才能产生光电效应; (2) 光电子的最大初动能与光电子的最大初动能与 无关无关, 只随着只随着 的增大而增大的增大而增大; (3) 入射光照射到金属上时入射光照射到金属上时, 光电子的发射几乎是光电子的发射几乎是_; (4) 产生光电效应时产生光电效应时, 光电流的强度与光电流的强度与

5、 成正比成正比. 极限极限大于大于入射光的强度入射光的强度入射光频率入射光频率瞬时的瞬时的入射光的强度入射光的强度5:06 pm6基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光光电管、光电倍增管电倍增管等。光电管有等。光电管有真空光电管和充气光电管真空光电管和充气光电管。 1. 1. 光光电电管管 光电光电管受管受光照光照发射发射电子电子 光电管阳极光电管阳极a a通过通过rlrl与电源连接在管内形成电场。光电管的阴极与电源连接在管内形成电场。光电管的阴极k k受受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一到适当的照射后便

6、发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻rlrl上产生的上产生的电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极k k上的光成函数关上的光成函数关系。如果在玻璃管内充入惰性气体系。如果在玻璃管内充入惰性气体( (如氩、氖等如氩、氖等) )即构成即构成充气光电管充气光电管。由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵敏度。子，从而提高光电变换的灵敏度。5:06 pm

7、7 紫外光电管外形紫外光电管外形 当入射紫外线照射在紫当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰用于紫外线测量、火焰监测等。监测等。 紫外线紫外线5:06 pm8在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。光电极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射

8、的电子继续倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级的培增率为的培增率为，若有，若有n n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为级，则光电倍增管的光电流倍增率将为n n。 2.2.光电倍增管光电倍增管因为采用了二次发射倍因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管声。另外，光

9、电倍增管还具有响应快速、成本还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点低、阴极面积大等优点5:06 pm9光电倍增管光电倍增管典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。侧窗型光电倍增管（侧窗型光电倍增管（r系列）是从玻璃壳的侧面接收入射光，端窗型光电倍增系列）是从玻璃壳的侧面接收入射光，端窗型光电倍增管（管（cr系列）则从玻璃壳的顶部接收射光。系列）则从玻璃壳的顶部接收射光。 5:06 pm10二二. .内光电效应内光电效应在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表

10、面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应分为：光电导效应、光生伏特效应内光电效应分为：光电导效应、光生伏特效应1.1.光电导效应：光电导效应：半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子- -空穴对，使其导电性空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。基于这种效应的光电器变化的现象，称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有件有光敏电阻光敏电阻( (光电导型光电导型) )和光敏二、三极管和光敏

11、二、三极管 。 5:06 pm111 1）光敏电阻）光敏电阻结构原理结构原理光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，有极性， 纯粹是一个电阻器件，使用纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅值（亮电

12、阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。 5:06 pm12光敏电阻是一种光电效应半导体器件，应光敏电阻是一种光电效应半导体器件，应用于光存在与否的感应（数字量）以及光用于光存在与否的感应（数字量）以及光强度的测量（模拟量）等领域。它的体电强度的测量（模拟量）等领域。它的体电阻系数随照明强度的增强而减小，容许更阻系数随照明强度的增强而减小，容许更

13、多的光电流流过。这种阻性特征使得它具多的光电流流过。这种阻性特征使得它具有很好的品质：通过调节供应电源就可以有很好的品质：通过调节供应电源就可以从探测器上获得信号流，且有着很宽的范从探测器上获得信号流，且有着很宽的范围。围。5:06 pm13 当光敏电阻受到当光敏电阻受到光照时，光生电光照时，光生电子子空穴对增加，空穴对增加，阻值减小，电流增阻值减小，电流增大。大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）5:06 pm142)2)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管通常指光敏二极管光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，

14、和光理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体在半导体pn结上，结上，pn结参与结参与了光电转换过程。将光敏二极了光电转换过程。将光敏二极管的管的pn 结设置在透明管壳顶结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光部的正下方，可以直接受到光照射。光照射到光敏二极管的照射。光照射到光敏二极管的pn结时，电子结时，电子-空穴对数量增空穴对数量增加，光电流与照度成正比。加，光电流与照度成正比。 5:06 pm15光敏二极管光敏二极管的结构和普通二极管相似，的结构和普通二极管相似，只是它的只是它的pnpn结装在管壳顶部，光线通结装在管壳顶部，光线通过透镜制成

15、的窗口，可以集中照射在过透镜制成的窗口，可以集中照射在pnpn结上，光敏二极管在电路中通常处结上，光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。于反向偏置状态。pnpn结可以光电导效结可以光电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。应工作，也可以光生伏特效应工作。处于反向偏置的处于反向偏置的pnpn结，在无光照时具结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子空穴对，在结照时，结区产生电子空穴对，在结电场作用下，电子向电场作用下，电子向n n区运动，空穴区运动，空穴向向p p区运动，形成光电流，方向与反区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈

16、大，光电流向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此一般为纳安数量级，因此光照时的反光照时的反向电流基本上与光强成正比向电流基本上与光强成正比。光敏二极管光敏二极管5:06 pm16红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管5:06 pm17光敏二极管的反向偏置接法光敏二极管的反向偏置接法 在没有光照时，由于在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和

17、漏电流。二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的当光照射在二极管的pnpn结结（又称耗尽层）上时，在（又称耗尽层）上时，在pnpn结附近产生的电子结附近产生的电子- -空穴空穴对数量也随之增加，光电对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与流也相应增大，光电流与照度成正比。照度成正比。 光敏二极管接线图光敏二极管接线图 5:06 pm18光敏三极管光敏三极管有两个有两个pnpn结，因而可以获得电结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其结构如图所示。度。其结构如图所示。 当光敏三极管按图当光敏三极管按图b)b)所示的电路连接时，所示的电

18、路连接时，它的集电结反向偏置，发射结正向偏置。它的集电结反向偏置，发射结正向偏置。无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子的积累，发射区中的多数载流子( (电子电子) )将将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而

19、大部分电子将穿过基区流向与电源合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电流正极相接的集电极，形成集电极电流icic。这个过程与普通三极管的电流放大作用相这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流似，它使集电极电流icic是原始光电流的是原始光电流的(l+(l+) )倍。这样集电极电流倍。这样集电极电流icic将随入射光将随入射光照度的改变而更加明显地变化。照度的改变而更加明显地变化。光敏三极管光敏三极管多数光敏三极管的基极没有引出多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（线，只有正负（c c、e e）两个引脚，）两个引脚，所以其外形与光敏二极管相似，所以其外

20、形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。从外观上很难区别。5:06 pm19光敏三极管外形光敏三极管外形 5:06 pm202. 光生伏特效应：光生伏特效应：半导体材料受到光照后产生一定方向电动势的现象称为半导体材料受到光照后产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应。光生伏特效应型器件是自发电式的，是有源器件。光生伏特效应型器件是自发电式的，是有源器件。常用的光生伏特器件有光电池。常用的光生伏特器件有光电池。5:06 pm21光生伏特效应是光照引起光生伏特效应是光照引起pnpn结两端产生电动势的效应。结两端产生电动势的效应。当当pnpn结两端没结两端没有外加电场时，在有外加电场时，

21、在pnpn结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从n n区指向区指向p p区，如图所示。当光照射到结区时，光照产生的电子空穴对区，如图所示。当光照射到结区时，光照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子推向在结电场作用下，电子推向n n区，空穴推向区，空穴推向p p区；电子在区；电子在n n区积累和空穴区积累和空穴在在p p区积累使区积累使pnpn结两边的电位发生变化，结两边的电位发生变化，pnpn结两端出现一个因光照而产结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像电池那样为生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像

22、电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。因此光生伏特型光电器件是自外电路提供能量，因此常称为光电池。因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的发电式的，属有源器件。以可见光作光源的光电池光电池是常用的光生伏特是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。 pn结光生伏特效应原理图结光生伏特效应原理图 5:06 pm22也称硅太阳能电池，它是用单也称硅太阳能电池，它是用单晶硅制成，在一块晶硅制成，在一块n n型硅片上型硅片上用扩散的方法掺入一些用扩散的方法掺入一些p p型杂型杂质而形成一个大面积的质而形成

23、一个大面积的p-np-n结，结，p p层做得很薄层做得很薄, ,从而使光线能穿从而使光线能穿透到透到p-np-n结上。硅太阳能电池结上。硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。体或热污染，易于适应环境。因此凡是不能铺设电缆的地方因此凡是不能铺设电缆的地方都可采用太阳能电池，尤其适都可采用太阳能电池，尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。提供电源。 硅光电池硅光电池5:06 pm23光电池光电池外形外形光敏面光敏面5:06 pm24能提供较大电流的大面积光电池外形能提供较大电流的大面积光电池外形5:06 pm25光电

24、池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能硅光电池板太阳能硅光电池板5:06 pm26光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电太阳能发电5:06 pm27光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用5:06 pm28太阳能太阳能广告屏广告屏/太阳能太阳能广告牌广告牌/太阳能太阳能广告灯广告灯箱箱 5:06 pm29 主要用于道路十字路口、道路变窄、路面障碍、事故易发路口等危险路段，通过led的闪烁发光，提醒司机行车注意，控制车速行驶。 工作原理是利用太阳

25、能电池白天将太阳能转化为电能储存在可充电电池中，发光时led将电能转化为光能，实现太阳能黄闪灯的闪烁发光，从而起到引导交通的作用。 5:06 pm304.7.2 光电式传感器的形式光电式传感器的形式 工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。转换元件变换成电信号。分类：按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。分类：按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。 1. 1. 脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器( (开关式）开关式） 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种

26、稳脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态定状态, ,也就是也就是“通通”、“断断”的开关状态的开关状态, ,所以也称为光电元件的所以也称为光电元件的开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高, ,而对光电特性而对光电特性的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。5:06 pm312. 2. 模拟式光电传感器模拟式光电传感器模拟式光电传感器的工作原

27、理是基于光电元件的光电特性模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性, ,其光通量是其光通量是随被测量而变随被测量而变, ,光电流就成为被测量的函数光电流就成为被测量的函数, ,故又称为光电传感器的函故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。被测物体位于恒定光源与光电元件之间被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度气体的透明度、混浊度,对气体

28、进行成对气体进行成分分析分分析,测定液体中某种物质的含量等。测定液体中某种物质的含量等。恒定光源发出的光投射到被测物体上恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件被测物体把部分光通量反射到光电元件上上,根据反射的光通量多少测定被测物根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。粗糙度、表面缺陷、表面位移等。5:06 pm32被测物体位于恒定光源与光电元件之间被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部光源发出的光通量经被测物遮去其一部分分,使作用在光电元件上的光

29、通量减弱使作用在光电元件上的光通量减弱,减减弱的程度与被测物在光学通路中的位置弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。度、线位移、角位移、振动等。被测物体本身就是辐射源，它可以直接被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等

30、。报警和构成光照度计等。5:06 pm334.7.3 光电式传感器的常用光源光电式传感器的常用光源 光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。u发光二极管发光二极管 发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，

31、广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。u钨丝灯泡钨丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。u激光激光 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好

32、等优点，是很理想的光源。等优点，是很理想的光源。5:06 pm34光电耦合器件是由发光元件光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管如发光二极管)和光电接收元件合并使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。用，以光作为媒介传递信号的光电器件。 光电耦合器中的发光元光电耦合器中的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、光敏三极管或光耦合器等。二极管、光敏三极管或光耦合器等。 根据其结构和用途不同，又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可分为用于实现电隔离的

33、光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。开关。4.7.4 光电耦合器件光电耦合器件5:06 pm351. 光电耦合器光电耦合器光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。和塑料封装两种。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开关及固态继电器等场合.5:06 pm36图4-116 工作

34、原理与输入输出特性a）工作原理 b）输入输出特性 c）同相输出 光耦合器用于隔离用途以提高传感器的抗干扰能力时，光耦合器用于隔离用途以提高传感器的抗干扰能力时， 与与 必须必须是不同电源，光耦合器两边的参考是不同电源，光耦合器两边的参考“地地”不能连在一起，见图不能连在一起，见图4-116a、c，否则起不了提高抗干扰能力的作用。，否则起不了提高抗干扰能力的作用。uacu5:06 pm37 光电耦合器的一光电耦合器的一个重要特性是其输入个重要特性是其输入端相联接的电路可以端相联接的电路可以和其输出端的电路完和其输出端的电路完全隔开，并且在这两全隔开，并且在这两个电路之间可以安全个电路之间可以安全

35、地存在成百上千伏的地存在成百上千伏的电位差而不会对光电电位差而不会对光电耦合器的工作产生不耦合器的工作产生不利影响。利影响。 光电耦合器的另光电耦合器的另一个重要特性是用一个重要特性是用if控制控制i ，信号的传递，信号的传递是单向的。是单向的。特性特性5:06 pm38应用应用1）用于电平转换）用于电平转换 由于各种集成电路所用的电源电压是不同的，如在一个系统中由于各种集成电路所用的电源电压是不同的，如在一个系统中用二种材料的集成电路芯片，则需要进行电平的转换。另外各种传用二种材料的集成电路芯片，则需要进行电平的转换。另外各种传感器的电源电压有时也难于与集成电路相同，故进行电平转换有时感器的

36、电源电压有时也难于与集成电路相同，故进行电平转换有时是必要的。是必要的。 右图是右图是pmos电路电电路电平转到平转到ttl电路电平的电电路电平的电路图。该电路中，输入是路图。该电路中，输入是22伏到伏到0伏的脉冲，输伏的脉冲，输出是出是0伏到伏到5伏的脉冲，前伏的脉冲，前后电路完全是隔离的。后电路完全是隔离的。5:06 pm392）用于逻辑门电路）用于逻辑门电路 图（图（a）为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端）为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端a和和b同时输入高电平同时输入高电平“1”，则两个发光二极管，则两个发光二极管gy1和和gy2都都发光，两个光敏三极管发光，两个光

37、敏三极管gg1，和，和gg2都导通，都导通，在输出端在输出端c就呈现高电就呈现高电平平“1”。在输入端。在输入端a或或b中只要有一个为低电平中只要有一个为低电平“0”，则其中有一个光，则其中有一个光敏三极管不导通，输出敏三极管不导通，输出端端c就为就为“0”，故为与，故为与门电路。门电路。 5:06 pm40图（图（b）为与非门电路，）为与非门电路，它的原理与图它的原理与图(a)相似，相似，但输出端不同，图（但输出端不同，图（b）从集电极输出，当两个从集电极输出，当两个输入端输入端a和和b都为高电平都为高电平1”时，输出为低电平时，输出为低电平“0”，故为与非门电路。，故为与非门电路。5:06

38、 pm41图（图（c）为或门电路，它）为或门电路，它从发射极输出，输入端从发射极输出，输入端a或或b中有一个或两个为中有一个或两个为高电平高电平“1”，则有一个，则有一个或两个光敏三极管被照或两个光敏三极管被照亮而导通，输出为高电亮而导通，输出为高电平平“1”，故为或门电路。，故为或门电路。5:06 pm42图（图（d）的原理与图）的原理与图(c)相似，但从集电相似，但从集电极输出极输出,输入端输入端a或或b中有一个或两个为中有一个或两个为高电平高电平“1”，输出，输出就为低电平就为低电平“0”，故为或非门电路。故为或非门电路。5:06 pm433）起隔离作用）起隔离作用右图用逻辑电路的信号来

39、右图用逻辑电路的信号来触发可控硅触发可控硅scr，可按硅，可按硅的负载为电感性的开关电的负载为电感性的开关电路，采用光电耦合器后，路，采用光电耦合器后，负载所产生的尖峰噪声不负载所产生的尖峰噪声不会反馈到逻辑电路。会反馈到逻辑电路。光电耦合器是近年来发展起来的新型器件，应用范围和生产量正在急剧光电耦合器是近年来发展起来的新型器件，应用范围和生产量正在急剧增加。由于它具有独特的优点，可组成各种各样的电路，因而可应用在增加。由于它具有独特的优点，可组成各种各样的电路，因而可应用在测量仪器、精密仪器、工业和医用电子仪器自动控制、遥控和遥测、测量仪器、精密仪器、工业和医用电子仪器自动控制、遥控和遥测、

40、各种通信装置、计算机系统及农业电子设备等广阔领域。各种通信装置、计算机系统及农业电子设备等广阔领域。5:06 pm442. 2. 光电开关光电开关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出“开开”、“关关”信号的器件。信号的器件。光电开关的特点是小型、高速、非光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与接触，而且与ttl、mos等电路容易结合。等电路容易结合。图图(a)所示的是一种透射式的光电所示的是一种

41、透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样起到检测自发光元件的光，这样起到检测作用。作用。光电开关结构图光电开关结构图5:06 pm45(a) 透射式的光电开关透射式的光电开关 (b) 反射式的光电开关反射式的光电开关光电开关结构图光电开关结构图图图5(b)所示是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴所示是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某

42、一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。到。5:06 pm46光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与ttl、 mos等电路容等电路容易结合。易结合。 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为光控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为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测，制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物

43、体检测， 产品计数，产品计数， 料料位检测，尺寸控制，位检测，尺寸控制， 安全报警及计算机输入接口等。安全报警及计算机输入接口等。 光电开关的特点及应用光电开关的特点及应用5:06 pm47透射式光电开关示意图透射式光电开关示意图遮断报警遮断报警5:06 pm48透射式光电开关原理透射式光电开关原理objectreceiver 透射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5:06 pm49光电开关在光电开关在 流水线上的应用流水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式

44、光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口透射式光电开关（计数）透射式光电开关（计数）5:06 pm50光幕光幕 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。接收器接收器5:06 pm51 光幕应用光幕应用 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）光线被遮断（报警）5:06 pm52 光幕应用（续）光幕应用（续）产品高度测量产品高度测量5:06 pm53三维尺寸检测三维尺寸检测宽度宽度 测量测量长度长度 测量测量高度高度 测量测

45、量 光幕应用（续）光幕应用（续）5:06 pm54 光幕应用（续）光幕应用（续）木材外形截面积检测木材外形截面积检测5:06 pm55光幕应用（续）光幕应用（续）纠偏纠偏 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）。5:06 pm56 光幕用于自动收费系统的车辆检测红外线车辆分离器:专为公路自动收费系统的车辆分离检测和分类检测而设计 ；用于判断车辆的结束从而计算整车重量；完全消除跟车现象，将半挂车、全挂车、单车可靠分离，保证检测数据与车辆的一一对应关系。光幕应用（续）光幕应用（续）5:06 pm57 光幕应用（续）光幕应用（续）锻压机床的锻压机床的安全

46、区域安全区域设置设置 及入侵报警及入侵报警5:06 pm58 光幕应用（续）光幕应用（续）安全区示警安全区示警5:06 pm59反射型光电开关反射型光电开关 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。 5:06 pm60定区域反射式光电开关原理定区域反射式光电开关原理 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

47、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5:06 pm61反射型光电开关及反射镜外形反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜三角反射镜集发射、接收器于一身集发射、接收器于一身5:06 pm62反射镜反射型光电开关工作原理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。反射板反射镜反射镜被测物体偏振光偏振光发射光发射光5:06 pm63被测物漫反射型光电开关原理被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被

48、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。额定距离额定距离5:06 pm64漫反射型光电开关的应用漫反射型光电开关的应用5:06 pm65反射型光电开关外形反射型光电开关外形电源指示电源指示信号指示信号指示5:06 pm66反射型光电开关外形（续）反射型光电开关外形（续）灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器5:06 pm67光电开关应用光电开关应用透明度测量、控制透明度测量、控制质量检测质量检测5:06 pm68 光电开关应用（续）光电开关应用（续）加工控制加工控制5

49、:06 pm69 光电开关应用（续）光电开关应用（续）机械手定位机械手定位5:06 pm70光电开关应用（续）光电开关应用（续）商标方向检测商标方向检测5:06 pm71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、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。尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。 4.7.5 常见光电传感器及应用常见光电传感器及应用案例案例1 1：光电测速模型光电测速模型原理：在

50、被测转速的电机原理：在被测转速的电机上固定一个调制盘，将光上固定一个调制盘，将光源发出的恒定光调制成随源发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。光线时间变化的调制光。光线每照射到光电器件上一次，每照射到光电器件上一次，光电器件就产生一个电信光电器件就产生一个电信号脉冲，经放大器整形后号脉冲，经放大器整形后记录。记录。5:06 pm72光电测速模型的两种形式光电测速模型的两种形式5:06 pm73光电式转速表光电式转速表 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 ) 5:06 pm74水泵转速测量水泵转速测量5:06 pm75案例案例

51、2.2.透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支架上。当槽内无物体时，发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从支架上。当槽内无物体时，发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从而产生大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此而产生大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、可识别物体的有无。适用于光电控制、

52、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面。运动方向、转速等方面。透射型透射型byd3m.tdt光电传感器使用示意图光电传感器使用示意图 5:06 pm76防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸

53、收和折射增加，到达光检测器的光道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。吸收式烟尘浊度监测系统组成框图吸收式烟尘浊度监测系统组成框图 5:06 pm77 光电式浊度计和含沙量测量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将装有浊水的试管插入仪器中5:06 pm78案例案例3.3.光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测器带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向中偏离正确位置的大小及方向,从而为纠

54、偏从而为纠偏控制电路提供纠偏信号控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、送主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑偏检测器原理如图所示。光源发出的光跑偏检测器原理如图所示。光源发出的光线经过透镜线经过透镜1会聚为平行光束会聚为平行光束,投向透镜投向透镜2,随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜达透镜2的途中的途中,有部分光线受到被测带材有部分光线受到被测带材的遮挡的遮挡,使传到光敏电阻的光通量减少。使传到光敏电阻的光通量减少。 带材跑偏检测器工作原理带材跑偏检测器工作原理5:06 pm79带材纠偏系统带材纠偏

55、系统 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。 5:06 pm80当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻1阻值减少，电桥失去平衡。差动阻值减少，电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，为正值。输出信号一方面由显方向及大小。反之，当带材右偏时，为正值。输出信号一方面由显示器显示出来

56、，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。左图为测量电路简图。左图为测量电路简图。1、2是同型号的光是同型号的光敏电阻。敏电阻。1作为测量元作为测量元件装在带材下方，件装在带材下方，2用用遮光罩罩住遮光罩罩住,起温度补偿起温度补偿作用。当带材处于正确作用。当带材处于正确位置位置(中间位中间位)时，由时，由1、2、3、4组成的组成的电桥平衡，使放大器输电桥平衡，使放大器输出电压为出电压为0。测测量量电电路路 r25:06 pm81用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高用容积法计量包装的成

57、品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。下图为借助光电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度偏差太大时，光电下图为借助光电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。 图：利用光电检测技术控制充填高度图：利用光电检测技术控制充填高度利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质利用光电开关还可以进行产品流水线上

58、的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等。等。 案例案例4.4.包装充填物高度检测包装充填物高度检测5:06 pm82案例案例5 5：光电鼠标就是利用：光电鼠标就是利用ledled与光敏晶体管组合来测量位移与光敏晶体管组合来测量位移5:06 pm83案例案例6 6：亮度传感器：亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。5:06 pm84图2.6.7 光控调光电路rgr1 100kr262ksc0.02220lb70v+50in4004db3scr3a/400v光敏电阻调光电路光敏电阻调光电路下图是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周围光线变弱时引起光敏下图是一种典型的光控调光电路，其