梁森——光电传感器上

1、2022-2-81机械工业出版社机械工业出版社中等职业教育电气类规划教材中等职业教育电气类规划教材 自动检测与转换技术自动检测与转换技术第十章（上）第十章（上）多媒体课件200951 更新第十章第十章 光电传感器光电传感器在这一章里，卡卡要给大家简单介绍光电在这一章里，卡卡要给大家简单介绍光电效应，着重讲解光电元件的原理、分类、特效应，着重讲解光电元件的原理、分类、特性、电路接线以及光电传感器的应用。性、电路接线以及光电传感器的应用。光电传感器的最大特点是非接触测量。光电传感器的最大特点是非接触测量。1860年，英国物年，英国物理学家麦克斯韦建理学家麦克斯韦建立了电磁理论，认立了电磁理论，认识

2、到光是一种电磁识到光是一种电磁波。波。1905年，德国年，德国物理学家爱因斯坦物理学家爱因斯坦用光量子学说解释用光量子学说解释了光电发射效应，了光电发射效应，并为此而获得并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 第一节第一节 光电效应及光电元件光电效应及光电元件 用光照射某一物体，可以看作物体用光照射某一物体，可以看作物体受到受到一连串能量为一连串能量为hf 的光子的轰击的光子的轰击，组，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相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。应电效应的物理现象称为光电效应。 外光电效应外光电效应：在光线的：在光线的作用下能作用下能

3、使电子逸出物体表使电子逸出物体表面面的现象称为外光电效应，的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件基于外光电效应的光电元件有有紫外光电管、光电倍增管、紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。光电摄像管等。 紫外管外形紫外管外形 当入射紫外当入射紫外线照射在紫外管线照射在紫外管阴阴极板上极板上时，电子克时，电子克服金属表面对它的服金属表面对它的束缚而束缚而逸出金属表逸出金属表面，形成电子发射面，形成电子发射。紫外管多用于紫外管多用于紫外紫外线测量线测量、火焰监测火焰监测等。等。 紫外线紫外线2022-2-86光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到当光敏电阻受到光照时，光照时， 阻值减小。阻值减小。

4、光敏电阻光敏电阻原理演示原理演示 当光敏当光敏电阻电阻受到光受到光照时照时，光生光生电子电子-空穴对空穴对增加增加，阻值阻值减小减小，电流电流增大增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）光照变化产生的电流光照变化产生的电流称为暗电流称为暗电流光敏二极管光敏二极管 将光敏二极管的将光敏二极管的PN 结设置在透明管结设置在透明管壳顶部的正下方，壳顶部的正下方，光光照射到光敏二极管的照射到光敏二极管的PN结结时，时，电子电子-空穴空穴对数量增加对数量增加，光电流光电流与照度成正比与照度成正比。 2022-2-89光敏二极管外形光敏二极管外形 光敏二极管阵列光敏二极管阵列 包含包含1024个个InG

5、aAs元件的线性光电二极管阵元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。列，可用于分光镜。2022-2-810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光敏二极管的反向光敏二极管的反向偏置接法偏置接法 在没有光照时，由在没有光照时，由于于二极管反向偏置，所二极管反向偏置，所以反向电流很小以反向电流很小，这时，这时的电流的电流称为暗电流称为暗电流，相，相当于普通二极管的反向当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射饱和漏电流。当光照射在二极管的在二极管的PNPN结（又称结（又称耗尽层）上时，耗尽层）上时，在在PNPN结结附近产生的电子附近产生的电子- -空穴

6、空穴对数量也随之增加对数量也随之增加，光光电流也相应增大电流也相应增大，光电光电流与照度成正比流与照度成正比。 2022-2-812 光敏二极管的反向偏置接光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性线（参考上页图）及光电特性演示演示 在在没有光照没有光照时，由于二时，由于二极管反向偏置，极管反向偏置，反向电流反向电流（暗电流）很小（暗电流）很小。 当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比比关系。关系。 光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照光敏三极管光敏三极管 光敏三极管有两光敏三极管有两个个PN结结。与普通。与普通三极管相似，三极管相

7、似，有电流增益，灵敏度比光有电流增益，灵敏度比光敏二极管高敏二极管高。多数光敏三极管的。多数光敏三极管的基极没基极没有引出线有引出线，只有正负（只有正负（C、E）两个引两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。外观上很难区别。 2022-2-814光敏三极管外形光敏三极管外形 光敏三极管内部结构光敏三极管内部结构 a) 内部组成内部组成 b)管芯结构管芯结构 c）结构简化图结构简化图 1集电极引脚集电极引脚 2管芯管芯 3外壳外壳 4玻璃聚光镜玻璃聚光镜 5发射极引脚发射极引脚 6N+ 衬底衬底 7N型集电区型集电区 8SiO2保护圈保护圈 9集

8、电结集电结 10P型基区型基区 11N型发射区型发射区 12发射结发射结 2022-2-816硅光敏晶体管硅光敏晶体管的光谱特性的光谱特性 电磁波频谱电磁波频谱光敏二极管、三极管的光电特性比较光敏二极管、三极管的光电特性比较 0光照光照 光光电电流流光敏光敏 三极管三极管光敏光敏 二极管二极管3000lx4mA请判断请判断光敏二极管、光敏二极管、三极管的三极管的灵敏度灵敏度孰高孰低孰高孰低0.3mA请作图计算当请作图计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流I IE光敏晶闸管光敏晶闸管 光敏晶闸管有光敏晶闸管有三个引出电极三个引出电极，即，即阳极阳极a、阴极、阴极k和和门

9、极门极g 。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸。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。负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上结上时，将时，将产生门产生门极电流极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通，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，光敏晶闸管仍状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维维持导通持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须。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

10、反向，或使负载电流小于其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：维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因，因此此输出功率大，可用于工业自动检测控制输出功率大，可用于工业自动检测控制。2022-2-819光敏晶闸管外形光敏晶闸管外形光敏面光敏面基于光生伏特效应的光电元件基于光生伏特效应的光电元件 光电池光电池 在在N型衬底上制造一型衬底上制造一薄层薄层P型层型层作为光作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，射光子

11、的能量足够大时，P型区每吸收一个型区每吸收一个光子就产生一对光生电子光子就产生一对光生电子- -空穴对空穴对， 光生光生 电子电子- -空穴对的的扩散运动使电子通过漂移空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到运动被拉到N型区，型区，空穴留在空穴留在P区区，所以，所以N区带负电，区带负电，P区带正电区带正电。如果光照是连续的，。如果光照是连续的，经短暂的时间，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。光生电动势输出。 2022-2-821基于光生伏特效应的光电元件基于光生伏特效应的光电元件 光电池光电池新型的硅光电池新型的硅光电池是在是在P型衬底上制型衬底上制造

12、一造一薄层薄层N型层型层作作为光照敏感面，效为光照敏感面，效率更高。率更高。N N型区每型区每吸收一个光子就产吸收一个光子就产生一对光生电子生一对光生电子- -空穴对。空穴对。空穴通过空穴通过漂移运动被拉到漂移运动被拉到P型区，带正电；型区，带正电；电电子留在子留在N区，带负区，带负电电。2022-2-822光电池光电池外形外形光敏面光敏面2022-2-823能提供较大电流的能提供较大电流的大面积光电池大面积光电池外形外形2022-2-824光电池光电池串联，能提高电压；串联，能提高电压；并联，可以提高输处电流并联，可以提高输处电流每一片光电池的最大输出电压约为每一片光电池的最大输出电压约为0

13、.6V，每平方米，晴天的输出电流约为每平方米，晴天的输出电流约为10A。2022-2-825太阳能组件太阳能组件2022-2-826其他其他光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池2022-2-827光电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风扇太阳能电风扇太阳能太阳能 硅光电池板硅光电池板2022-2-828光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）住宅太阳能供电住宅太阳能供电2022-2-829光电池在动力方面的光电池在动力方面的应用（续）应用（续）嫦娥一号上的光电池板嫦娥一号上的光电池板光

14、电池的光电特性光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性一个典型的硅光电池的光电特性 11开路电压曲线开路电压曲线 22短路电流曲线短路电流曲线 开路电压开路电压为为 对数特性对数特性短路电流短路电流为为 线性特性线性特性第二节第二节 光电元件的基本应用电路光电元件的基本应用电路 一、光敏电阻的基本应用电路一、光敏电阻的基本应用电路 a）U与光照变化趋势相同与光照变化趋势相同的电路的电路 b）U与光照变化趋势相反与光照变化趋势相反的电路的电路 二、光敏二极管应用电路二、光敏二极管应用电路 利用反相利用反相器可将光敏二器可将光敏二极管的输出电极管的输出电压转换成压转换成TTL电平。电平。 当

15、光照增当光照增加，加，Ui（1/2）VDD时时，反相器，反相器翻转翻转,输出变为输出变为什么电平什么电平？ 光敏三极管光控继电器电路光敏三极管光控继电器电路 当无光照时，当无光照时，V1截止截止，I =0，则，则V2处于什么处于什么状态？状态？继电器继电器KA吸合还是释放吸合还是释放？如果将？如果将V1与与R b2位置位置上下对调上下对调，请画出电路，并分析工作过程。，请画出电路，并分析工作过程。 五、光电池的应用电路五、光电池的应用电路 光电池短路电流测量电路光电池短路电流测量电路 I/U 转换电路的转换电路的输出电压输出电压Uo与光电流与光电流I成正成正比比。若光电池用于微光测量时，。若光

16、电池用于微光测量时，I可能较小，则可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器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。微调总的放大倍数。 第三节第三节 光电传感器的应用光电传感器的应用 、光源本身是被测物的应用实例、光源本身是被测物的应用实例 光的照度光的照度E的单位是的单位是lx（勒勒克斯克斯），它是常），它是常用的光度学单位用的光度学单位之一，它之一，它表示受表示受照物体被照亮程照物体被照亮程度度的物理量，可的物理量，可以用以用照度计照度计来测来测量。量。 光电池光电池（外加柔（外加柔光罩）光罩）1.1.红外线辐射温度计：红外线辐射温度计： 红外辐射温度计既可

17、用于高温测量，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度计的温度范围可以从-30-3030003000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。选择适合的型号。2022-2-837红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光仅激光仅 用于瞄准用于瞄准2022-2-838红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度计红外线辐射温度计用于食品温度测量用于食品温度测量2022-2-83

18、9红外线辐射温度计的使用红外线辐射温度计的使用2022-2-840红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用（续）在非接触体温测量中的应用（续）2022-2-841红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪2022-2-842红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量2022-2-843 红外线辐射温度计在红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用非接触温度测量中的应用IC的温的温度测量度测量2022-2-844 红外线辐射温度计在非接触温度红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）测量中的应用（续）利用红

19、色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食）2022-2-845红外线辐射温度计在非接触温度测量中的红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）应用（续）温度温度 采集系统采集系统利用红色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内物（电控柜、天花板内的布线层）的布线层）2022-2-846红外线辐射温度计在非接触温度测量中的红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）应用（续）利用红色激光瞄准被利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花测物（电控柜、天花板内的布线层）板内的布线层）2022-2-847 红外线辐射温度计在非接触温度测红外线辐射温度计在非接触

20、温度测量中的应用（续）量中的应用（续）2022-2-848 红外线辐射温度计的使用距离与红外线辐射温度计的使用距离与目标直径、面积的关系目标直径、面积的关系mmm2022-2-849红外线辐射温度计的特性参数红外线辐射温度计的特性参数 比色计在高温非接触测比色计在高温非接触测量中的应用量中的应用 比色式温度传感器比色式温度传感器抗烟雾、水抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃不受窗口玻璃影响，能瞄准影响，能瞄准 , ,测量小目标，可不测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦满，不需调焦就可准确测量。就可准确测量。 比色温

21、度计适于比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场环境条件恶劣的工业现场中使中使用，如用，如 : :烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场化和炉窑等应用现场。红色黄色2022-2-8512.2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用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热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于应用。它可用于能产生远红外辐射的人体能产生远红外辐射的人体检检测，如测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制控制等。等。 热释电元件外形热释电元件外形 热释电传感器简介热

22、释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器红外线而输出电信号的传感器。热释电晶体广泛用于。热释电晶体广泛用于红外遥感以及热辐射探测器红外遥感以及热辐射探测器。除了在。除了在楼道自动开关楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：如：在房间无人时能自动减小空调机的功率在房间无人时能自动减小空调机的功率；电视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

23、开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机机自动记录动物或人的活动自动记录动物或人的活动 您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电您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。或路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装自动化控制装置置。热释电传感器的内部电路热释电传感器的内部电路两块两块反向反向串联串联的热的热释电晶片释电晶片场效应管场效应管热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由热释电晶片表面必须罩上一块由一组平一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透，每一透镜单元都镜单元都只有一个不大的视场角只有一个不大的视

24、场角，当人体在，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入顺次地进入第一、第二单元透镜的视场第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个，晶片上的两个反向串联的热释电单元将反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲输出一串交变脉冲信号信号。当然，如果人体静止不动地站在热释。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是电元件前面，它是“视而不见视而不见”的。的。 2022-2-855菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片热释电晶片2022-2-856菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离透镜时，其检测距离小于小于2m

25、，而加上该透，而加上该透镜后，其检测距离可镜后，其检测距离可增加增加3倍以上。倍以上。2022-2-857热释电套件热释电套件2022-2-858热释电报警器热释电报警器菲涅尔透镜菲涅尔透镜设定按钮设定按钮高分贝喇叭高分贝喇叭2022-2-859热释电报警器（续）热释电报警器（续）菲涅尔透镜菲涅尔透镜 5mm接插件接插件2022-2-860热释电报警器（续）热释电报警器（续） 吸顶式吸顶式 热释电报警器热释电报警器2022-2-861热释电报警器热释电报警器（续）（续） 无线报警式无线报警式 热释电报警器热释电报警器热释电传感器应用热释电传感器应用 热释电传感器用热释电传感器用于自动亮灯，当然

26、于自动亮灯，当然也可以用于防盗。也可以用于防盗。热释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围2022-2-863热释电感应灯热释电感应灯热释电热释电传感器传感器2022-2-864自动感应灯自动感应灯（参考施特朗公司资料）（参考施特朗公司资料）热释电传感器在智能空调中的应用热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测智能空调能检测出屋内是否有人，微出屋内是否有人，微处理器据此自动调节处理器据此自动调节空调的出风量，以达空调的出风量，以达到节能的目的。到节能的目的。 空调中，热释电传感器的菲涅尔空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间

27、角范围里是否有人，以及人一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。是静止着还是走动着。上下范围上下范围左右范围左右范围2022-2-866二、被测物吸收光通量的应用实例二、被测物吸收光通量的应用实例 光电式浊度计和光电式浊度计和含沙量测量含沙量测量将装有浊水的试管将装有浊水的试管插入仪器中插入仪器中光电式浊度计工作原理光电式浊度计工作原理 1 1恒流源恒流源 22半导体激光器半导体激光器 33半反半透半反半透 44反射镜反射镜 55被测水样被测水样 6 6、99光电池光电池 7 7、1010电流电流/ /电压转换器电压转换器 88标准水样标准水样 参比通道（抵消外界影响）参比通道（抵

28、消外界影响） 2.2.烟雾报警器外形烟雾报警器外形 （参考（参考南京千里通公司南京千里通公司 无线无线烟雾报警器烟雾报警器资料）资料） 无烟雾时，光敏无烟雾时，光敏元件接收到元件接收到LED发射发射的恒定红外光。而在的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，经阀值判断电路后，发出报警信号。发出报警信号。 烟雾烟雾报警报警2022-2-869无线无线烟雾报警器内部结构烟雾报警器内部结构 可发出高分贝可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器笛鸣声的蜂鸣器无线火灾烟雾传感器

29、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。它内部使用一节板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工微安，报警发射时工作电流为作电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到毫安。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一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝分贝的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射的连续报警，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，将报器发出无线报警信号

30、，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。警信息传递出去。 无线发射器的报警距离在空旷无线发射器的报警距离在空旷地可以达到地可以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到以达到20米。米。三、被测物体反射光通量的应用实例三、被测物体反射光通量的应用实例 1.反射式反射式 烟雾报警器烟雾报警器 在没有烟雾在没有烟雾时，由于红外对时，由于红外对管相互垂直，烟管相互垂直，烟雾室内又涂有黑雾室内又涂有黑色吸光材料，所色吸光材料，所以红外以红外LED发出发出的红外光无法到的红外光无法到达红外光敏三极达红外光敏三极管。管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对当烟雾进入烟

31、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，有射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。光电流输出。 2. 2.光电式转速表光电式转速表 光电式光电式转速表属于转速表属于反射式光电反射式光电传感器，它传感器，它可以在距被可以在距被测物数十毫测物数十毫米外非接触米外非接触地测量其转地测量其转速。速。 n =60( f /z ) 2022-2-873水泵水泵转速测量转速测量2022-2-874光电式转速表外形光电式转速表外形 3.3.色标传感器色标传感器 色饱和图色饱和图 色标传感器常用于检测色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直来实现色标检测，而不是直接测量颜色。接测量颜色。人眼对各色光的敏感程度人眼对各色光的敏感程度色