第五章(1)光传感器

1、ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术第五章第五章 光传感器光传感器教学目的与要求：要求学生了解光敏传感器的性能参数教学目的与要求：要求学生了解光敏传感器的性能参数; ;理理 解光电效应的原理；掌握常用光电器件解光电效应的原理；掌握常用光电器件 的特性及应用。的特性及应用。 教学重点：内光电效应器件的工作电路、特性及应用教学重点：内光电效应器件的工作电路、特性及应用 教学难点：光电效应教学难点：光电效应ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把件，它是把

2、光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件信号的器件。第五章第五章 光传感器光传感器 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光学变换光学变换电路处理电路处理变换电路变换电路光电传感光电传感光光源源光学系统光学系统被测对象被测对象光学变换光学变换存储存储显示显示控制控制电信号处理电信号处理ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术门禁门禁光光电电鼠鼠标标ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光电开关ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光栅光栅光纤光纤光电管光电管光敏电阻光敏电

3、阻ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术照明和能源应用卫星和飞船靠太阳能电池提供电力卫星和飞船靠太阳能电池提供电力 采用太阳能供电的楼房。由于采用了聚光式的结构，使用很小面积的高效太阳能电池也可以达到大面积采光的效果，但可以明显降低成本。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术一、光谱一、光谱 光波光波：波长为：波长为101010106 6nmnm的电磁波的电磁波 可见光：可见光：波长波长380380780nm780nm 紫外线：紫外线：波长波长1010380nm380nm， 波长波长300300380nm380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长20020

4、0300nm300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长1010200nm200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线， 红外线：红外线：波长波长78078010106 6nmnm 波长波长3m3m（即（即3000nm3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。 可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m远紫外近紫外ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光就是一种电磁现象光就是一种电磁现象cv频率与波长的关系:C真空中的光速ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试

5、技术 光源（发光器件）光源（发光器件）1 1、钨丝白炽灯、钨丝白炽灯 发光范围：发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。件都能和它配合接收到光信号。光谱范围：0.43 m 发光效率：10 lm/W色温2856K白炽钨丝灯是可见光和近红外区光电探测器积分灵敏度测试标准光源 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术2 2、气体放电灯、气体放电灯 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。 光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、光谱与气体的种类及放电条件

6、有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。它们经常用作光电检测仪器的它们经常用作光电检测仪器的单色光源。单色光源。 卤钨灯卤钨灯是填充气体内含有部分卤族元素或卤化物的充气白炽灯充气白炽灯。在普通白炽灯中，灯丝的高温造成钨的蒸发，蒸发的钨沉淀在玻壳上，产生灯泡玻壳发黑的现象。卤钨灯，用卤钨循卤钨循环的原理消除环的原理消除了了这一发黑的现象发黑的现象。辐射光谱约辐射光谱约0.250.253.5m3.5m。色温可达。色温可达 3200K3200K，发光效率，发光效率30 30 lm/Wlm/W，更广泛地

7、用作仪器的白光源。，更广泛地用作仪器的白光源。 如荧光灯（低压汞灯）如荧光灯（低压汞灯）ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 光源（发光器件）光源（发光器件）3 3、发光二极管、发光二极管LEDLED（Light Emitting DiodeLight Emitting Diode） 由半导体由半导体PNPN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术LED屏幕 北京北京奥运开幕现场最令人吃惊之处，在地

8、上那副转轴不断转动的画面，这奥运开幕现场最令人吃惊之处，在地上那副转轴不断转动的画面，这就就是是LEDLED屏幕屏幕所做出的效果，所做出的效果，这个屏幕长这个屏幕长147m147m、宽宽36m36m，上面有，上面有4 4万万4 4千千颗颗LEDLED灯灯，藉由藉由电脑动画电脑动画，幻化出各，幻化出各种不断流动的图案种不断流动的图案，该屏幕经过测试该屏幕经过测试，完全，完全经得起表经得起表演人员演人员踩踏及水淹踩踏及水淹考验。考验。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术4 4、激光器、激光器 激光具有激光具有高方向性、高单色性、高亮度和高相干性高方向性、高单色性、高亮度和高相干

9、性四个重四个重要特性。激光波长从要特性。激光波长从0.24m0.24m到远红外整个光频波段范围。到远红外整个光频波段范围。激光器按工作物质分类：激光器按工作物质分类：u固体固体激光器（如红宝石激光器）激光器（如红宝石激光器）u气体气体激光器（如氦激光器（如氦- -氖气体激光氖气体激光器、二氧化碳激光器）器、二氧化碳激光器）u半导体半导体激光器（如砷化镓激光激光器（如砷化镓激光器）器）u液体液体激光器。激光器。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术1 1、外光电效应、外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的

10、现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应外光电效应、内光电效应内光电效应。二、光电效应二、光电效应2 2、内光电效应、内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内

11、光电效应，它多发生于半导体内。生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。 根据工作原理的不同，根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类特效应两类。 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光电导效应光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。ch5 光传感器光传感器传感器

12、与测试技术传感器与测试技术光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光电管的结构示意图光电管的结构示意图 光阳极光电阴极光窗 光电管有光电管有真空光电管真空光电管和和充气充气光电管光电管或称电子光电管和离子光或称电子光电管和离子光电管两类。它们由一个阴极和一电管两类。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真个阳极构成，

13、并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。圆形，置于玻璃管的中央。第二节第二节 外光电效应器件外光电效应器件 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。增管。一、光电管一、光电管ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术RUI光强 当光线照射在

14、光敏材料上时，如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E E大于电大于电子的逸出功子的逸出功A A（E EA A），会有电子逸出产生电子发射。电子），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，被带有正电的阳极吸引， 在光电管内形成电子流，在光电管内形成电子流， 电流在回路电阻电流在回路电阻R R上产生上产生 正比于电流大小的压降。正比于电流大小的压降。 因此因此 用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。同波段的需要。 光电管灵敏度低、体积大、易破损。光电管灵敏度低、体积大、易破损。目前光电管主要用

15、途：光电比色计等分析仪器、各种光学自动装置。目前光电管主要用途：光电比色计等分析仪器、各种光学自动装置。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光电管光电管ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术二、光电倍增管二、光电倍增管 光照很弱时，光电管产生的光照很弱时，光电管产生的 电流很小，为提高灵敏度常电流很小，为提高灵敏度常 使用光电倍增管。如核仪器使用光电倍增管。如核仪器 中闪烁探测器都使用的是光中闪烁探测器都使用的是光 电倍增管做光电转换元件。电倍增管做光电转换元件。 光电倍增管是利用二次电子光电倍增管是利用二次电子 释放效应，高速电子撞击固释放效应，高速电子

16、撞击固 体表面，发出二次电子，将体表面，发出二次电子，将 光电流在管内进行放大。光电流在管内进行放大。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到倍增放大。然后把发射得到倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号放大后的电子用阳极收集作为信号输出输出。一般经十次以上倍增，放大倍数可达到。一般经十次以上倍增，放大倍数可达到1081010。 因为采用了二次发射倍增系统，所以

17、光电倍增管在探测紫外、可见和近红因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度极高的灵敏度和和极低的噪声极低的噪声。另外，光。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 在天体光度测量和天体分光光度测量中广泛使用。测量精度高，在天体光度测量和天体分光光度测量中广泛使用。测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度

18、的快速变化。广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。设备中。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件。件称内光电效应

19、器件。 常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。等。一、光敏电阻一、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。电导效应，其阻值随光照增强而减小。第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。 光敏电阻结构及符号光敏电阻结构及符号 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感

20、器与测试技术 在黑暗的环境下在黑暗的环境下, ,它的阻值很高它的阻值很高, ,当受到光照并且光辐射能量当受到光照并且光辐射能量足够大时，使其导带的电子和价带的空穴增加足够大时，使其导带的电子和价带的空穴增加, ,电阻率变小。电阻率变小。 光敏电阻主要参数光敏电阻主要参数 暗电阻暗电阻无光照时的电阻；无光照时的电阻； 暗电流暗电流无光照时的电流；无光照时的电流； 亮电阻、亮电流亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流；受光照时的阻值、电流； 光电流光电流亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差。 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使光敏电阻

21、在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻其导电性能增强，电阻R RG G值下降，所以流过负载电阻值下降，所以流过负载电阻R RL L的电流及其两端电压也随之变化。的电流及其两端电压也随之变化。 光线越强，电流越大光线越强，电流越大。当。当光照停止光照停止时，时，光电效应消光电效应消失失，电阻恢复原值，因而可将光信号转换为电信号。，电阻恢复原值，因而可将光信号转换为电信号。光敏电阻的光敏电阻的光谱特性光谱特性 使用不同材料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性。对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。因此在选用光敏电阻灵敏度是不相同的。

22、因此在选用光敏电阻时应当把时应当把元件和光源元件和光源的种类结合起来考虑，的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。才能获得满意的结果。 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光敏电阻的光照特性具有光敏电阻的光照特性具有非线性非线性。 光敏电阻具有光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。，因此应用比较广泛。光敏电阻主要用于相机自动测光、室内光线控制、工业及光电控制、光控开关、光敏电阻主

23、要用于相机自动测光、室内光线控制、工业及光电控制、光控开关、光控灯以及电动玩具等。光控灯以及电动玩具等。 因此不适宜做检测元件，在自动控制因此不适宜做检测元件，在自动控制中它常用中它常用做开关式光电传感器。做开关式光电传感器。 012345I/mA L/lx10002000光敏电阻的光电特性光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光敏电阻的光电流在一定电压作用下，光敏电阻的光电流I I与照射光通量与照射光通量( (单位单位lm:lm:流明）流明）的关系称为光电特性。的关系称为光电特性。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光敏电阻开关电路光敏电阻开关电路ch5 光传感器光传感器

24、传感器与测试技术传感器与测试技术照相机曝光自动控制电路（电子快门）照相机曝光自动控制电路（电子快门）电路由光敏电阻电路由光敏电阻R R、开关、开关K K和电容和电容C1C1构成的构成的充充电电路电电路，时间检出电路，时间检出电路( (电压比较器电压比较器) )，三极管，三极管T T构成的构成的驱动放大电路驱动放大电路，电磁铁，电磁铁M M带动的开门叶带动的开门叶片（片（执行单元执行单元）等组成。）等组成。 在初始状态，开关在初始状态，开关K K处于如图所示的位置，处于如图所示的位置，电压比较器的正输入端的电位为电压比较器的正输入端的电位为R R1 1与与R RW1W1分电源分电源电压电压U U

25、bbbb所得的阈值电压所得的阈值电压Vthth（一般为一般为11.5V），），而电压比较器的负输入端的电位而电压比较器的负输入端的电位V VR R近似为电源近似为电源电位电位U Ubbbb，显然电压比较器负输入端的电位高，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出为低电平，三于正输入端的电位，比较器输出为低电平，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。 电子快门中测光器件常采用与人眼电子快门中测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉光谱响应接近的硫化镉(CdS)(CdS)光敏电阻。光敏电阻。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测

26、试技术当按动快门按钮时，开关K与光敏电阻R及RW2构成的测光与充电电路接通，这时，电容C两端的电压UC为0，由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管T导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。快门打开的同时，电源Ubb通过电位器RW2与光敏电阻R向电容C充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻R的阻值愈低，充电速度愈快。V VR R的变化规律可由电容的变化规律可由电容C C的充电规律得到。的充电规律得到。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术V VR R的变化规律可由电容的变化规律可由电容C C的充电规律得到。的充电规

27、律得到。T电路的时间常数 T=（RW2+R）C 当电容当电容C两端的电压两端的电压UC充电到一定的电充电到一定的电位（位（VRVth）时，电压比较器的输出电压将）时，电压比较器的输出电压将由高变低，三极管由高变低，三极管T截止而使电磁铁断电，截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。快门叶片又重新关闭。 1(1)tTRbbVUe光敏电阻的阻值光敏电阻的阻值R与入射的光照度与入射的光照度EV有关有关11gVRgS E快门的开启时间2()lnbbWthUtRR CVch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光敏管工作原理主要基于光生伏特效应。光敏管工作原理主要基于光生伏特效应。光敏管是

28、重要的光敏器件，与光敏电阻相比有许多优点，尤其是光敏二光敏管是重要的光敏器件，与光敏电阻相比有许多优点，尤其是光敏二极管，响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高，广泛应用于可见光极管，响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高，广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。二、光敏二极管和光敏三极管：二、光敏二极管和光敏三极管： 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是类似的。构上是类似的。硅光敏二极管结构硅光敏二

29、极管结构 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术工作原理：工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态反向偏置状态， 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，有光照时，PNPN结处产生光生电子空穴对；结处产生光生电子空穴对； 在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致。光电流方向与反向电流一致。 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 光照特性光照特性 右图是硅光敏二极管

30、在小负载电阻下右图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。的光照特性。 光电流与照度（单位光电流与照度（单位lxlx：勒克斯）：勒克斯）成线性关系。成线性关系。所以适合检测等方面的应所以适合检测等方面的应用。用。 光谱特性光谱特性 当入射波长当入射波长900nm900nm时，时， 响应下降响应下降; ; 当入射波长当入射波长900nm900nm时，时， 响应也逐渐下降响应也逐渐下降. .硅光敏二极管光照特性硅光敏二极管光照特性ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 与普通晶体管不同的是，光敏晶体管与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极是将基极集电极结作为光敏二极管，集集电极

31、结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。大，以扩大光照面积。 大多数光敏晶体管的基极无引线，集电大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。射到基区。光敏三极管光敏三极管光敏晶极管结构光敏晶极管结构 光敏三极管是把光敏二极管产生的光电流进一步放大，它光敏三极管是把光敏二极管产生的光电流进一步放大，它是是具有更高灵敏度和响应速度具有更高灵敏度和响应速度的光敏传感器。的光敏传感器。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光敏三极管光敏三极管

32、 光敏三极管有光敏三极管有PNPPNP型和型和NPNNPN型两种。型两种。 光敏三极管的光谱特性 光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 光敏三极管的光照特性 光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。 它们之间呈近似线性关系。当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关转换元件。 光敏二极管、光敏三极管主要用于光敏二极管、光敏三极管主要用于光电检测、光电控制光电检测、光电控制方面，方面，如光电耦合器等。如光电耦合器等。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术应用举例应用举例

33、光电三极管主要应用于开关光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。控制电路及逻辑电路。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光电耦合器光电耦合器是由一发光元件是由一发光元件和和一光电传感器一光电传感器同时封装在一个同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。外壳内组合而成的转换元件。绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂采用金属外壳和玻璃绝缘的结采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏三极以保证发光二极管和光敏三极管对准，以此来提高

34、灵敏度。管对准，以此来提高灵敏度。(a)金属密封型(b)塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的结采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。，故此种结构灵敏度较高。光电耦合器光电耦合器(P239)(P239)ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光电耦合器的组合形式有多种光电耦合器的组合形式有多种(a)(b)(c)(d)该形式结构简单、成本低，通常用于该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。以下工作频率的装置内。该形式采用高速开关管构成

35、的高速光电耦合该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器器,适用于较高频率的装置中。适用于较高频率的装置中。该组合形式采用了放大三极管构成的高传输该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。频率的装置中。该形式采用功能器件构成的高速、高传输效该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。率的光电耦合器。光电开关光电开关 P240P240图图5-435-43ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术

36、传感器与测试技术 输入信号经光电耦合器送至中央运算、处理部分的TTL电路，TTL电路的输出又通过光电耦合器送到抗干扰能力高的HTL电路，光电耦合器成了TTL和HTL两种电路的媒介。 同时使得高低电压信号分开！ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术用于逻辑门电路用于逻辑门电路图中为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端Ui1和Ui2同时输入高电平“1”，则两个发光二极管GD1和GD2都发光，两个光敏三极管TD1和TD2都导通，输出端就呈现高电平“1”。 光电耦合器件还可以构成与非、或、或非、异或等逻辑电路。 ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 光电池是

37、在光线照射下，直接能将光量转变为电动势的光电元件。光电池是在光线照射下，直接能将光量转变为电动势的光电元件。实质上它就是电压源。实质上它就是电压源。 光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化镉光电池、光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。 三、光电池三、光电池 光生伏特效应指半导体材料光生伏特效应指半导体材料P-NP-N结受到光照后产生一定方向的电动势的结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。效应。+-PN光光 电电 池池 符符 号号ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术

38、目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。 硒光电池硒光电池光电转换效率低（0.02%），寿命短。因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表及照度计。 硅光电池硅光电池与其他半导体光电池相比，是目前转换效率最高的（已过17%），它是几乎接近理论极限的一种光电池。寿命高，适于接收红外光。砷化镓光电池砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱效应特性则与太阳光谱特性最吻合，且工作温度最高。故它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面应用最广。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m光谱特性光谱特性 光电池的

39、光谱特性决定于材料。从曲线可看出，光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池硒光电池在可见光谱在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm540nm附近，附近，适宜测可见光适宜测可见光。硅光电池。硅光电池应用的范围应用的范围400nm400nm1100nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm850nm附近，因此附近，因此硅光电池可以在硅光电池可以在很宽的范围内应用。很宽的范围内应用。1 1硒光电池硒光电池2 2硅光电池硅光电池ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术L/klx L/klx 5432100.10.20.30

40、.40.5246810开路电压Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光电池(b)硒光电池光照特性光照特性 开路电压曲线开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度 为为2000lx2000lx时趋向饱和。时趋向饱和。 短路电流曲线短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线：光电流与照度之间的特性曲线开路电压短路电流短路电流ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很

41、小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足近似地满足“短路短路”条件。条件。 下图表示硒光电池在不同负载电阻下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻负载电阻R RL L越小，光电流与强越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0 短路电流在很大范围内与短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强成线性关系

42、。开路电压随光强变化是非线性的，并且当光强变化是非线性的，并且当照度在照度在2000lx2000lx时就趋于饱和了。时就趋于饱和了。因此把因此把光电池作为测量元件光电池作为测量元件时，时，应当作电流源应当作电流源的形式来使用，的形式来使用，不宜用作电压源。不宜用作电压源。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术小面积光电池小面积光电池外形外形光敏面光敏面ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术能提供较大电流的大面积光电池能提供较大电流的大面积光电池外形外形ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光电池驱动的凉帽光电池驱动的凉帽ch5 光传感器光传

43、感器传感器与测试技术传感器与测试技术嫦娥一号上嫦娥一号上的光电池板的光电池板3.3.光电池的应光电池的应用用二、光电池二、光电池ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术四、光电传感器的特点及应用四、光电传感器的特点及应用 由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、非接触、高精度、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅光栅、光学码盘光学码盘、CCDCCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使

44、得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。制领域得到了广泛的应用。 按其接收状态可分为按其接收状态可分为模拟式光电传感器模拟式光电传感器和和脉冲光电传感器脉冲光电传感器。 模拟式光电传感器模拟式光电传感器其光通量随被测量而变，光电流是被测量的函数。这其光通量随被测量而变，光电流是被测量的函数。这类光电传感器在工业上的应用可归纳为类光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式吸收式、遮光式遮光式、反射式反射式、辐射式辐射式四四种基本形式。种基本形式。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数。的电

45、脉冲个数等于圆盘的开孔数。被测转速被测转速 n=f/N式中式中n n转速；转速； f f脉冲频率；脉冲频率； N N圆盘开孔数。圆盘开孔数。 脉冲式光电传感器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的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即态，即“通通”与与“断断”的开关状态。的开关状态。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术2312 31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图光电数字式转速表工作原理图图图(a)(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达

46、光敏二极管组成的光电由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。 在待测转速的轴上固在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当有不同的反射率。当转轴转动时，反光与转轴转动时，反光与不反光交替出现，光不反光交替出现，光电敏感器件间断地接电敏感器件间断地接收光的反射信号，转收光的反射信号，转换为电脉冲信号。换为电脉冲信号。ch5 光传感器光

47、传感器传感器与测试技术传感器与测试技术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，调整光源的亮度和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。分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。 灯光亮度控制器可按照环境光照强度自动调节白炽灯或荧光灯的亮度，灯光亮度控制器可按照环境光照强度自动调节白炽灯或荧光灯的亮度，从而使室内的照明自动保持在最佳状态，避免人们产生视觉疲劳。从而使室内的照明自动保持在最佳状态，避免人们产生视觉疲劳。 控制器主要由环境光照检测电桥、放大器、积分器、比较器、过零检测控制器主要由环境光照检

48、测电桥、放大器、积分器、比较器、过零检测器、锯齿波形成电路、双向晶闸管等组成。过零检测器对器、锯齿波形成电路、双向晶闸管等组成。过零检测器对50Hz50Hz市电电压的每市电电压的每次过零点进行检测，并控制锯齿波形成电路使其产生与市电同步的锯齿波电次过零点进行检测，并控制锯齿波形成电路使其产生与市电同步的锯齿波电压，该电压加在比较器的同相输入端。压，该电压加在比较器的同相输入端。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 由光敏电阻与电阻组成的电桥将环境光照的变化转换成直流电压的变由光敏电阻与电阻组成的电桥将环境光照的变化转换成直流电压的变化，该电压经放大并由积分电路积分后加到比较

49、器的反相输入端，其数值化，该电压经放大并由积分电路积分后加到比较器的反相输入端，其数值随环境光照的变化而缓慢地成正比例变化。随环境光照的变化而缓慢地成正比例变化。 两个电压的比较结果，便可从两个电压的比较结果，便可从比较器输出端得到随环境光照强度变化而比较器输出端得到随环境光照强度变化而脉冲宽度发生变化的控制信号，脉冲宽度发生变化的控制信号，该控制信号的频率与市电频率同步，其脉冲该控制信号的频率与市电频率同步，其脉冲宽度反比于环境光照，利用这个控制信号触发双向晶闸管，改变其导通角，宽度反比于环境光照，利用这个控制信号触发双向晶闸管，改变其导通角，便可使灯光的亮度随环境光照做相反的变化，从而达到

50、自动控制环境光照不便可使灯光的亮度随环境光照做相反的变化，从而达到自动控制环境光照不变的目的。变的目的。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术平行光源光电探测放大显示刻度 校正报警器烟道烟尘浊度监测仪烟尘浊度监测仪 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。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。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中

51、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收和折射增加，到达光检测果烟道浊度增加，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，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，二极管组成。如果还需要向交流

52、负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。太阳电池电源系统框图如图。 调节控制器逆变器 交流负载太阳电池方阵 直流负载太阳能电池电源系统太阳能电池电源系统(P242)阻塞二极管光电池应用ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光电池串联，能提高电压；并联，可以提高输出电流。 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0.6V0.6V， 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10A10A。ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术220VC1路灯CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4

53、R6R7R2J470k200k10k4.3kBG1280k25k57k10k路灯自动控制器路灯自动控制器BG2BG3BG42CRch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术光纤传感器光纤传感器(Fiber Optical Sensor)(Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年代中期发年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤

54、作为传递敏感信息的媒传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 电绝缘性能好。电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。 非侵入性。非侵入性。 高灵敏度。高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量第四节光纤传感器第四节光纤传感器(P245)(P245)ch5 光传

55、感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术一、光导纤维导光的基本原理一、光导纤维导光的基本原理 当光由光密物质当光由光密物质( (折射率大折射率大) )入射至光疏物质时发生折射，其入射至光疏物质时发生折射，其折射角大于入射角，即折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2时，时，r ri i。 n1n2ri(a)(a)光的折射示意图光的折射示意图 可见，入射角可见，入射角i增大时，折射角增大时，折射角r也随之增大，且也随之增大，且始终始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系之间的数学关系为为 n1sini=n2sinr1、斯乃尔定理（、斯乃尔定理（SnellsLaw）ch5 光传感器光传感

56、器传感器与测试技术传感器与测试技术 当当i ii0i0并继续增大时，并继续增大时，r r9090，这时便，这时便发生全反射现象发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。其出射光不再折射而全部反射回来。式中：式中：i0i0临界角临界角i0=arcsin(n2/n1)sini0=n2/n1sinrsin901n1n2r ri(c)(c)光全反射示意图光全反射示意图n1n2ri(b)(b)临界状态示意图临界状态示意图 当当r r=90=90时，时，i i仍仍9090，此时，此时，出射光线沿界面传播，称为出射光线沿界面传播，称为临界状态临界状态。这时有这时有ch5 光传感器光传感器传感器与测试技

57、术传感器与测试技术 光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯( (纤芯纤芯) )和玻璃包皮和玻璃包皮( (包层包层) )两两个同心圆柱的双层结构组成。个同心圆柱的双层结构组成。 纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n n1 1比包层折射率比包层折射率n n2 2稍大些两层之间形成良好的光学界面，光线稍大些两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。在这个界面上反射传播。 2R2rn2n1nn2n1纤纤芯芯包层光纤结构光纤结构2、光纤结构、光纤结构ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术

58、 入射光线入射光线ABAB与纤维轴线与纤维轴线OOOO相交角为相交角为i i，入射后折射，入射后折射( (折射角为折射角为j j) )至纤芯至纤芯与包层界面与包层界面C C点，与点，与C C点界面法线点界面法线DEDE成成k k角，并由界面折射至包层，角，并由界面折射至包层，CKCK与与DEDE夹夹角为角为r r。则。则n0sini=n1sinjn1sink=n2sinrsini=(n1/n0)sinjsink=(n2/n1)sinr因因j=90k所以所以jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图光纤导光示意图KKkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sinrr

59、innnnnnn22221021201sin1sin1sinn n0 0为入射光线为入射光线ABAB所在空间的所在空间的折射率，一般为空气，故折射率，一般为空气，故n n1 1，n nl l为纤芯折射率，为纤芯折射率，n n2 2为包层折射率。为包层折射率。3、光纤导光原理及数值孔径、光纤导光原理及数值孔径NAch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 上式上式sinsini0i0为为“数值孔径数值孔径” NA(NumericalNA(NumericalAperture)Aperture)。由。由于于n n1 1与与n n2 2相差较小，即相差较小，即n n1 1+ +n n2

60、222n n1 1, ,故又可因式分解为故又可因式分解为rinn22221sinsin22210sinnni2sin10ni=(=(n n1 1- -n n2 2)/)/n n1 1称为相对折射率差称为相对折射率差当当r r=90=90的的临界状态临界状态时，时，i i= =i0i0当当n=1时时jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图光纤导光示意图ch5 光传感器光传感器传感器与测试技术传感器与测试技术 当当r r90NANA，i iarcsin NAarcsin NA，光线消失。，光线消失。 arcsinNAarcsinNA是一临界角是一临界角, ,凡入射角凡入射角i iar