第8章 光电式传感器

1、第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器2主要内容 光电效应 光电元器件 光电式传感器的实用电路 3 光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将被测非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。 光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件3部分组成。 光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此在自动检测，计算机和控制系统中，应用非常广泛。 光电式传感器的物理基础是光电效应。第8章 光电式传感器48.1光电效应 光电式传感器的工作原理是基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二象性，光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。具有的能量h正比于

2、光的频率（h普朗克常数）。每个光子具有的能量为 E= h 光电效应及分类光电效应及分类5特点 对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为h的光子所轰击，组成该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。 6光电效应的类型光电效应的类型 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。7光学单

3、位 流明（lm）和勒克斯（lx）两个光学单位。所谓流明是光通量的单位，所有的灯都以流明表征输出光通量的大小。勒克斯是照度的单位，它表征受照物体被照程度的物理量。 88.2 光电器件利用外光电效应制成的光电元件。 8.2.1光电管光电管光电管的结构 光电管结构图光电管结构图光输入光输入 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

4、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8.2.2 8.2.2 光电倍增管光电倍增管 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

5、，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 - -+ + + + + - - - - - -+ + - -+ + + - -+ + - - - -n12光电倍增管的特点 光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子，并使电子获得倍增的电真空器件。 它有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。光电倍增管由两个主要部分构成：阴极室和若干光电倍增极组成的

6、二次发射倍增系统 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14原理 当微光照射阴极K时，从阴极K上逸出的光电子在D1的电场作用下，以高速向倍增极D1射去，产生二次发射，于是更多的二次发射的电子又在D2电场作用下，射向第二倍增极，激发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所收集。若每级的二次发射倍增率为m，共有n级（通常可达911级），则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大mn倍，因此光电倍增管的灵敏度极高。 158.2.3光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件。它具有灵敏度高、光谱

7、响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点 161.光敏电阻的工作原理和结构。 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。 17光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。182.光敏电阻的基本特性和主要参数。 暗电阻和暗电流。 亮电阻和亮电流。 伏安特性。 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 19（2）光敏电阻的基本特性和主要参数（续） 光电特性。 光谱特性。 某光敏电阻的光电特性 光敏电阻的光谱特性 响应时间。 温度特性。 8.2.48.2.4光电池光电池（一）工作原理（一）工作原理 光生伏特效应。光生伏特效应。（二）基本特性（二）基本特性 1.

8、光谱特性：光谱特性： 一定照度下一定照度下,光波波光波波长与光电池灵敏度的关长与光电池灵敏度的关系。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: 光照度与输出电动光照度与输出电动势、输出电流之间的势、输出电流之间的关系。关系。 3.温度特性温度特性 指开路电压、短路指开路电压、短路电流与温度变化的关电流与温度变化的关系。系。 4.频率特性频率特性: 指输入的调制光频指输入的调制光频率与输出电流的关系。率与输出电流的关系。 硅光电池的频率特硅光电池的频率特性较好

9、，频率上限约性较好，频率上限约几万几万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226.1.5光敏晶体管 光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。光敏晶闸管主要应用于光控开关电路 231.光敏晶体管结构与工作原理 光敏二极管。 通常处于反向偏置状态 。当没有光照射时，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。 1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极

10、引脚 6N型衬底 7SiO2保护圈8SiO2透明保护层 9铝引出电极 10P型扩散层 11PN结 12金属引出线24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InGaAs元件元件的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。于分光镜。25 光敏三极管 集电极电流是原始光电电流的倍。因此，光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高许多倍。 光敏三极管光敏三极管 26光敏三极管外形光敏三极管外形 27 光敏晶闸管 光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管 光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有的可达数百伏，导通电流比光敏三极管大得多，因此输出功率很大，在自动检测

11、控制和日常生活中应用会越来越广泛。282.光敏晶体管的基本特性。 光谱特性。 光敏晶体管的光谱特性 1硅光敏晶体管 2锗光敏晶体管 29 伏安特性 30 光电特性 光敏晶体管的光电特性 1光敏二极管的光电特性 2光电三极管的光电特性 31 温度特性 频率特性 响应时间 8.3光电式传感器的应用光电式传感器的应用2.2.光电传感器的类型光电传感器的类型 1. 1. 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33光电式传感器的几种形式 1被测物 2光电元件

12、 3恒光源（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

13、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 8.3.2光电式转速仪光电式转速仪 1 1）反射式光电转速仪）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

14、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。388.3.3.光电比色计 化学分析仪器 使用公共光源，不管光线强弱如何，光源光通量不稳定带来的变化可以被抵消，故其测量精度高。但两光电池的性能不可能完全一样，由此会带来一定误差。 光电比色计光电比色计 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光电比色仪原理图 408.3.4光电式带材跑偏检测装置 带材跑偏检测装置是用来检测带型材料在加工过程中偏离正确位置的大小与方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。 41光电式边沿位置检测装置 1被测带材 2光源 3、4光透镜 5光敏电阻 6遮光罩 光电检测的其他应用光电检测的其他应用布料宽度检测、有无检测布