自动检测技术及应用光电传感器及其应用课件

1、2022/7/171 电磁波辐射波谱可见光频率/Hz波长/m无线电波105 红外线 1010 紫外线1015 X射线1020宇宙射线1025 3103m 310-2m 310-7m 310-12m 310-17m2022/7/172 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。 2022/7/1736.1 光电效应及光电元器件一、光电效应及分类 每一个光子具有一定的能量，光子的能量Ehf，其中h为普朗克常数，f为光的频率。因此，光的频率越高，光子的能量也就越大。 光电效应 光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为hf的光子的轰击，

2、被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效应的物理现象。2022/7/174 外光电效应 在光线作用下能使电子从物 体表面逸出。 内光电效应 在光线作用下能使物体电阻 率发生变化。光生伏特效应 在光线作用下，物体产生一 定方向电动势。 光电发射效应光电导效应分类：2022/7/175二、光电元件、特性及基本测量电路（一）光电管、光电倍增管 1、光电管 原理：基于外光电效应。 组成：光电管由真空玻璃管、光电阴极K和光电阳极A组成。 2022/7/176 当一定频率的光照射到光电阴极上时，光电阴极吸收了光子的能量便有电子逸出而形成光电子。这些光电子被具有正电位的阳极所吸引，因而在光电管内便形成

3、定向空间电子流，外电路就有了电流。光电管的结构2022/7/177 如右图，在电路中串入一个适当的电阻，则电路中的电流便转换为电阻上的电压。 电流或电压的变化与光成一定的函数关系，从而实现了光电转换。光电管符号及测量电路2022/7/178 2、光电倍增管 光电阴极和阳极之间增加了若干个光电倍增极D，且外加电位逐级升高，因而逐级产生二次电子发射而获得倍增光电子，使得最终到达阳极的光电子数目猛增。 适合微光测量,灵敏度高。 2022/7/179光电特性 指当阳极电压一定时，光电流I与光电阴极接收到的光通量之间的关系；光谱特性 由于不同材料的光电阴极对不同波长的入射光有不同的灵敏度，因此光电管对光

4、谱也有选择性； 伏安特性 当入射光的频谱及光通量一定时，光电流与阳极电压之间的关系称伏安特性铯氧银 锑化铯 光电管的阳极电压应选择在UQ附近, I才稳定3、特性和参数2022/7/1710(二)光敏电阻 其原理是基于内光电效应。是一种没有极性的纯电阻器件。 它的结构简单，在半导体光敏材料的两端引出电极，再将其封装在透明管壳内就构成光敏电阻。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。 2022/7/1711光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）2022/7/1712

5、光敏电阻 当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。为提高灵敏度，两电极做成梳状，以增大极板面积。2022/7/1713光敏电阻的基本应用电路 a）U与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路 2022/7/17141.暗电阻、亮电阻及光电流暗电阻：指光敏电阻置于室温、全暗条件下，经过一段时间稳定后测得的阻值，这时在给定的电压下测得的电流称为暗电流。亮电阻：光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，这时在给定工作电压下的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差称光敏电阻的光电流I,暗阻值与亮阻值差值越大，光敏电阻性能越好，灵敏度也越高。 2022/7/1715 2.光

6、照特性 光敏电阻的光电流I与光通量的关系。由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不能用于光的精密测量，只能用作开关式的光电转换器。 2022/7/17163.光谱特性 光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度K也是不同的。因此，在选用光敏电阻时，应考虑光源的发光波长与光敏电阻的光谱特性峰值的波长相接近，这样才能获得高的灵敏度。 2022/7/17174.伏安特性 光敏电阻的伏安特性为线性关系，且不同照度下，其斜率不同。同一般电阻一样，光敏电阻也有最大功率，超过额定功率将会导致光敏电阻永久性的损坏。 2022/7/17185.响应时间 光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，尽管不同材料的

7、光敏电阻具有不同的响应时间，但都存在着这种时延特性。因此，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。6.温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度的影响较大，随着温度的升高，它的暗电阻与灵敏度都下降。 2022/7/1719（三）光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管1结构与工作原理光敏二极管 结构示意及符号 光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是其PN结装在透明管壳的顶部，可以直接接受到光的照射。2022/7/1720工作原理基于内光电效应。光敏二极管在电路中必须反向偏置。无光照时：电路中只有很小的反向饱和漏电流，称暗电流。有光照时：PN结受到光子的轰击，激发形成光子空穴对，在反向电压的作用下，反

8、向电流大大增加，形成光电流。即反向偏置的PN结受光照控制2022/7/1721光敏二极管外形 将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。 2022/7/1722光敏二极管外形 2022/7/1723光敏三极管 光敏三极管是在光敏二极管的基础上形成的。由于它具有放大作用，所以具有更高的灵敏度。和普通三极管一样，光敏三极管分PNP和NPN两种类型，有两个PN结。 多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。 2022/7/1724光敏三极管外形 2022/7

9、/1725 在电路中，同普通三极管的放大状态一样，集电结反偏，发射结正偏。反偏的集电结受光照控制，光电转换原理同光敏二极管，产生的光电流相当于普通三极管的基极电流。因而在集电极上则产生倍的光电流，所以光敏三极管比光敏二极管有着更高的灵敏度。结构图 等效电路 图形符号2022/7/1726射极输出的电压与光照的变化趋势相同；集电极输出的电压与光照的变化趋势相反。光敏三极管的应用电路2022/7/1727将光敏三极管与另一只普通三极管做在一个管壳里，称为达林顿光敏三极管。它有更高的灵敏度，即： 12复合管2022/7/1728光敏晶闸管 光敏晶闸管是由入射光触发而导通的可控硅，简称光控晶闸管。它有

10、三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g。 它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。 当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到反偏的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。 光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。2022/7/1729 反偏的PN结在透明管壳的顶部，相当于受光照控制的光敏二极管。当光照射在J2产生的光电流相当于普通的晶闸管的门极电流，当光电流大于某一阈值时，光敏晶闸管触发导通。 2022/7/1730光敏晶闸管外形光敏面2022/7/1731

11、2光敏晶体管的基本特性光谱特性 不同材料的光敏晶体管对不同波长的入射光其相对灵敏度Kr是不同的 即使是同一材料，只要PN结的厚度不同，也能得到不同的光谱特性。 硅光敏晶体管2022/7/1732伏安特性 a) 光敏二极管伏安特性 b) 光敏三极管伏安特性 流过它的电流与光照度成正比，且在相当范围内与反向偏置电压Uo无关。 当Uo0时，只要有光照，仍然有电流，此时把它看作光电池，只不过其PN结面积小，光电效应很低而已，光敏二极管正常使用时应施加1.5V以上的反向工作电压。 形状与一般三极管的输出特性相似，只不过将不同的基极电流换作不同的光照度即可。2022/7/1733光电特性 0光照 光电流光

12、敏 三极管光敏 二极管3000lx4mA0.3mAIE 光电流与光照度成线性关系。灵敏度比较?2022/7/1734响应时间 硅光敏二极管的响应时间约为105107s左右，光敏三极管的响应时间则比相同材料的二极管约慢一个数量级，而锗管的响应时间要比硅管小一个数量级。因此在要求快速响应或入射光调制频率（明暗交替频率）较高时，应选用硅光敏二极管。 温度特性 硅管的暗电流比锗管小几个数量级，所以在微光测量中应采用硅管。另外硅光敏三极管的温漂大，在高精度测量中应选择硅光敏二极管。2022/7/1735（四）光电池 光电池的工作原理基于光生伏特效应 ,它是把光能直接转换成电能的半导体光电器件。 其中应用

13、最广泛的是硅光电池，硅光电池性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递（转换）效率高且价格便宜。 2022/7/1736 在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。1结构及工作原理 当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子空穴对，光生电子空穴对的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。 2022/7/1737光电池外形光敏面2022/7/1738能提供较大电流的大面积光电池外形2022/7/17392基本特性光谱特性 硅光电池的响应波长约

14、在0.451.1m范围，而硒光电池约在0.340.57m范围。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 两者不仅光谱波峰位置不同,而且光谱响应波长范围也不同。2022/7/1740光电特性 其中曲线1是光电池负载开路时的开路电压与光照度的关系曲线，显然这是非线性关系，起始电压上升很快，在2000lx以上便趋于饱和 曲线2是当负载短路时的短路电流与光照度的关系曲线，可见为线性关系。当随着负载电阻的增加，这种线性关系将变差。 2022/7/1741频率特性 频率特性是指入射光的调制频率与光电池输出电流间的关系。硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池的频率特性较差。 2022/7/1742光电池

15、的开路电压与短路电流随温度变化的特性。开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而缓慢增加。 温度特性 2022/7/17433光电池短路电流测量电路 图为光电池短路电流测量的实用电路，即I/V转换电路。 运算放大器相当于光电池的负载，由于运算放大器的开环放大倍数Aod，A为虚地。 作为光电池的负载满足了短路条件。所以IRfI。输出电压Uo为： UoURfIRf 输出电压Uo与光电流I正比，从而达到I/U转换的目的。 2022/7/1744光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型 太阳能 硅光电池板2022/7/1745光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电2022/7/

16、1746光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用2022/7/1747 休 息 一 下2022/7/17486.2 光电开关及光电断续器 光电开关及光电断续器是开关式光电传感器的常用元件，主要用来检测物体的靠近、通过等状态，广泛用于生产流水线、自动控制等各方面开关量的检测。从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成。 只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。2022/7/1749 光电开关可分为直射型和反射型两大类。 直射型光电开关 直射型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对

17、准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。 直射型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。一、光电开关2022/7/1750直射型光电开关示意图遮断报警2022/7/1751直射型光电开关原理Receiver 直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2022/7/1752 光电开关外形2022/7/1753光电开关在流水线上的应用送料器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料

18、口直射式光电开关（计数）2022/7/1754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2022/7/1755 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） 光幕应用2022/7/1756 光幕应用（续）产品高度测量2022/7/1757 光幕应用（续）安全区示警2022/7/1758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

19、常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感。检测距离一般为几米。 散射型安装最为方便，但检测距离更小，只有几百毫米。2022/7/1759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。反射板反射镜被测物体偏振光发射光2022/7/1760被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被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收器于一体。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

20、体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。额定距离2022/7/1761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2022/7/1762表面反射率 对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。2022/7/1763反射型光电开关外形电源指示信号指示2022/7/1764反射型光电开关外形（续）灵敏度调节电位器2022/7/1765光电开关应用透明度测量

21、、控制质量检测2022/7/1766 光电开关应用（续）加工控制2022/7/1767光电传感器的其他用途（续）断裂检测电梯自动运行条件判断2022/7/1768漫反射型光电开关的应用2022/7/1769自动干手机 自动干手机是一种使用很普遍的电器，用来干燥手或物品。在这里红外线反射型传感器直接通过延时电路控制固态继电器，带动电炉丝和风扇工作。 同样的电路，将负载换成电磁阀，就可以组成冲便卫生洁具。2022/7/1770自动取款机的保护玻璃控制器 当有人站在取款机前时红外线反射型传感器输出高电平，并通过RC网络延时数秒，确认来人是取款而不是经过时，给PC机送去高电平，由PC控制电机启动，保护

22、玻璃抬起。 当取款人走后，红外线反射型传感器转为低电平，RC网络在数秒后也输出低电平，PC再控制电机使保护玻璃降下来。从而完成对自动取款机的保护。 2022/7/1771直射型当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器因接收不到红外线而产生一个电脉冲信号。这种光电开关检测距离最大可达十几米 反射镜反射型单侧安装，但反射镜型安装时应根据被测物体的距离调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果，它的检测距一般为几米 散射型只要不是全黑的物体均能产生漫反射,散射型的检测距离更小，只有几百毫米。总结：2022/7/1772 光电断续器可分为直射型和反射型两种。 光电断续器的工作原理与光电开关相同，结构

23、上将光电发射器、光电接收器做在体积很小的同一塑料壳体中。 直射型（也称槽式）通常是标准的U字型结构。槽宽、槽深及光敏元件已有系列化产品，可供选择。二、光电断续器2022/7/1773 直射型光电断续器通常是标准的U字型结构。 其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。 当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。直射型反射型2022/7/1774反射式光电断续器 光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。20

24、22/7/1775光电断续器外形2022/7/1776 齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。光电断续器的应用请写出转速与频率的关系式n= ？ n2022/7/1777 休 息 一 下2022/7/1778 光电式传感器由光源、光学元器件和光电元器件组成光路系统，结合相应的测量转换电路而构成。 光电式传感器按其输出量可分为模拟式和脉冲式两类。 模拟式：光电流是被测非电量的函数。 脉冲式：光电元器件的输出仅有“通”与“断” 两种稳定的开关状态。6.3 光电式传感器的应用2022/7/1779一、模拟式光电传感器 根据有关的辐射定律，物

25、体在两个特定波长1 、 2上的辐射强度、之比与该物体的温度成指数关系:1光电比色温度计 = 我们只要测出与之比，就可根据上式算出物体的温度T。2022/7/1780分光镜的功能是使红外光通过，可见光反射。滤光片10它只让红外光中的某一特定波长1的光线通过，最后被硅光电池11所接收，转换为与发光强度I1成正比的光电流I1。滤光片12的作用是只让可见光中的某一特定波长2的光线通过，最后被硅光电池13所接收。转换为与光强I2成正比的光电流I2。随后再经电流电压转换器14、15转换为电压U1、U2，经运算电路算出U1/U2值，因而根据公式即可计算出被测物的温度T 。2022/7/1781比色式温度传感

26、器温度非接触测量中的应用 比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强。 比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如:烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。2022/7/17822光电式浊度计 一路光线穿过标准水样8到达光电三极管7上，产生作为标准水样的电信号U2，另一路光线穿过被测水样品5，到达光电三极管6上，通过光电三极管转换成与浊度成正比的电信号U1。 再经运算器计算出U1、U2的比值，并进一步算出被测水的浊度。2022/7/1783.光电式带材跑偏仪它由光电式边缘位置传感器和测量电桥、放大器等组成。 光敏三

27、极管（8）接在测量电桥的一个桥臂上。 当带材处于平行光束的中间位置时，电桥处于平衡状态，输出信号为“0”，如果带钢向左偏移或向右偏移时，输出电流信号为I和I。这个电流变化信号由放大器放大后成为控制电流，用来调节带材的走偏量。光电式边缘位置传感器原理图2022/7/1784二、脉冲式光电传感器 光电元件的开关运用状态 1光电式测速计 将一个带有遮盖挡板的光电池接入图示的电路中，当物体以速度移过光电池表面时，遮挡射向光电池的光线，光电池便有阶跃电压输出，经微分后形成两个脉冲输出，两脉冲之间的相隔时间即为物体移过距离的时间t。V=L/ t2022/7/17852光电式转速计 光电式转速计将转速的变化

28、变换成光通量的变化，再经过光电元件转换成电量的变化。 根据其工作方式可分为反射型和直射型两种。2022/7/1786反射式当间隔数一定时，电脉冲数便与转速成正比，电脉冲送至数字测量电路，即成计数和显示直射式在孔数一定时，脉冲数就和转速成正比。电脉冲输入测量电路后被放大和整形，送入频率计显示。 光源光电元件2022/7/1787另一种分类方法 根据影响光电元器件接收光通量的因素可分为以下几种形式：、光源本身是被测物、被测物吸收光通量、被测物体反射光通量、被测物遮挡光通量2022/7/1788 、光源本身是被测物的应用实例 光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体

29、被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。 光电池（外加柔光罩）2022/7/1789红外线辐射温度计 红外线辐射温度计用于食品温度测量2022/7/1790红外线辐射温度计外形 激光仅 用于瞄准2022/7/1791红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用耳温仪2022/7/1792 红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集成IC 温度测量2022/7/1793红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）2022/7/1794、被测物吸收光通量的应用实例 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2022/7/1795烟雾报警器 无烟雾时，光

30、敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。 烟雾报警2022/7/1796 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 ) 、被测物体反射光通量的应用实例2022/7/1797水泵转速测量2022/7/17984、被测物遮挡光通量的应用实例 光电式带材跑偏检测器 光电传感器 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。 2022/7/1799 休 息 一 下2022/7/17100 自然界中的任何物体,只要其温度高于绝对零度,都有红外线向周围空间幅射，温度不同，幅射的红外波长也不同。 热释电红