传感器技术-第4章 光电传感器原理与应用课件

1、第四章 光电传感器原理与应用4.1 光电效应和光电器件4.2 光电码盘8/29/20221光电式传感器原理 首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电器件变换成电信号。辐射源光学通路光电器件输出被测量被测量特性 频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等8/29/20222光电式传感器的基本组成 光电式传感器由光路及电路两大部分组成，光路部分实现被测信号对光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到点信号的转换；光学元件：透镜、滤光片、光阑、光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅及光导纤维等。实现光参数的选择、调制和处理。 可以测量光学量或测量已先行转换为光学量的其它被测量，然后输出电信号。测量

2、光学量时，光电元件作为敏感元件使用。光电元件：光电管、光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、光电池等。实现检测照射其上的光通量。8/29/202234.1 光电效应和光电器件外光电效应: 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管内光电效应: 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。阻挡层光电效应(光生伏特效应): 在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等8/29/20225 1. 外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。 光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定： E=h 式中： h普朗克

3、常数=6.62610-34(Js) 光的频率（s-1）。 光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。8/29/20226 所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电

4、子发射， 超过部分的能量表现为逸出电子的动能。8/29/20227式中：m电子质量； v0电子逸出速度。 上 式为爱因斯坦光电效应方程式, 由式可知： 光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应器件， 即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零， 必须加负的截止电压。 根据能量守恒定理 8/29/20228光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用上一页下一页返 回

5、8/29/202210真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差 上一页下一页返 回8/29/2022128/29/202214光电倍增管的结构 与工作原理光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射二次电子发射系数 =二次发射电子数入射电子数若倍增极有n，则倍增率为n i为光电阴极的光电流 上一页下一页返 回8/29/202215几种光电倍增管的外形

6、 8/29/202216413 光敏电阻1. 光敏电阻的工作原理及结构2光敏电阻的主要参数3光敏电阻的基本特性上一页下一页返 回8/29/202217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。光敏电阻没有极性，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。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，电路中电流迅速增大。1. 光敏电阻的工作原理及结构8/29/202218光敏电阻的结构 光敏电阻的结构很简单，图（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半

7、导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。上一页下一页返 回8/29/202220光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案， 如图（b）所示。8/29/2022218/29/202223灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定 如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小： 8/29/2022243光敏电阻的基本特性 （1）伏安特性 （2）光照特性（3）光谱特性（4

8、）响应时间和频率特性（5）温度特性上一页下一页返 回8/29/202226（1）伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。图中虚线为允许功耗曲线，由此确定光敏电阻正常工作电压 。8/29/202227 （2）光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。 8/29/202228光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 在选用光敏电阻时，要根据光源考虑。 光敏电阻光敏特性

9、8/29/202230 （4）响应时间和频率特性光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。 上一页下一页返 回8/29/202231光敏电阻的频率特性 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。 上一页下一页返 回8/29/202232（5）温度特性 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。 硫化镉光敏电阻的温度特性 温度系数: 定义为：在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均变化率 上一页下一页返 回8/29/202233温度对光谱特性影响 随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，

10、采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 上一页下一页返 回8/29/2022344.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 1 工作原理2 基本特性上一页下一页返 回8/29/2022351 工作原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。 8/29/202236光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流光敏二极管接线图 8/29/202237光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。 光敏二极

11、管结构简图和符号 8/29/202238PNRE+-If普通二极管8/29/202239PNRE-+Is光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光敏二极管8/29/202240RE-+I当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。PN当光照射时，光敏二极管处于导通状态。8/29/2022418/29/2022428/29/202243光敏晶体管 光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，如下图（a）所示，只是它的集电极一边做得很大，以扩大光的照射面积。 光敏晶体管接线如图（b）所示。8/29/202244普通三极管ICIBeE

12、BECIERCRbcbNNP8/29/202245光敏三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。8/29/202246ICeECIERCcNNPb 具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压。8/29/202247光敏晶体管 当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高。这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。ICeECIERCcNNP

13、b8/29/202248 光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。 它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。达林顿光敏管的等效电路8/29/202249红外线,光敏晶体管光敏晶体管8/29/2022502 基本特性（1）光谱特性 （2）伏安特性（3）光照特性（4）温度特性（5）频率响应上一页下一页返 回8/29/202251（1）光谱特性入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性

14、可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。 硅的峰值波长约为0.9m，锗的峰值波长约为1.5 m。8/29/202252（2）伏安特性硅光敏管的伏安特性 为硅光敏二极管的伏安特性。当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大， 在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。为硅光敏晶体管的伏安特性。 由于晶体管的放大作用， 在同样照度下，其光电流比相应的二极管大上百倍。 8/29/202253 （3）光照特性 硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 上一页下一页返 回 (a)光敏二极管 (b)光敏

15、三极管近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。故光敏三极管既可做线性转换元件， 也可做开关元件8/29/202254 （4）温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。 上一页下一页返 回8/29/202255（5）频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应 上一页下一页返 回8/29/202256415 光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。 光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外

16、加电源。 1. 工作原理2基本特性上一页下一页返 回8/29/2022571. 工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负) 。用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。RLI-mAV+ P N8/29/202258 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最

17、后建立一个与光照强度有关的电动势。RLI-mAV+ P N8/29/202259光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。适于宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应用。8/29/202260硅光电池原理图 (a) 结构示意图； (b) 等效电路 8/29/2022612 基本特性(1) 光谱特性(2) 光照特性

18、(3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性上一页下一页返 回8/29/202262 （1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的 上一页下一页返 回不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8m附近，硒光电池在0.5m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4-1.2m，而硒光电池只能为0.38-0.75m。硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 8/29/202263(2)光照特性 不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。 短路电流与光照度成线性关系；开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度是非线性的，并且当照度在200lx时就趋于饱和了。

19、因此用光电池作为测量元件时， 应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。 上一页下一页返 回8/29/202264光电池的短路电流 短路电流：外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。 负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽 8/29/202265(3)频率响应 指输出电流随调制光频率变化的关系 硅光电池具有较高的频率响应，用于高速计数的光电转换 8/29/202266 (4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标 硅光电池的温度特性(照度1000lx)开路电压随温度升高而下降的速度较快，

20、而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。8/29/202267 (5)稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺使用环境条件 上一页下一页返 回8/29/202268416 光电式传感器的应用模拟式传感器脉冲式传感器上一页下一页返 回8/29/2022691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

21、。 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。上一页下一页返 回8/29/202270平行光源光电探测放大显示刻度 校正报警器吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道8/29/2022712 脉冲式光电传感器光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器

22、等等。上一页下一页返 回8/29/202272光电式数字转速表 上一页返 回8/29/2022732312 31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图 下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调制盘，在调制盘一边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定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。8/29/2022743.光电池应用 光电

23、池主要有两大类型的应用：1）将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是人们探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池将获得更广泛的应用。8/29/202275太阳电池电源 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，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 直流负载阻塞二极管阻塞二极管是用来控制光伏系统中电流的。任何一个独立光

24、伏系统都必须有防止从蓄电池流向阵列的反向电流的方法或有保护或失效的单元的方法。 8/29/2022762）将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。8/29/2022774.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用8/29/2022784.1.1 光电管原理及结构 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电

25、管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。8/29/202279真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高， 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体。 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差，在测试中一般选择真空光电管。 4.1.1 光电管伏安特性光电管的工作点应选择在光电流与阳极电压无关的区域！8/29/2022804.1.2 光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极 8/29/202281光电倍增管的结构 与工作原理光电阴极光电倍增极阳极倍增极上

26、涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射 二次电子发射系数 = 二次发射电子数入射电子数若倍增极有n个，则倍增率为n8/29/2022824.1.3-1 光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减小，电流迅速增加8/29/202283光敏电阻的结构 1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表

27、面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。8/29/2022844.1.3-2 光敏电阻的主要参数暗电阻和暗电流：光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过 一定时间测量的电阻值称暗电阻，此时流通的电流称暗电流。亮电阻和亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流通的电流称暗电流。光电流：亮电流与暗电流之差，称为光电流。 一般光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，则性能越好。暗电阻一般在兆欧数量级，亮电阻一般在几千欧以下，暗电阻与亮电阻之比一般在102106之间。8/29/2022854.1.3-3 光敏电阻的基本特性 （1）伏安特性 （2）光照特性（3）光谱特性（4

28、）响应时间和频率特性（5）温度特性8/29/202286（1）伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象；光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。8/29/202287 （2）光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。 8/29/202288（3）光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 8/29/202289选用光

29、敏电阻时，应结合元件和光源的种类考虑！8/29/202290 （4）响应时间和频率特性 光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。 8/29/202291不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同；硫化铅使用频率范围较大，其它的都比较差！8/29/202292（5）温度特性 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。 硫化镉光敏电阻的温度特性 温度系数:在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均变化率 。8/29/202293温度对光谱特性影响 随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动；采取降温措

30、施可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 8/29/2022944.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 1 工作原理2 基本特性8/29/2022954.1.4 -1光敏二极管结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中；在电路中一般是处于反向工作状态的；没有光照时，反向电阻很大，反向电流很小；光照时，根据光照度的变化，光电流（外电流）强度相应变化；因此光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。8/29/2022964.1.4 -2光敏晶体管 与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。 8/29/2022974.1.4-3 基本特性（1）光谱

31、特性 （2）伏安特性（3）光照特性（4）温度特性（5）频率响应8/29/202298（1）光谱特性入射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度都要下降； 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管；在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。8/29/202299（2）伏安特性硅光敏管的伏安特性 光敏晶体管的光电流比同管型的二极管大上百倍； 在零偏压时，光敏二极管仍有光电流输出，而三极管没有。8/29/2022100 （3）光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏晶体管在光照度较大的时候会出现饱和现象 8/29/2022101 （4）温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电

32、流影响很大。8/29/2022102（5）频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应 8/29/20221034.1.5 光电池有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。8/29/20221044.1.5 -1. 工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负) 。用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。8/29/20221054.1.5-2

33、 基本特性(1) 光谱特性(2) 光照特性(3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性8/29/2022106 （1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的；硒光电池峰值位置在人眼的视觉范围，因此常用在分析、测量仪表 中；硅光电池的波长范围较宽。8/29/2022107(2)光照特性 不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的；短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的；光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用 ；注：光电池的内阻随着光照度的增加而减小。8/29/2022108负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽 8/29/202210

34、9(3)频率响应 指输出电流随调制光频率变化的关系 硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换 8/29/2022110 (4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标 硅光电池的温度特性(照度1000lx)8/29/2022111 (5)稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺使用环境条件 8/29/20221124.1.6 光电式传感器的应用利用光源发出一个恒定光通量的光，并使之穿过被测对象，其中一部

35、分光被吸收，其余的光则到达光电元件上，转变为电信号输出；光电元件上输出的光电流是被测对象所吸收光通量的函数；应用在测量液体、气体和固体的透明度和浑浊度等参数。8/29/2022113将恒定光源发出的光透射到被测对象上，由光电元件接收其反射光通量；反射光通量的变化反映出被测对象的特性，如通过光通量变化的大小，可以反映出被测量物体的表面光洁度；通过光通量的变化频率，可以反映出被测量物体的转速。8/29/2022114光源本身就是被测对象，即被测对象就是辐射源；光电元件接收辐射能的强弱变化；光通量的强弱与被测参数有关（如温度的高低）。8/29/2022115在光源与光电元件间的光路上，有物体时，光路

36、被切断，没有物体时，光路畅通；光敏元件上表现有光就有电信号，无光时则无电信号，即仅为“1”，“0”两种开关状态；应用在开关、计数及编码上。8/29/20221161. 模拟式光电传感器基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数 。对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。8/29/2022117光电比色高温计 1物镜；2平面玻璃；3光阑；4光导棒；5分光镜；6滤光片；7硅光电池；8滤光片；9硅光电池；10瞄准反射镜；11圆柱反射镜；12目镜；13多夫棱镜14、15硅光电池负载电阻；16可逆电机；1

37、7电子电位差计8/29/20221182. 脉冲式光电传感器 光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。 光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。8/29/2022119光电式数字转速表 8/29/2022120五、光谱特性 光 谱光波： 波长为10106nm的电磁波紫外线：波长10380nm 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线可见光：波长380780nm红外线

38、：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m8/29/2022121钨丝灯的相对光谱功率分布钨丝灯发出的光中有很多是我们看不见的8/29/2022122峰值波长和温度的关系：温度升高向短波方向移动 例1：烧红的火钳 0.6 微米 0.7 8微米 35微米 814 微米温度高通红温度低暗红8/29/2022123人工光源，如黑体辐射器、白炽灯、激光器等，可组成主动探测系统，其信息源来自人造光源对目标的反射、透射和散射等光辐射，它一般需要人为精心设计光发射系

39、统，如激光制导、光电精密微小尺寸测量、光电磁场测量8/29/2022124 漆黑环境中的人和铁丝网的温差温度低温度高自然光源，如太阳、导弹尾焰、人体等，可组成被动探测系统，其信息源直接来自目标自身的辐射或外来光辐射，它没有人为的光发射系统，如天文光电探测、红外跟踪制导、微光夜视仪8/29/2022125例1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可以通过光在烟道里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收和折射增加，到达光检测器的光减少

40、，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。8/29/2022126平行光源光电探测放大显示刻度 校正报警器吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道8/29/2022127脉冲式光电传感器光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。8/29/2022128例2光电式数字转速表 8/29/2022129 在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光

41、与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。 在待测转速轴上固定一带孔的转速调制盘，在调制盘一边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齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。8/29/2022130光电池应用 光电池主要有两大类型的应用：1）将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是人们探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池将获

42、得更广泛的应用。8/29/2022131例3太阳电池电源 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，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 直流负载阻塞二极管阻塞二极管是用来控制光伏系统中电流的。任何一个独立光伏系统都必须有防止从蓄电池流向阵列的反向电流的方法或有保护或失效的单元的方法。 8/29/20221322）将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中

43、。8/29/20221334.2 光电码盘数字式传感器: 把输入量转换成数字量输出优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。8/29/2022134 最简单的数字式传感器是编码器，它能把角位移或线位移经过简单的转换变成数字量，相应的编码器是角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）。比相同尺寸的模拟式传感器具有更高的分辨率、可靠性和精度。原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等其中，光电式性价比最高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前我国已有23位光电编码器，为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对

44、位移量进行精密检测的手段。8/29/20221354.2 光电码盘4.2.1 工作原理4.2.2 码盘和码制4.2.3 二进制码与循环码的转换4.2.4 分类4.2.5 应 用8/29/20221364.2.1 工作原理光电码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。1光源 2柱面镜 3码盘 4狭缝 5光电元件 8/29/2022137工作原理由光源1发出的光线，经柱面镜2变成一束平行光或会聚光，照射到码盘3上。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道， 每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线经狭缝4后，形成一束很窄的光

45、束照射在元件5上。8/29/2022138光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。 当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。8/29/20221394.2.2 码盘和码制 根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。 8/29/2022140二进制码盘主要特点： （1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n， 其最小分辨力136002n； 对应于五个码道， 1 36002n 360/2511.25o ； 对于21个码道，1 0.618”（

46、2）二进制码为有权码，编码Cn，Cn-1，C1对应于由零位算起的转角为：（3）码盘转动中，Ci变化时，所有Cj(ji)应同时变化。8/29/2022141N=an-1rn-1an-2rn-2a0r0a-1r-1a-mr-mr进制数的十进制数N可表示 为：R进制数用 r个基本符号（例如0，1，2，r-1）表示系数基数权系数678.34=6102+7101+8100 +310-1+410-28/29/2022142误差问题?1） 编码器的精度取决于码盘的精度，分辨率则决定于码道的数目。 措施：需要增大码盘的尺寸以容纳更多的码道 （对工艺提出很高要求），易产生衍射。2）同步困难：相邻两码之间若有一个

47、码道提前或延后，会造成读码误差。8/29/2022143 采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只要有一个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。8/29/2022144粗大误差测量时疏忽，如读数错、记录错、操作失误等。测量条件发生突变，如温度突然剧烈变化、电源电压突变等。注：粗大误差明显歪曲测量结果。测量或数据处理中，判断如果是粗差，应舍弃不用。1.定义：超出规定条件下预期的误差，简称粗差，或称寄生误差。2.产生原因：包括外界条件的客观和测量人员的主观因素因素两方面。8/29/202

48、2145消除粗大误差方法：双读数头法循环码代替二进制码双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。 8/29/2022146(1)双读数头法C1码道只有一个读数狭缝，其它码道都有两个狭缝；两个狭缝之间的距离不超过该码道分度间隔的一半；同一个码道上的信号由两个读数头分别读出两个值Ai和Bi8/29/2022147该码道的读数由前一码道的值判断决定，如上图；只要由于刻划等原因造成的总误差不超过相应码道两个狭缝之间的距离，就不会产生出大误差。8/29/2022148(2) 循环码代替二进制码(1)n位循环码码盘具有2n种不同编码；(2)循环码码盘具有轴对称性

49、，其最高位相反，其余各位相同；(3)循环码为无权码；8/29/2022149循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。 8/29/20221504.2.3 二进制码与循环码的转换4位二进制码与循环码的对照表遵循输入取值不同为“1”,取值相同为“0”的规律8/29/2022151循环码特点（1）具有多种编码形式，但都有一个共同的特点，就是任意两个相邻的循环码仅有一位编码不同。这个特点有着非常重要的

50、意义。例如四位二进制计数器：在从0101变成0110时，最低两位都要发生变化。当两位不是同时变化时，如最低位先变，次低位后变，就会出现一个短暂的误码0100。采用循环码表示时，因为只有一位发生变化，就可以避免出现这类错误。8/29/2022152（2）循环码是一种无权码，每一位都按一定的规律循环。8/29/20221538/29/2022154二进制码转换为循环码的电路 (a) 并行变换电路 (b)串行变换电路 8/29/2022155循环码转变为二进制码的电路 (a) 并行变换电路 (b)串行变换电路 循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码。 8/29/2022156单盘与多盘编码器:单盘编码器:全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方便。但当位数要求增多的情况下，若要求具有很高的分