传感器原理与应用-(第二版)-第七章课件

11223x1光源光通路光电器件测量电路光量光量电量x2输出X1——被测量直接引起光源光量的变化X2——被测量在光传播过程中调制光量对光量的调制方法：第七章光电式传感器3x1光源光通路光电器件测量电路光量光量电量x2输出X1——4一、光源1、常用光源常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体放电光源发光二极管激光器GaP、SiC可见光LEDGaAs红外LED4一、光源1、常用光源常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体5——不同频率或波长的光具有不同的能量二、光电效应波动性：以光速运动，干涉、衍射粒子性：具有一定的质量和能量的粒子光——以光速运动的粒子流波粒二象性5——不同频率或波长的光具有不同的能量二、光电效应波动性：6金属金属氧化物半导体光照

电子——光电效应是光电传感器的基本转换原理光照

半导体

电子在物体内部运动内光电效应金属金属氧化物光照

电子逸出物体表面外光电效应1、定义及分类6金属光照电子——光电效应是光电传感器的基本7——只有当入射光能量大于电子逸出功时，才能产生光电子，红限频率——光电流与入射光强成正比——光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压——从光照至发射电子，时间<10-9s2、外光电效应电子吸收光子能量克服物质的束缚，电子逸出功转化为逸出电子的动能7——只有当入射光能量大于电子逸出功时，——光电流与入射83、内光电效应光生电子-空穴对光电导效应光生伏特效应载流子数目增多、电导率变大条件：入射光能量大于半导体材料的禁带宽度4、光电导效应83、内光电效应光生电子-空穴对光电导效应光生伏特效应载流子9——对于每种半导体材料存在一个入射光的波长限——入射光光强愈强，电导率愈大——入射光波长——禁带宽度光照下，使半导体产生一定方向电动势的现象。4、光生伏特效应9——对于每种半导体材料存在一个入射光的波长限——入射光10三、光电器件1、光电管10三、光电器件1、光电管11光谱特性：工作电压不变，入射光波长与灵敏度（量子效率）的关系光谱特性取决于阴极材料，不同阴极材料的光电管其灵敏度分布不同0.20.40.625201510500.20.40.60.81.00.50.40.30.20.111光谱特性：工作电压不变，入射光波长与灵敏度（量子效率）的12伏安特性：一定光通量照射下，光电管阳极与阴极间的电压与电流的关系。光照特性：光电管工作电压一定时，入射光通量与光电流的关系20406080100120432100.511.52.02.580604020012伏安特性：一定光通量照射下，光电管阳极与阴极间的电压与电132、光电倍增管光电倍增极：12-14级K132、光电倍增管光电倍增极：12-14级K14•灵敏度高光电管：0.1lm光通量

5uA光电流光电倍增管：

0.0001lm光通量

1000uA光电流光电倍增系数14•灵敏度高光电管：0.1lm光通量光电倍增管：光15250500750100012501500106

105

104

103

102

5010015012108642015250500750163、光敏电阻163、光敏电阻17光敏电阻的伏安特性50100654

32

10

0.20.40.60.81.01.20.300.250.20

0.150.10

0.05非线性：不适合于作测量元件17光敏电阻的伏安特性180.5

1.01.52.02.53.03.510080

60

4020

0光敏电阻硫化铅的温度特性01.02.03.04.010080

6040

20180.51194、光电池电压源：将光量转变为电动势硒光电池硅光电池硅光电池硅光电池的结构194、光电池电压源：将光量转变为电动势硒光电池硅光电池硅光20硅光电池的光谱特性0.2

0.40.60.81.01.210080

60

4020

0硅光电池的光照特性0

2000

40006000

8000100000.60.5

0.4

0.30.2

0.1

100

80

6040

2020硅光电池的光谱特性0.20.421提高光电转换能力：面积大、浅结的PN结5、光敏二极管管芯结构光敏二极管电路21提高光电转换能力：5、光敏二极管管芯结构光敏二极管电路22光敏二极管的光谱特性曲线250

5007501000125015001750200010080

60

4020

022光敏二极管的250232、高速光电二极管光电转换效率高漂移时间小，响应速度高（1）PIN结光电二极管232、高速光电二极管光电转换效率高漂移时间小，响应速度高（24（2）APD雪崩式光电二极管高掺杂浓度的P+层，响应时间极短碰撞电离，二次电子发射雪崩倍增，灵敏度高24（2）APD雪崩式光电二极管高掺杂浓度的P+层，碰撞电离256、光敏三极管种类：NPN、PNP电极：通常2个，无基极结构：基区面积大发射区面积小放大：两个PN结光敏三极管的芯片结构光敏三极管的电路256、光敏三极管种类：NPN、PNP电极：通常2个，无基极26光敏三极管的光谱特性400

6008001000120014001600180010080

60

4020

0246810121443210光敏三极管伏安特性26光敏三极管的光谱特性40027光敏三极管的光照特性20040060080010004

3

21

027光敏三极管的光照特性20028四、光电传感器的应用光电开关遮断型反射型遮断型光电开关示意图Object光发射器光接收器例1：光电开关

28四、光电传感器的应用光电开关遮断型反射型遮断型光电开关示292930门窗防盗控制自动扶梯自动启停1、对射式光电开关汽车通过检测汽车喷涂控制30门窗防盗控制自动扶梯自动启停1、对射式光电开关汽车通过检31对射式光电开关鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制31对射式光电开关鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制32围墙监护警戒2、远距对射式光电开关库房卫士安全警戒32围墙监护警戒2、远距对射式光电开关库房卫士安全警戒33反射式光电开关检测距离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额定距离33反射式光电开关检测距离漫反射光线反射光线被检测物体光发射343、反射式光电开关料位控制烟雾报警带材对中控制缺料检测343、反射式光电开关料位控制烟雾报警带材对中控制缺料检测35斜度检测反射式光电开关裂缝检测透明玻璃瓶检测长度控制35斜度检测反射式光电开关裂缝检测透明玻璃瓶检测长度控制36限距式光电开关产品计数液位检测气流量监测检测有无盖36限距式光电开关产品计数液位检测气流量监测检测有无盖37限距式光电开关料径控制行程控制转速监测超速或滞速判别37限距式光电开关料径控制行程控制转速监测超速或滞速判别38接收器4.光幕38接收器4.光幕39光幕传感器自动装配机的侵入检测机器人工作区安全检测车库门车辆通过检测上料机和卸料机的侵入检测39光幕传感器自动装配机的侵入检测机器人工作区安全检测车库门40产品高度测量光幕传感器40产品高度测量光幕传感器41三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量光幕传感器41三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量光幕传感器42木材外形截面积检测光幕传感器纠偏42木材外形截面积检测光幕传感器纠偏43光幕用于自动收费系统的车辆检测43光幕用于自动收费系统的车辆检测44例2：路灯自动控制器220VCJD-10路灯8VC1200uC2200u

R1470kR2200kR310kR457k

R54.3kR625kR710kR8280kJC3100u

BG1BG2BG3BG42CR天黑：BG1导通，J动作，路灯亮；天亮：光电池电动势，BG1截止，J释放，路灯灭。44例2：路灯自动控制器220VCJD-10路灯8V45例3：光电管在电影放映机上的应用影片声音重放过程录制：声音-机械振动-通过光束宽度变换-记录在电影胶片上-宽度不同的影像声迹重放：光-声迹-光电管声迹宽度起伏变化-光线强弱变化-光电流变化45例3：光电管在电影放映机上的应用影片声音重放过程录制：46例4：注油液位控制装置46例4：注油液位控制装置47例5：测量心率脉搏跳动-生物组织血液量变化-传输光的性能变化变化速率-心率手指光反射强度变化的测量47例5：测量心率脉搏跳动-生物组织血液手指光反射强度变化的48例6：条形码扫描笔48例6：条形码扫描笔49例7：戒烟缸弹烟灰：显示“吸烟有害健康”49例7：戒烟缸弹烟灰：显示“吸烟有害健康”50例8：大米分选机大米及杂质在光照下，发出不同光信号50例8：大米分选机大米及杂质51例9：可逆计数器运动方向出入场人数统计51例9：可逆计数器运动方向出入场人数统计52例10：吸收式烟尘浊度检测仪白炽平行光源光检测放大显示报警器刻度校正烟雾52例10：吸收式烟尘浊度检测仪白炽平光检测放大显示报警器刻53参比通道

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

1—恒流源2—半导体激光器3—半反半透镜4—反射镜5—被测水样6、9—光电池7、10—电流/电压转换器8—标准水样

53参比通道光电式浊度计和含沙量测量将装有浊水的试管插入仪54例11：工件表面粗糙度及尺寸测量54例11：工件表面粗糙度及尺寸测量55例12：光电数字转速表55例12：光电数字转速表56第二节固态图像传感器一、CCD的结构和基本原理MOS电容器件+输入输出端=CCD光敏元件阵列电荷转移器件：CCD光固态图像传感器56第二节固态图像传感器一、CCD的结构和基本原理MOS电57耗尽区：电极加正偏压，排斥空穴，无空穴的区域偏压越大，耗尽区越深电荷包：少数载流子（电子）吸引到最高正偏压电极下势阱：加偏压后在金属电极下形成的深耗尽层，阱内存储少子57耗尽区：电极加正偏压，排斥空穴，无空穴的区域电荷包：少数58电荷（少子）定向转移——三相控制方式经过一个时钟脉冲周期，电荷从前一级的一个电极下，转移到下一级的同号电极下。——电荷定向转移58电荷（少子）定向转移——三相控制方式经过一个时钟脉冲59二、线阵CCD图像传感器（1）单行结构光积分：光照感光单元、光生电子-空穴对（光电子）积累光电荷：与光照强度、光积分时间成正比电荷转移：转移栅高电位——电子通道梳状电极高→低，CCD电极高电位——流向定向输出：转移栅高→低，梳状电极低→高

CCD加时钟脉冲，串行输出——重复进行，相继的行输出，读出电荷图形59二、线阵CCD图像传感器（1）单行结构光积分：光照感光单60尺寸检测（2）双行结构60尺寸检测（2）双行结构61三、线型CCD图像传感器的应用处理、显示驱动电路——透镜焦距——光学放大倍数——CCD像素间距——CCD像素数61三、线型CCD图像传感器的应用处理、显示驱动电路——透62驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统四、面阵CCD图像传感器——在x、y两个方向上都能实现电子自扫描组成：感光区、信号存储区、输出转移部分62驱动电路分类机构计算机细化二值化传送带CCD透镜1分类箱63图钞票检查系统原理图物体缺陷检测63图钞票检查系统原理图物体缺陷检测64165266x1光源光通路光电器件测量电路光量光量电量x2输出X1——被测量直接引起光源光量的变化X2——被测量在光传播过程中调制光量对光量的调制方法：第七章光电式传感器3x1光源光通路光电器件测量电路光量光量电量x2输出X1——67一、光源1、常用光源常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体放电光源发光二极管激光器GaP、SiC可见光LEDGaAs红外LED4一、光源1、常用光源常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体68——不同频率或波长的光具有不同的能量二、光电效应波动性：以光速运动，干涉、衍射粒子性：具有一定的质量和能量的粒子光——以光速运动的粒子流波粒二象性5——不同频率或波长的光具有不同的能量二、光电效应波动性：69金属金属氧化物半导体光照

电子——光电效应是光电传感器的基本转换原理光照

半导体

电子在物体内部运动内光电效应金属金属氧化物光照

电子逸出物体表面外光电效应1、定义及分类6金属光照电子——光电效应是光电传感器的基本70——只有当入射光能量大于电子逸出功时，才能产生光电子，红限频率——光电流与入射光强成正比——光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压——从光照至发射电子，时间<10-9s2、外光电效应电子吸收光子能量克服物质的束缚，电子逸出功转化为逸出电子的动能7——只有当入射光能量大于电子逸出功时，——光电流与入射713、内光电效应光生电子-空穴对光电导效应光生伏特效应载流子数目增多、电导率变大条件：入射光能量大于半导体材料的禁带宽度4、光电导效应83、内光电效应光生电子-空穴对光电导效应光生伏特效应载流子72——对于每种半导体材料存在一个入射光的波长限——入射光光强愈强，电导率愈大——入射光波长——禁带宽度光照下，使半导体产生一定方向电动势的现象。4、光生伏特效应9——对于每种半导体材料存在一个入射光的波长限——入射光73三、光电器件1、光电管10三、光电器件1、光电管74光谱特性：工作电压不变，入射光波长与灵敏度（量子效率）的关系光谱特性取决于阴极材料，不同阴极材料的光电管其灵敏度分布不同0.20.40.625201510500.20.40.60.81.00.50.40.30.20.111光谱特性：工作电压不变，入射光波长与灵敏度（量子效率）的75伏安特性：一定光通量照射下，光电管阳极与阴极间的电压与电流的关系。光照特性：光电管工作电压一定时，入射光通量与光电流的关系20406080100120432100.511.52.02.580604020012伏安特性：一定光通量照射下，光电管阳极与阴极间的电压与电762、光电倍增管光电倍增极：12-14级K132、光电倍增管光电倍增极：12-14级K77•灵敏度高光电管：0.1lm光通量

5uA光电流光电倍增管：

0.0001lm光通量

1000uA光电流光电倍增系数14•灵敏度高光电管：0.1lm光通量光电倍增管：光78250500750100012501500106

105

104

103

102

5010015012108642015250500750793、光敏电阻163、光敏电阻80光敏电阻的伏安特性50100654

32

10

0.20.40.60.81.01.20.300.250.20

0.150.10

0.05非线性：不适合于作测量元件17光敏电阻的伏安特性810.5

1.01.52.02.53.03.510080

60

4020

0光敏电阻硫化铅的温度特性01.02.03.04.010080

6040

20180.51824、光电池电压源：将光量转变为电动势硒光电池硅光电池硅光电池硅光电池的结构194、光电池电压源：将光量转变为电动势硒光电池硅光电池硅光83硅光电池的光谱特性0.2

0.40.60.81.01.210080

60

4020

0硅光电池的光照特性0

2000

40006000

8000100000.60.5

0.4

0.30.2

0.1

100

80

6040

2020硅光电池的光谱特性0.20.484提高光电转换能力：面积大、浅结的PN结5、光敏二极管管芯结构光敏二极管电路21提高光电转换能力：5、光敏二极管管芯结构光敏二极管电路85光敏二极管的光谱特性曲线250

5007501000125015001750200010080

60

4020

022光敏二极管的250862、高速光电二极管光电转换效率高漂移时间小，响应速度高（1）PIN结光电二极管232、高速光电二极管光电转换效率高漂移时间小，响应速度高（87（2）APD雪崩式光电二极管高掺杂浓度的P+层，响应时间极短碰撞电离，二次电子发射雪崩倍增，灵敏度高24（2）APD雪崩式光电二极管高掺杂浓度的P+层，碰撞电离886、光敏三极管种类：NPN、PNP电极：通常2个，无基极结构：基区面积大发射区面积小放大：两个PN结光敏三极管的芯片结构光敏三极管的电路256、光敏三极管种类：NPN、PNP电极：通常2个，无基极89光敏三极管的光谱特性400

6008001000120014001600180010080

60

4020

0246810121443210光敏三极管伏安特性26光敏三极管的光谱特性40090光敏三极管的光照特性20040060080010004

3

21

027光敏三极管的光照特性20091四、光电传感器的应用光电开关遮断型反射型遮断型光电开关示意图Object光发射器光接收器例1：光电开关

28四、光电传感器的应用光电开关遮断型反射型遮断型光电开关示922993门窗防盗控制自动扶梯自动启停1、对射式光电开关汽车通过检测汽车喷涂控制30门窗防盗控制自动扶梯自动启停1、对射式光电开关汽车通过检94对射式光电开关鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制31对射式光电开关鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制95围墙监护警戒2、远距对射式光电开关库房卫士安全警戒32围墙监护警戒2、远距对射式光电开关库房卫士安全警戒96反射式光电开关检测距离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额定距离33反射式光电开关检测距离漫反射光线反射光线被检测物体光发射973、反射式光电开关料位控制烟雾报警带材对中控制缺料检测343、反射式光电开关料位控制烟雾报警带材对中控制缺料检测98斜度检测反射式光电开关裂缝检测透明玻璃瓶检测长度控制35斜度检测反射式光电开关裂缝检测透明玻璃瓶检测长度控制99限距式光电开关产品计数液位检测气流量监测检测有无盖36限距式光电开关产品计数液位检测气流量监测检测有无盖100限距式光电开关料径控制行程控制转速监测超速或滞速判别37限距式光电开关料径控制行程控制转速监测超速或滞速判别101接收器4.光幕38接收器4.光幕102光幕传感器自动装配机的侵入检测机器人工作区安全检测车库门车辆通过检测上料机和卸料机的侵入检测39光幕传感器自动装配机的侵入检测机器人工作区安全检测车库门103产品高度测量光幕传感器40产品高度测量光幕传感器104三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量光幕传感器41三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量光幕传感器105木材外形截面积检测光幕传感器纠偏42木材外形截面积检测光幕传感器纠偏106光幕用于自动收费系统的车辆检测43光幕用于自动收费系统的车辆检测107例2：路灯自动控制器220VCJD-10路灯8VC1200uC2200u

R1470kR2200kR310kR457k

R54.3kR625kR710kR8280kJC3100u

BG1BG2BG3BG42CR天黑：BG1导通，J动作，路灯亮；天亮：光电池电动势，BG1截止，J释放，路灯灭。44例2：路灯自动控制器220VCJD-10路灯8V108例3：光电管在电影放映机上的应用影片声音重放过程录制：声音-机械振动-通过光束宽度变换-记录在电影胶片上-宽度不同的影像声迹重放：光-声迹-光电管声迹宽度起伏变化-光线强弱变化-光电流变化45例3：光电管在电影放映机上的应用影片声音重放过程录制：109例4：注油液位控制装置46例4：注油液位控制装置110例5：测量心率脉搏跳动-生物组织血液量变化-传输光的性能变化变化速率-心率手指光反射强度变化的测量47例5：测量心率脉搏跳动-生物组织血液手指光反射强度变化的111例6：条形码扫描笔48例6：条形码扫描笔112例7：戒烟缸弹烟灰：显示“吸烟有害健康”49例7：戒烟缸弹烟灰：显示“吸烟有害健康”113例8：大米分选机大米及杂质在光照下，发出不同光信号50例8：大米分选机大米及杂质114例9：可逆计数器运动