传感器-第2章(光电式)

第2章光电式传感器1

1、什么是外光电效应、光电管？对不同频率的光，其光子能量是不同的，频率越高，光子能量越大。用光照射某物体，可以看作物体受到连串能量为hν的光子所轰击，组成该物体的材料吸收光子能量发生相应电效应的物理现象称光电效应。在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管等。

第2章光电式传感器1

紫外管外形当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线第2章光电式传感器1

外光电效应光电管的外形如图8-1所示，光电阴极K和光电阳极A封装在真空玻璃管内。当入射光线穿过光窗照到光电阴极上时，由于外光电效应，光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下，光电子在极间作加速运动，最后被高电位的阳极接收，在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。如果在外电路中串入一只适当阻值的电阻，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函数关系，从而实现了光电转换，如图8-2所示。

第2章光电式传感器1

图8-1光电管的结构图8-2符号和测量电路电子逸出金属表面的速度可由能量守恒定律定义式中——电子质量；

——金属材料(光电阴极)逸出功。第2章光电式传感器2

2、什么是光电倍增管？光电管的灵敏度较低，在微光测量中通常采用光电倍增管，如图8-3所示。光电倍增管由真空管壳内的光电阴极、阳极以及位于其间的若干个倍增极构成。工作时在各电极之间加上规定的电压。当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子，光电子在电场的作用下逐级轰击次级发射倍增极，在末级倍增极形成数量为光电子的106～108倍的次级电子。众多的次级电子最后为阳极收集，在阳极电路中产生可观的输出电流。光电倍增管主要应用于紫外/可见/近红外光光度计

，旋光仪、糖度计

，发光分光光度计等。

第2章光电式传感器2

光电倍增管3、什么是内光电效应、光敏电阻？在光线作用下能使物体电阻率发生变化的现象称为内光电效应，也称光电导效应。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）第2章光电式传感器3

光敏电阻光敏电阻是一种利用光敏感材料的内光电效应(光导效应)制成的光电元件。它具有精度高、体积小、性能稳定和价格低等特点，所以被广泛应用在自动化技术中作为开关式光电信号传感元件。第2章光电式传感器

3第2章光电式传感器3

在无光照射时，光敏电阻呈高阻，回路中仅有微弱的暗电流通过。在有光照射时，光敏材料吸收光能，使电阻率变小，呈低阻态，从而在回路中有较强的亮电流通过。光照越强，阻值越小，亮电流越大。如果将该亮电流取出，经放大后即可作为其他电路的控制电流。当光照射停止时，光敏电阻又逐渐恢复原值呈高阻态，电路又只有微弱的暗电流通过。图8-44、光电二极管、光电三极管的结构？光电特性？

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。

第2章光电式传感器4

光敏二极管光敏二极管在电路中的符号如图8-5所示。光敏二极管的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光的照射。使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。即光敏二极管在电路中处于反向偏置状态。无光照时，与普通二极管一样，反向电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏电流，称暗电流。(a)结构模型和符号(b)基本电路图8-5光敏二极管第2章光电式传感器4

光敏三极管外形

第2章光电式传感器4

伏安特性曲线图8-6紫外线光电管的伏安特性1—低照度时的曲线；2—紫外线增强时的曲线指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。如图8-6所示当阳极电压UA小于Umin时，光电流I∮随UA的增高而增大；当UA大于Uz时，I∮将急剧增加。只有当UA在中间范围时，光电流I∮才比较稳定。故光电管的阳极电压应选择在UQ附近。第2章光电式传感器4

光敏三极管内部结构a)

内部组成b)管芯结构c）结构简化图

1—集电极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜

5—发射极引脚6—N+衬底7—N型集电区8—SiO2保护圈9—集电结10—P型基区11—N型发射区12—发射结

第2章光电式传感器4

光电特性

0光照

光电流光敏三极管光敏二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低0.3mAIΦE第2章光电式传感器4

光电器件的应用

(a)被测物是光源(b)被测物吸收光通量

(c)被测物是有反射能力的表面(d)被测物遮蔽光通量图8-41模拟式光电传感器几种常见形式第2章光电式传感器5

5、请举光源本身是被测物的光电传感器应用实例。光电池（外加柔光罩）被测物是光源，它可以直接照射在光电元器件上，也可以经过一定的光路后作用到光电元器件上，光电元器件的输出反映了光源本身的某些物理参数。如照度计。第2章光电式传感器5

6、请举被测物吸收光通量的光电传感器应用实例。恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数，如下图所示。如测量透明度和浑浊度等。第2章光电式传感器6

光电式浊度计工作原理

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

第2章光电式传感器6

烟雾报警器外形

无烟雾时，光敏元件接收到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。

烟雾报警第2章光电式传感器6

无线烟雾报警器内部结构

可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器第2章光电式传感器6

（1）光电式转速表

n=60(f/z)

光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体反射到光电元器件上。反射光通量取决于反射表面的性质、状态和与光源之间的距离。

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。7、请列举被测物体反射光通量的光电传感器实例。第2章光电式传感器7

（2）.反射式烟雾报警器

在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。第2章光电式传感器7

光电自动门自动门光电传感器放大图有效检测区域第2章光电式传感器7

8、请举被测物遮挡光通量的光电传感器应用实例。从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。应用实例如带材跑偏检测、工件尺寸测量和振动测量等。第2章光电式传感器8

（1）.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。

第2章光电式传感器8

带材纠偏系统第2章光电式传感器8

9、分别用图片介绍对射式、镜反射式、漫反射式、槽式、光纤式光电传感器的用法。光电开关是用来检测物体的靠近和通过等状态的光电传感器。它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的(即电缘绝)，即“通”与“断”的开关状态，所以它可以在许多场合得到应用。第2章光电式传感器9

第2章光电式传感器9

第2章光电式传感器9

第2章光电式传感器9

光电开关外形：对射式第2章光电式传感器9

光电开关外形：槽式第2章光电式传感器9

典型的光电开关结构

1—发光元件2—接收元件3—壳体

4—导线5—反射物6—窗体第2章光电式传感器9

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。光电开关的应用请写出转速与频率的关系式n=？n第2章光电式传感器9

光电开关外形：镜反射式第2章光电式传感器9

光电开关外形：漫反射式第2章光电式传感器9

光电开关外形：光纤式第2章光电式传感器9

10、什么是计量光栅？莫尔条纹工作原理？举例？计量光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列成的光电器件。光栅传感器是利用光栅莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器。由于光栅具有结构原理简单、计量精度高和分辨力强等优点，广泛应用于数控机床的位置检测，以及高精度机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度和振动等方面。第2章光电式传感器10

莫尔条纹第2章光电式传感器10

（1）莫尔条纹移动方向与两光栅相对移动方向垂直。（2）莫尔条纹有位移的放大作用。

第2章光电式传感器10

第2章光电式传感器10

光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移，若用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。第2章光电式传感器10

第2章光电式传感器10

尺身尺身安装孔反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅第2章光电式传感器10

扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续）第2章光电式传感器10

第2章光电式传感器11

11、什么是光纤传感器？其在检测液位、温度方面怎么应用？第2章光电式传感器11

光纤传感器

光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。

第2章光电式传感器11

发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。东方明珠第2章光电式传感器11

光纤传感器外形第2章光电式传感器11

光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。

第2章光电式传感器11

光的全反射

当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。第2章光电式传感器11

光在光纤中的全反射第2章光电式传感器11

光纤的结构

第2章光电式传感器11

光缆的外形及光纤的拉制第2章光电式传感器11

与光纤耦合的电光与光电转换器件

实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。

第2章光电式传感器11

激光二极管的外形

激光二极管芯片第2章光电式传感器11

专用的光纤连接头及光纤插座

光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。

第2章光电式传感器11

光纤液位传感器

传感器处于空气中比处于液体中的反射光强要大。第2章光电式传感器

11光纤温度传感器

辐射温度传感器属于被动式温度测量，即无需光源。被测辐射热能由探头中物镜会聚，经滤色镜限制工作光谱范围后，将光经光纤送到探测器，由探测器把光强信号变换成电信号，就可由数字仪器读出温度。第2章光电式传感器11

光纤加速度传感器

激光束通过分光板后分为参考光束与测量光束。当传感器受加速度时，由于质量块对光纤的作用使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。第2章光电式传感器11

反射型遮断型反射镜反射型第2章光电式传感器11

遮断型光纤光电开关出射光纤接收光纤光纤式光电开关应用第2章光电式传感器11

光纤的其他应用

军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。光纤内窥镜第2章光电式传感器12

12、什么是红外线传感器？有什么应用？红外辐射俗称红外线，红外线是位于可见光中红光以外的人眼看不见的光线。但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。它的波长范围大致在0.75～1

000µm的频谱范围之内。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。第2章光电式传感器12

红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计用于温度测量第2章光电式传感器12

红外线辐射温度计外形第2章光电式传感器12

光幕第2章光电式传感器12

光幕第2章光电式传感器12

编码器第2章光电式传感器12

耳温仪红外线传感器利用红外辐射的热效应，传感器吸收辐射能后引起温度升高，使其他物理量变化。热释电元件基于物体的热效应，首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号，包括了光—热—电两次信息变换过程。第2章光电式传感器12

比色式温度传感器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，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准,测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。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。

第2章光电式传感器12

热释电传感器

热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。

热释电元件外形第2章光电式传感器12

热释电传感器工作原理

热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。

第2章光电式传感器12

菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片第2章光电式传感器12

菲涅尔透镜外形

传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。第2章光电式传感器12

热释电套件第2章光电式传感器12

热释电报警器（续）

吸顶式热释电报警器第2章光电式传感器12

热释电传感器应用

热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗热释电传感器的感应范围第2章光电式传感器12

热释电传感器在智能空调中的应用智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。

空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。上下范围左右范围标志孔电路板标志检测

当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。光纤耦合器传输光纤出射光纤第2章光电式传感器设计题1

采用遮断型光纤光电开关对IC

芯片引脚进行检测第2章光电式传感