传感器与检测技术-光电式传感器及应用

光电式传感器及应用2023/10/31引言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。2023/10/32主要内容6.1光电效应及光电元器件6.2光电式传感器的实用电路6.3光纤传感器6.4红外传感器2023/10/336.1光电效应及光电元器件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hν正比于光的频率ν（h普朗克常数）。每个光子具有的能量为E=hν

6.1.1光电效应及分类2023/10/34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hν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。2023/10/35光电响应的类型（1）外光电效应。真空管元件（2）内光电效应。（3）光生伏特效应。（2）、（3）类属于半导体元件。2023/10/36光学单位流明（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。2023/10/376.1.2光电元器件及基本测量电路（1）结构与工作原理。它们是利用外光电效应制成的光电元件。

1．光电管、光电倍增管光电管的结构2023/10/38光电子的能量当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，自由电子就可以克服金属表面束缚而逸出，形成逸出电子。这种逸出的电子称为光电子，光电子逸出金属表面的初速度υ可由爱因斯坦光电效应方程确定。（1/2）mυ2=hν−A

2023/10/39特点当阴极金属材料选定后，要使阴极金属表面有电子逸出，入射光的频率ν要大于某一最低限度，否则当hν小于A时，不管光通量有多大，都不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。当hν大于A时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流Iφ就越大。2023/10/310光电管符号及测量电路光电管正常工作时，阳极电位高于阴极电位。在入射光频率大于“红限”的前提下，当光电管阳极加上适当电压（几十伏）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。2023/10/311光电倍增管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二次发射倍增系统2023/10/312结构示意图在它的阴极与阳极之间设置许多二次倍增极D1、D2、D3、……，它们又称为第1倍增极、第2倍增极……，相邻电极之间通常加上100V左右的电压，其电位逐级提高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差一般在。600～1

200V左右。

光电倍增管结构示意图2023/10/313光电倍增管的基本电路2023/10/314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9～11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。2023/10/315光电倍增管的稳定性各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、…、Rn获得的，阳极电流流经电阻RL得到输出电压Uo。当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容C­1、C2、…、Cn和输出隔离电容C0都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接。当入射光通量为脉冲量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接入隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接入，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。2023/10/316（2）光电管特性①光电特性。光电管光电特性曲线2023/10/317②伏安特性。2023/10/318③光谱特性。2023/10/319其他特性光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性，暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和有关手册合理选用。2023/10/3202．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2023/10/321（1）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。2023/10/322光敏电阻

当光敏电阻受到光照时，阻值减小。2023/10/323（2）光敏电阻的基本特性和主要参数。①暗电阻和暗电流。②亮电阻和亮电流。③伏安特性。光敏电阻的伏安特性2023/10/324（2）光敏电阻的基本特性和主要参数（续）④光电特性。⑤光谱特性。某光敏电阻的光电特性光敏电阻的光谱特性2023/10/325（2）光敏电阻的基本特性和主要参数（续）⑥响应时间。⑦温度特性。2023/10/326常用光电导材料光电导器件材料禁带宽度/eV光谱响应范围/nm峰值波长/nm硫化镉（CdS）2.45400～800515～550硒化镉（CdSe）1.74680～750720～730硫化铅（PbS）0.40500～3

0002

000碲化铅（PbTe）0.31600～4

5002

200硒化铅（PbSe）0.25700～5

8004

000硅（Si）1.12450～1

100850锗（Ge）0.66550～1

8001

540锑化铟（InSb）0.16600～7

0005

500砷化铟（InAs）0.331

000～4

0003

5002023/10/3273．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2023/10/328（1）光敏晶体管结构与工作原理①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—正极引脚6—N型衬底7—SiO2保护圈

8—SiO2透明保护层9—铝引出电极10—P型扩散层11—PN结12—金属引出线2023/10/329光敏二极管外形

光敏二极管阵列

包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。2023/10/330红外发射、接收对管外形

红外发射管红外接收管2023/10/331②光敏三极管集电极电流是原始光电电流的β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2023/10/332②光敏三极管外形

2023/10/333③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，在自动检测控制和日常生活中应用会越来越广泛。2023/10/334光敏晶闸管外形光敏面2023/10/335（2）光敏晶体管的基本特性。①光谱特性。

图6-16光敏晶体管的光谱特性

1—硅光敏晶体管2—锗光敏晶体管2023/10/336②伏安特性2023/10/337③光电特性

图6-18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2023/10/338④温度特性⑤频率特性⑥响应时间

2023/10/3394.光电池光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出光电流。常用的光电池有两种，一种是金属—半导体型，另一种是PN结型，如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。2023/10/340硅光电池的结构及工作原理用导线连接P区和N区，电路中就有电流流过2023/10/341光电池外形光敏面2023/10/342能提供较大电流的大面积光电池外形2023/10/343光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用2023/10/344（2）光电池的基本特性①光谱特性②光电特性③温度特性④频率特性2023/10/345光电池和光谱特性曲线1—硅光电池2—硒光电池

硅光电池的光电特性1—开路电压特性曲线2—短路电流特性曲线光电池的温度特性光电池的频率特性（3）短路电流的测量Uo=-URf

=-I

Rf该电路的输出电压Uo与光电流I

成正比，从而达到电流/电压转换关系。光电池短路电流测量电路2023/10/3475.光电耦合器件由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。2023/10/348（1）光电耦合器光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器，它具有抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。光电耦合器组合形式2023/10/349（2）光电开关光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。2023/10/350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2023/10/351

光电开关外形2023/10/352应用范围用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高—低”之分即可。2023/10/353光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。2023/10/354（3）光电断续器工作原理与光电开关的相同，但其光电发射器、接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以两者能可靠地对准。分为遮断型和反射型2种。2023/10/355

光电断续器1—发光二极管2—红外光3—光电元件4—槽5—被测物2023/10/356光电断续器外形2023/10/357光电断续器外形（续）红色光柱2023/10/358

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=？n2023/10/3596.2光电式传感器的实用电路非接触式测量，由光源、光学通路和光电元件3部分组成。按照被测物、光源、光电元件三者之间的关系4种类型1—被测物2—光电元件3—恒光源2023/10/360光电式传感器的几种形式1—被测物2—光电元件3—恒光源2023/10/3611.高温比色温度仪根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长λ1、λ2上的辐射强度、之比与该物体的温度成指数关系，即K1、K2是与λ1、λ2及物体的黑度有关的常数。2023/10/362使用光电池制作非接触测温的高温比色温度仪1—高温物体2—物镜3—半反半透镜4—反射镜5—目镜6—观察者眼睛7—光阑8—光导棒

9—镜10、12—滤光镜11、13—硅光电池14、15—电流/电压转换器2023/10/3632.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。2023/10/364光电比色仪原理图1—光源2—光透镜3—滤色镜4—标准样品5—被检

测样品6、7—光电池8—差动放大电路9—指示仪表2023/10/3653.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。2023/10/366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2023/10/3674.物体长度及运动速度的检测光电元件检测运动物体的速度1—光源A2—光敏元件VA3—运动物体4—光源B5—光敏元件VB6—RS触发器2023/10/368

6.3光纤传感器6.3.1光纤传感器概述20世纪70年代中期发展起来

优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和pH值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。2023/10/369分类光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为2～12μm，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。2023/10/370各种装饰性光导纤维2023/10/371

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。上海东方明珠2023/10/3726.3.2光纤的结构和传输原理光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构如图6-36所示。中心的圆柱体叫做纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。1．光纤的结构2023/10/373光纤的结构2023/10/374光纤的结构

2023/10/375光纤传感器外形

2023/10/3762.光纤的传输原理光纤的传输是基于光的全内反射。2023/10/377只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的光纤集光本领的术语叫数值孔径NA

NA=sinθc=数值孔径反映纤芯接收光量的多少。2023/10/3786.3.3光纤传感器一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，从而使光纤被拉伸，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。1．光纤加速度传感器2023/10/379光纤加速度传感器组成结构简图2023/10/3802.液位的检测技术在球状对折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射回来，由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近，反射光强度越小。显然，传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。因此，该传感器可用于液位报警。若以探头在空气中时的反光强度为基准，则当接触水时反射光强变化–6dB～–7dB，接触油时变化–25dB～–30dB。（1）球面光纤液位传感器2023/10/381

球面光纤液位传感器2023/10/382（2）斜端面光纤液位传感器当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差在20dB以上。1、2—光纤3—棱镜2023/10/383（3）单光纤液位传感器将光纤的端部抛光成45°的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。2023/10/384单光纤液位传感器结构2023/10/385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。2023/10/386光纤式光电开关应用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2023/10/387光纤式光电开关应用遮断型光纤光电开关出射光纤接收光纤2023/10/388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2023/10/3896.4红外传感器（1）红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。2023/10/3906.4.1红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线波长范围大致在0.76～1

000μm

红外辐射的物理本质是热辐射以波的形式在空间直线传播的是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，统称它们为“大气窗口”。2023/10/391电磁波谱图2023/10/3926.4.2红外探测器红外传感器一般由光学系统、探测器、信号