第十章-光电传感器

第十章光电传感器

本章学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，掌握光电开关及光电断续器的使用方法。2/12/202511905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。

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第一节光电效应及光电元件

用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf的光子的轰击，组成这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。

外光电效应：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、光电摄像管等。

2/12/20253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2/12/20254光敏电阻

当光敏电阻受到光照时，阻值减小。2/12/20255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）2/12/20256光敏二极管

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。2/12/20257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。2/12/20258红外发射、接收对管外形

红外发射管红外接收管2/12/20259PIN光电二极管

PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF频带小信号开关、中波频带到1000MHZ之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开关等。特殊结构的PIN二极管还可用于测量紫外线或射线等。2/12/202510APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）硅雪崩光电二极管是采用n+p-πp+型结构的可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。2/12/202511GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数

参数单位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直径mm0.20.50.8工作电压V100~150100~150150~250暗电流nA≤15≤25≤35响应度V/w606060上升时间ns≤1≤3≤4噪声等效功率Pw/Hz1/20.050.070.09结电容pF≤1≤1.5≤2使用温度范围℃-20~+40-20~+40-20~+40封装形式

TO型

光纤型TO型TO型2/12/202512光敏二极管的反向偏置接法

在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。

2/12/202513光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示

在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。

当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。

光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照2/12/202514光敏三极管

光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。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。

2/12/202515光敏三极管外形

2/12/202516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

2/12/202517硅光敏晶体管的光谱特性

电磁波频谱2/12/202518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0.3mA请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流IΦ

IΦE2/12/202519光敏晶闸管光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，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正向阻断的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。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。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。2/12/202520光敏晶闸管外形光敏面2/12/202521基于光生伏特效应的光电元件

——光电池在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。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。

2/12/202522光电池外形光敏面2/12/202523能提供较大电流的大面积光电池外形2/12/202524其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池2/12/202525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2/12/202526光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电2/12/202527光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用2/12/202528光电池的光电特性

一个典型的硅光电池的光电特性1—开路电压曲线2—短路电流曲线

开路电压为对数特性短路电流为线性特性2/12/202529

休息一下2/12/202530第十章：第二节光电元件的基本应用电路

一、光敏电阻的基本应用电路

a）UＯ与光照变化趋势相同的电路b）UＯ与光照变化趋势相反的电路

2/12/202531二、光敏二极管应用电路

利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。

当光照增加，Ui<（1/2）VDD时，反相器翻转,输出变为什么电平？

2/12/202532光敏三极管光控继电器电路

当无光照时，V1截止，IΦ=0，则V2处于什么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与Rb2位置上下对调，其结果如何？

2/12/202533五、光电池的应用电路

——光电池短路电流测量电路

I/U转换电路的输出电压Uo与光电流IΦ成正比。若光电池用于微光测量时，IΦ可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。2/12/202534第三节光电传感器的应用

—、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）2/12/2025351.红外线辐射温度计：红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-30℃~3000℃，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。2/12/202536红外线辐射温度计外形激光仅用于瞄准2/12/202537红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计用于食品温度测量2/12/202538红外线辐射温度计

在非接触体温测量中的应用耳温仪2/12/202539红外线辐射温度计用于人体额温测量2/12/202540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2/12/202541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）2/12/202542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（电控柜、天花板内的布线层）温度采集系统2/12/202543比色式温度传感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，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。2/12/2025442.热释电传感器在人体检测、报警中的应用

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2/12/202545热释电传感器简介

热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等……您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。2/12/202546热释电传感器的内部电路两块反向串联的热释电晶片场效应管2/12/202547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。

2/12/202548菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片2/12/202549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。2/12/202550热释电套件2/12/202551热释电报警器菲涅尔透镜设定按钮高分贝喇叭2/12/202552热释电报警器（续）菲涅尔透镜Φ5mm接插件2/12/202553热释电报警器（续）吸顶式热释电报警器2/12/202554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2/12/202555热释电感应灯热释电传感器2/12/202556自动感应灯

（参考施特朗公司资料）2/12/202557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2/12/202558二、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2/12/202559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

参比通道

2/12/202560

2.烟雾报警器外形

（参考南京千里通公司无线烟雾报警器资料）

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2/12/202561无线烟雾报警器内部结构

可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器2/12/202562无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。无线发射器的报警距离在空旷地可以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到20米。2/12/202563三、被测物体反射光通量的应用实例

1.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。2/12/2025642.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)

2/12/202565水泵转速测量2/12/202566光电式转速表外形

2/12/2025673.色标传感器

色饱和图色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。人眼对各色光的敏感程度2/12/202568色标传感器的用途

现代化工业生产中，颜色检测和颜色识别等的应用越来越多。例如，在包装生产中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗口等等。色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。2/12/202569各种色标传感器外形色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色2/12/202570色标传感器外形（续）2/12/202571色标传感器在流水线上检测产品的颜色2/12/202572

用多个色标传感器测量薄板的颜色2/12/202573产品包装色彩检测、分选2/12/2025744.光电自动门自动门光电传感器放大图有效检测区域2/12/202575四、被测物遮挡光通量的应用实例

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。

2/12/202576光电式带材跑偏检测控制器原理1—

被测带材2—卷取电机3—卷取辊4—液压缸5—活塞6—滑台7—光电检测装置8—光源9、10—透镜11-光敏电阻R112—遮光罩

指针将偏向左边还是右边？2/12/202577带材纠偏系统2/12/202578

休息一下2/12/202579第十章光电传感器（下）

第四节光电开关及光电断续器

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。

2/12/202580一、光电开关的结构和分类

光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。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。遮断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。

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光电开关外形2/12/202582遮断型光电开关示意图遮断报警2/12/202583遮断式光电开关原理ObjectReceiver遮断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2/12/202584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口遮断式光电开关（计数）2/12/202585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2/12/202586光幕应用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）2/12/202587光幕应用（续）产品高度测量2/12/202588光幕应用（续）

三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量2/12/202589光幕应用（续）木材外形截面积检测2/12/202590光幕应用（续）纠偏光幕可检测出带材在卷曲过程中的偏移，经控制器和执行机构使带材向正确的方向运动（纠偏）。2/12/202591光幕应用（续）光幕用于自动收费系统的车辆检测2/12/202592光幕应用（续）锻压机床的安全区域设置及入侵报警2/12/202593光幕应用（续）安全区示警2/12/202594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。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。2/12/202595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2/12/202596反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜集发射、接收器于一身2/12/202597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2/12/202598调制型光电开关原理光电开关的LED多采用中频（40kHz左右）窄脉冲电流驱动，从而发射40kHz调制光脉冲。相应地，接收光电元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，又可减小发射LED的功耗。

2/12/202599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受器于一体。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体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。额定距离2/12/2025100漫反射型光电开关的应用请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备2/12/2025101反射型光电开关外形电源指示信号指示2/12/2025102反射型光电开关外形（续）灵敏度调节电位器2/12/2025103智能化自学习型光电开关常规反射型光电开关的动作距离是不变的（与型号有关），当检测流水线上的漫反射物体时，必须调节安装距离，十分不方便。自学习型光电开关上设置了一只阈值开关，当流水线上的被检测物体到达光电开关面前时，按下阈值开关数秒，待“学习”指示灯闪亮停止后，内部的微处理器就记住了两者之间的距离，就能在一定的允许范围内，