检测技术与仪表 10Detection(a)1,2,3学习资料

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《自动检测技术及应用》

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统一书号：ISBN978-7-111-34300-4

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第十章，第1、2、3节

4/19/20251第十章（上）光电传感器第十章（上）介绍光电效应、光电元件的分类、结构、工作原理、特性、应用电路，以及光电传感器的四种类型的应用实例。还简单介绍了光辐射的基本知识。第十章（中）介绍光电开关及光电断续器的原理及应用见。第十章（下）介绍CCD图像传感器、热成像技术、光导纤维传感器的原理及应用。4/19/2025210.1光电效应与光电元件10.2光电元件的基本应用电路10.3光电传感器的应用第十章（上）光电传感器目录进入进入进入4/19/202531905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。

用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf（或hν）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。第一节光电效应及光电元件4/19/20254光电效应的分类第一类：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光电管、光电倍增管、光电摄像管等。第二类：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。第三类：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。第一类光电元件属于玻璃真空管元件，第二、三类属于半导体元件。4/19/202551）外光电效应a)光电管b)外光电效应示意1－阳极a2－阴极k3－石英玻璃外壳4－抽气管蒂5－阳极引脚6－阴极引脚7－金属表面8－光子9－光致发射电子金属板“光电子”4/19/20256爱因斯坦光电方程

电子逸出金属表面的速度v可由

能量守恒定律确定：式中m——电子质量；W——金属光电阴极材料的逸出功；f——入射光的频率。由于逸出功与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，入射光的频率f应有一最低的限度值。当hf小于W时，即使光通量很大，照射时间很长，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。4/19/20257几种金属逸出功的近似值(eV)根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子吸收。电子吸收光子的能量hf（有时也用hν表示）后，能量增加。如果电子吸收的能量hf足够大，能够克服脱离原子所需要的能量（即电离能量）I和脱离物体表面时的逸出功W，电子就能够离开金属表面，而脱逸出来，称为“光电子”。光电子的逸出方向基本与金属板垂直。钠铝锌铜银铂2.464.084.314.704.736.35-金属束缚电子--4/19/20258光的频率、波长、光速之间的关系不同物质的相应的红限波长λ是不同的。在光电技术中，经常使用光的波长，而不是光的频率。光的波长λ与光的频率f、光速c之间的关系为λ=c/f

，c≈3×108m/s。当hf大于W时，光通量越大，撞击到阴极的光子数目也越多，逸出的电子数目也越多，光电流IΦ就越大。光速不变4/19/20259电磁波频谱（光是一种电磁波）4/19/202510光电管电路及特性金属阳极a和阴极k封装在一个石英玻璃壳内。当入射光照射在阴极板上时,光子的能量传递给阴极表面的电子,当电子获得的能量足够大时,电子就可以克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面,形成电子发射。当光电管阳极加上数十伏电压时,从阴极表面逸出的“光电子”被具有正电压的阳极所吸引,在光电管中形成电流,简称为光电流,光电流IΦ正比于光电子数,而光电子数又正比于光照度。1－低照度时的曲线

2－紫外线增强时的曲线4/19/202511光电倍增管外光电效应的典型元器件还有光电倍增管。它的灵敏度比上述光电管高出几万倍以上，在星光下就可以产生可观的电流，光通量在10-14～10-6lm（流明）的很大变化区间里，其输出电流均能保持线性。因此光电倍增管可用于微光测量,如探测高能射线产生的辉光等。但由于光电倍增管是玻璃真空器件，体积大、易破碎,工作电压高达上千伏,所以目前已逐渐被新型半导体光敏元件所取代。微弱光照4/19/202512

紫外光电管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。可见光较难引起光电子的发射。火焰的辐射光中包含了较大比例的紫外光，有别于灯光，以及纯粹的高温红外辐射。紫外线玻壳用对紫外线透光率较好的石英材料制造4/19/202513二、基于内光电效应的光电元件

1．光敏电阻在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

光敏电阻的图形符号：

构成光敏电阻的材料有：

金属的硫化物(如CdS)、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，若光子能量hf大于该半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子能量后，跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子-空穴对的出现使电阻率变小。光照越强，光生电子-空穴对就越多，阻值就越低。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。4/19/202514光敏电阻外形及结构当光敏电阻受到光照时，左右电极之间的阻值减小。4/19/202515光敏电阻原理演示

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（温度升高，暗电增大）光照产生的电流称为亮电流4/19/202516光敏电阻的特性和参数1）暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1MΩ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。2）光电特性：在光敏电阻两极电压固定不变时,光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性(非线性严重)4/19/2025173）响应时间：光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间(下降时间)才能恢复到其暗电流值，（时延特性）。光敏电阻的上升响应时间和下降响应时间约为10–2～10–3s，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。4/19/202518部分光敏电阻的特性参数4/19/202519二、光敏管光敏二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管等统称为光敏管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏晶体管的灵敏度比二极管高，但频率特性较差，暗电流也较大。目前还研制出光敏晶闸管，它的导通电流比光敏晶体管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，主要用于光耦合器（俗称光电耦合器）中。4/19/202520光敏二极管的结构光敏二极管的PN结被设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射。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－耗尽层12－金丝引出线4/19/202521光敏二极管的工作原理没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当合适波长的光照射在光敏二极管的PN结（又称耗尽层）上时，原子中的电子吸收光子的能量，变成自由光子。相应地，产生同样数量的空穴。

光照增强，产生的电子-空穴对数量也随之增加，在外加的反向电压的作用下，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，从而产生反向电流电流（称为光电流），光电流与照度成正比。4/19/202522部分光敏二极管特性参数.4/19/202523光敏二极管实物照片

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。透镜+-4/19/202524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，可用于分光镜等。4/19/202525光敏二极管伏安特性及红外发射、接收对管

红外发射管红外接收管光敏二极管的伏安特性4/19/202526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。

电路的输出电压Uo与光电流ID成正比，在一定范围内，与光照度E成正比。4/19/202527

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4/19/202528特殊光敏二极管——PIN二极管PIN光敏二极管是在P区和N区之间插入一层较厚的I本征半导体层，从而使PN结的间距加宽，结电容变小(几个pF)。因此，PIN光敏二极管的频带较宽，可达GHz数量级。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）只需十几伏，光电转换效率较高，灵敏度比普通的光敏二极管高得多。特殊结构的PIN二极管可用于测量紫外线、X射线或γ射线。PIN光敏二极管的缺点是I层电阻较大，输出电流较小，一般多为微安数量级，没有倍增效应。目前已将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上，并封装于一个管壳内，用于较短距离的光纤通信。4/19/202529PIN二极管.4/19/202530PIN二极管的PN结与内部电场.4/19/202531特殊光敏二极管——APD二极管APD光敏二极管(雪崩光敏二极管)是一种具有内部倍增放大作用的光敏二极管,灵敏度比PIN大几百倍。当有一个光子从外部射入到其PN结上时,将产生一个电子空穴对。由于PN结上施加了较高的工作电压(约100V),接近于反向击穿电压。PN结中的电场强度可达104V/mm数量级，因此能将光子所产生的光电子加速到具有很高的动能,撞击其他原子,产生新的电子空穴对,如此多次碰撞,以致最终造成载流子按几何级数剧增的“雪崩”效应,形成对原始光电流的放大作用,增益可达几千倍,而雪崩产生和恢复所需的时间可小于10ns,适用于微光信号检测以及长距离光纤通信,可以取代光电倍增管。APD光敏二极管的主要缺点：噪声大。若有用光电信号只有几个毫微瓦(nW),就会被噪声淹没。4/19/202532APD光敏二极管的PN结、内部电场分布

及电子倍增APD载流子雪崩式倍增示意图4/19/202533APD光敏二极管的

外形及用途APD二极管适用于微光测量和光纤通信。4/19/202534GD3250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4/19/202535.InGaAs近红外增强雪崩二极管特性材料InGaAs-APD工作波长/μm1.55量子效率/%75响应度/AW-10.94暗电流/nA20检测带宽/GHz3.0附加电容/pF0.5典型应用2.5Gb/s4/19/202536光敏晶体管

光敏晶体管又称“光敏三极管”，它有两个PN结。与普通晶体管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏晶体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。

4/19/202537光敏晶体管的结构a）管芯结构b)结构简化图c）光敏晶体管图形符号1－N+衬底2－N型集电区3－透光SiO2保护圈4－集电结JC5－P型基区6－发射结JE7－N型发射区4/19/202538NPN型光敏晶体管的电流增益光敏晶体管的集电结反偏，发射结正偏，有电流增益。入射光子在集电结附近产生电子-空穴对，集电极电流IC是原始光电流的β倍。光线集电结(反偏)IC=βIB大于3V4/19/202539光敏三极管的外形

多数只有C、E

两个电极CEBCE4/19/202540硅光敏晶体管的伏安特性光敏晶体管在不同照度下的伏安特性与一般晶体管在不同基极电流下的输出特性相似。光敏晶体管的工作电压一般应大于3V。若在伏安特性曲线上作负载线，便可求得某光强下的输出电压UCE。4/19/202541硅光敏晶体管的光谱特性

电磁波频谱光的辐射基础4/19/202542硅光敏

晶体管的光谱特性

电磁波频谱4/19/202543几种光敏材料的光谱峰值波长.材料名称GaAsPGaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSbGaInAsInSb峰值波长/μm0.60.650.81～21.31.31.41.655.04/19/202544光敏二极管、晶体管的光电特性比较

0光照光电流光敏晶体管光敏二极管3000lx4mA请分析光敏二极管、光敏晶体管的灵敏度曲线差异0.3mA请作图、计算当E=1000lx时，光敏二极管的光电流IΦ

IΦEICE04/19/202545光敏管的特性（续）温度特性：温度变化对亮电流影响不大，但对暗电流的影响非常大，并且是非线性的，将给微光测量带来误差。硅光敏晶体管的温漂比光敏二极管大许多，虽然硅光敏晶体管的灵敏度较高，但在要求准确度测量中却必须选用硅光敏二极管，并采用低温漂、高准确度的运算放大器来提高检测灵敏度。响应时间：工业级硅光敏二极管的响应时间为10-5～10-7s左右，光敏晶体管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或入射光调制频率（明暗交替频率）较高时，应选用硅光敏二极管。4/19/202546光敏管的频率特性当光脉冲的重复频率提高时，光敏二极管的输出电流的变化无法立即跟上光脉冲的变化，输出波形产生失真。当光敏二极管的输出电流或电压脉冲幅度减小到低频时的1/（0.707倍）时,该光脉冲的调制频率就是光敏二极管的最高工作频率fH，又称截止频率。tr为上升时间，tf为下降时间。a）输入调制光脉冲b）光敏二极管脉冲响应4/19/202547光敏晶体管的频率特性由于光敏晶体管基区的电荷存储效应，所以在强光照和无光照切换时，光敏晶体管的饱和与截止需要更多的时间，所以它对入射调制光脉冲的响应时间比光敏二极管慢，最高工作频率fH也比光敏二极管低。光敏晶体管的基极与集电极之间虽然只有几个pF的极间电容CCB，但是，由于存在密勒效应，等效于在集电极与发射极之间存在一个被“放大”了的的极间电容CCE=β

CCB

，集射电容减缓了集电极电流的突变速度，导致光敏晶体管的频率特性变差。4/19/2025483DU光敏三极管特性参数4/19/202549光敏达林顿管将光敏三极管与另一个普通三极管制作在同一个管芯里，连接成复合管型式，称为达林顿型光敏三极管。它的灵敏度更高（β=β1β2），且允许输出较大的电流。但是达林顿光敏三极管的漏电（暗电流）也较大，频响较差，温漂也较大。光敏达林顿三极管图形符号达林顿型光耦合器输出电流可达50mA4/19/202550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。使阳极与阴极的电压反向,或使负载电流小于其维持电流，晶闸管截止。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多,工作电压可达近千伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。4/19/202551光敏晶闸管用于光控路灯电路光敏面光照小于设定值时,VT1截止,VT2的门极电流Ig2增大,VT2导通,电灯HL亮。减小Rg,门极电流被旁路,灵敏度降低。μ4/19/202552光敏晶闸管多用于弱电控制强电的光耦电路双向过零触发晶闸管光耦MOC30系列

4/19/202553单片机控制灯光或交流继电器电路.

4/19/202554三、基于光生伏特效应的光电元件

——光电池在P型衬底上制造一很薄、透明的N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，PN结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，空穴漂移到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，这就是光生伏特效应。

回目录4/19/202555太阳能电池的种类非晶硅可挠式4/19/202556光电池的结构及工作原理示意图.4/19/202557光电池内部载流子的漂移示意图入射光线4/19/202558光电池外形光敏面4/19/2025591.硅光电池的图形符号及等效电路当光电池短路时，相当于电流源；当光电池开路时，相当于电压源；E4/19/2025602.硅光电池的主要特性①开路电压Uoc：在一定光照下，硅光电池两个输出端开路时，所产生的电动势。②短路电流ISc：在一定光照下，硅光电池所接负载电阻为零时，流过硅光电池的电流。③暗电流ID：在无光照的条件下，在硅光电池两端施加额定反向电压时所产生的电流。④反向阻抗Rζ:在无光照的条件下，在硅光电池两端施加额定反向电压时所呈现的阻抗。⑤峰值波长λo：响应光谱转换效率最大处的波长。⑥上、下限波长λ1、λ2：响应光谱中转换峰值的50%处所对应的上、下限波长。⑦

最大反向电压URM：使用硅光电池时所允许加的极限反向电压(由串联的其他电池产生)。⑧转换效率η：硅光电池输出电能与输入光能量的比值。4/19/202561光谱特性：硅光电池对近红外敏感。硒光电池对可见光敏感。随着制造技术的进步,硅光电池已具有从蓝紫到近红外的宽光谱特性。目前许多厂商已生产出峰值波长为0.7μm(可见光)的硅光电池,在紫光(0.4μm)附近仍有40～60%的相对灵敏度。硒、硅、锗光电池的光谱特性比较4/19/202562光电池的光电特性

光电池的负载电阻不同，输出电压和电流也不同。开路电压Uo与光照度的关系呈非线性，近似于对数关系，在2000lx照度以上就趋于饱和。负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系就愈好。当负载短路时，光电流在很大范围内与照度成线性关系，当希望光电池的输出与光照度成正比时.应把光电池作为电流源来使用。当被测非电量是开关量时，也可以把光电池作为电压源来使用。开路电压对数特性短路电流4/19/202563光电池的光电特性演示0光照请作图计算当E=1000lx时，光电池的电流IΦ和电压Uoc开路输出电压10000lx0.6V开路电压

UocE8mA5000lx短路输出电流短路电流Isc4mA0.55V结论？4/19/202564光电池的温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压Uo及短路电流Io随温度变化的特性。开路电压随温度增加而下降，开路电压的温度系数约为-0.34%/℃；短路电流温度系数：+0.017%/℃。工作温度范围：-40～+90℃。当光电池作为检测元件时,应考虑温度漂移的影响,采取相应措施进行温度补偿。硅光电池温度特性4/19/202565光电池的频率特性频率特性是描述入射光的调制频率与光电池输出电流间的关系。由于光电池受照射产生电子-空穴对需要一定的时间，因此当入射光的调制频率太高时，光电池的输出光电流将下降。硅光电池的面积越小，PN结的极间电容也越小，高频转折频率就越高，硅光电池的频率响应可达数兆赫。4/19/202566能提供较大电流的大面积光电池外形

（频率特性很差）4/19/202567光电池

组件4/19/202568光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电风扇太阳能硅光电池板4/19/202569光电池在动力方面的应用（续）沙漠住宅太阳能供电4/19/202570光电池在动力方面的

应用（续）嫦娥飞船上的光电池板4/19/202571各种光电池柔光罩下面为圆形光电池

四象限探测器：完全对称的4个光敏元件置于光学系统焦平面上。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同。常用于激光制导、跟踪等。4/19/202572第二节光电元件的基本应用电路一、光敏电阻基本应用电路图a中，当无光照时，光敏电阻RΦ很大，IΦ在RL上的压降Uo很小。随着入射光增大，RΦ减小，Uo随之增大。图中，入射光增大，Uo反而减小。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回目录4/19/202573二、光敏二极管的应用电路光敏二极管在应用电路中必须反向偏置。利用施密特反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。Ui=5V-URL=5V-

IΦRL4/19/202574例：用反相器来得到较大负载能力的电路见左下图,光电特性见右下图,RL=10kΩ,求:74HC04的输出稳定地跳变为高电平时的光照度阈值。解：在VDD=5V时,查74HC04的典型输入低电平ViL=2.1V,典型输入高电平ViH=2.4V。当74HC04的输入低于2.1V后，输出才能稳定地跳变为高电平(4.9V),此时输入回路流过RL的电流为：

IΦ=ViL/RL=(5-2.1)V/10kΩ=0.29mA,查右上图,得此时的光照度约为2900lx,约为阴天室外照度。光敏晶体管光敏二极管4/19/202575三、光敏晶体管应用电路a）射极输出电路b）集电极输出电路4/19/202576光敏晶体管的输出状态比较电路形式无光照时强光照时晶体管状态ICUo晶体管状态ICUo射极输出截止00（低电平）饱和(VCC-0.３)/RLVCC-UCES(高电平)集电极输出截止0VCC（高电平）饱和(VCC-0.３)/RLUCES(0.3V低电平)4/19/202577例：光控继电器电路如下图,1)分析工作过程；

2)若VCC=12V，中间继电器KA的驱动线圈阻值RKA=100Ω，额定动作电流为80mA。设V2的β足够大，求：在强光照时，流过中间继电器KA的电流，以及继电器的状态。晶体管V2截止的瞬间，有电流通过反向接法的“续流二极管”VD，减小了V2的对地过电压。4/19/202578解：

1）当无光照时，V1截止，IB=0，V2也截止，继电器KA处于失电（释放）状态。当有强光照时，V1产生较大的光电流IΦ，IΦ一部分流过下偏流电阻RB2（起稳定工作点作用），另一部分流经RB1及V2的发射结。当IB>IBS(IBS=ICS/β)时，V2饱和，产生较大的集电极饱和电流ICS（与IB基本无关），ICS=(VCC－0.3V)/RKA。若ICS大于继电器KA的额定动作距离，则KA吸合。

思考：若将V1与RB2的位置上下对调，其结果如何？4/19/202579.2）由于β足够大，在强光照时，IΦ较大，流过V2集电极的电流与β以及基极电流IB基本无关，ICES≈(12-0.3V)/0.1kΩ=117mA＞KA的动作电流（80mA），所以KA可靠动作（吸合）。RKA=100Ω80501N40023DU1kΩ10kΩ12V4/19/202580四、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，则应增加二级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。

4/19/202581例：设某光电池的面积A=10mm2，输出特性如下图所示，Rf=100kΩ，R21=10kΩ，R22=300kΩ，RRP=50kΩ（标称值），E=10lx，求：Uo2的调节范围。.OP074/19/202582解：.Uo1=-IΦRΦ=-0.8μA×0.1MΩ=-0.08V=80mV4/19/202583第三节光电传感器的应用a）被测物是光源b）被测物吸收部分光c）被测物是有反射能力的表面d）被测物遮蔽部分光1－被测物2－光电元件3－恒光源光电传感器的几种应用形式的演示回目录4/19/202584—、光源本身是被测物的应用实例

——照度计光的照度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（也称勒克斯计）来测量。

光电池(外加柔光罩）4/19/202585照度计的技术指标

照度计又称勒克斯计是一种专门测量光度、亮度的仪器仪表,用于测量光照度(物体被照明的程度)，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比。照度计通常是由硒光电池或硅光电池和数字微安表电路、色彩补偿、余弦补偿、微处理器、三位半数字液晶显示器等组成。技术指标：示值切换范围：1.999×10nlx（n=1~5）取样率：2.5次/秒操作环境：0~50℃相对湿度<70%RH4/19/202586照度计中的

补偿器1.受照面的亮度与光源的入射角度有关。当光源入射角度不与柔光罩垂直时，必须进行余弦补偿。斜向光照

2.光电池对不同颜色光的转换效率不同，必须进行颜色补偿。光电池的峰值波长约为0.78微米。4/19/202587红外线辐射温度计简述红外线的波长在0.76～100μm之间，位于微波与红光之间。任何物体，只要它的温度比零下273度高，就无一例外地发射出红外线。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。可用于铁路机车轴温检测，冶金、化工、高压输变电设备、热加工流水线表面温度测量，但不适合测量表面亮丽的铝、不锈钢等物体的表面温度。4/19/202588红外线辐射温度计外形激光仅用于瞄准4/19/202589红外线辐射温度计原理红外辐射测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学透镜及仪器与被测物的距离确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照设计的算法和目标发射率校正后，显示出被测目标的温度值。除此之外，还应考虑目标的黑度、测温仪所在的环境条件，如气温、污染等因素对性能指标的影响，并作适合的修正。4/19/202590红外辐射温度计原理（续）测试时，按下手枪形测量仪的开关，将枪口射出的低功率红色激光瞄准到被测物中央部位，这样，被测物发出的红外辐射能量就能准确地聚焦在红外辐射温度计“枪口”里面的光电池上。CPU根据距离、被测物表面黑度辐射系数、水蒸气及粉尘吸收修正系数、环境温度以及被测物辐射出来的红外光强度等诸多参数，计算出被测物体的表面温度。当被测物不是绝对黑体时，在相同温度下，辐射能量将减小。比如十分光亮的物体只能发射或接收很少一部分光的辐射能量，因此必须根据预先标定过的温度，输入光谱黑度修正系数ελ（或称发射本领系数）。测量时，必须保证被测物体的“热像”充满光电池的整个视场。因此与被测物距离不能太远。4/19/202591红外辐射温度计原理（续）通常在光学系统前面加入滤光片，它只让8~14μm波长（λ1~λ2）的辐射红外光通过,还能消除背景光。对于绝对黑体,光电池的输出光电流IΦ

可以表达为式中：K——灵敏度修正系数；EλT——黑体热力学温度为T时的光谱辐射能量；Dλ——光学系统的光谱透射率；Kλ——光电池的光谱灵敏度。由于与热力学温度有关，所以输出的电流信号IΦ与被测体表面温度T有确定的对应关系，这种检测方法又称为部分辐射光检测法。4/19/202592红外辐射温度计原理框图1－枪形外壳2－红色激光瞄准系统3－滤光片4－聚焦透镜4/19/202593部分红外线辐射温度计的特性参数4/19/202594红外线辐射温度计的使用距离与目标直径、面积的关系4/19/202595红外线辐射温度计在菜肴保温中的应用4/19/202596红外线辐射温度计在非接触测量食物温度中的应用（续）红色激光仅用于瞄准被测物测量冷藏牛奶温度测量饭食温度4/19/202597红外线辐射温度计非接触测量管道的温度4/19/202598红外线辐射温度计

在非接触温度测量中的应用（续）4/19/202599红外线辐射温度计

在非接触体温测量中的应用耳温仪4/19/2025100红外线辐射温度计用于人体额温快速测量4/19/2025101红外线辐射温度计

测量电路板温度IC的温度测量4/19/2025102红外线辐射温度计在非接触测量功率电路设备温度中的应用用于高压电路的安全测量4/19/2025103红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）红外线辐射温度计的数据采集系统装修内部的布线温度升高可能引燃天花板4/19/2025104红外线辐射温度计非接触测量钢水的温度4/19/2025105高温比色计在高温非接触测量中的应用

高温比色温度计能抗烟雾、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。

高温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。红色黄色4/19/2025106高温比色温度计原理

高温比色式温度传感器抗烟雾、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。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Iλ1、Iλ2之比与该物体的温度成指数关系：式中K1、K2——与λ1、λ2及物体的黑度有关的常数。因此，只要测出Iλ1与Iλ2之比，就可根据上式算得物体的温度T。4/19/2025107高温比色温度计原理

1－高温物体2－物镜3－半反半透镜4－反射镜5－目镜6－观察者的眼睛7－光阑8－光导棒9－分光镜10、12－滤光片11、13－硅光电池14、15－电流/电压转换器I1、I2－两个特定波长λ1、λ2的光在光电池11、13上产生的输出电流4/19/2025108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4/19/2025109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出的红外线，而输出电压信号的传感器。可以用于楼道自动开关、防盗报警、人体检测等。例如：在房间无人时能自动减小空调机的功率；能判断无人观看电视或观众已经睡觉后自动关机；有人活动时开启监视器；自动门铃；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动，以避免长时间空白画面而浪费计算机的硬盘空间。4/19/2025110热释电效应某些电介质如锆钛酸铅（PZT，见第六章），表面温度发生变化时，在电介质的表面就会产生电荷，这种现象称为热释电效应，用具有热释电效应的电介质制成的元件称为热释电元件。红外热释电传感器由滤光片、热释电红外敏感元件，高输入阻抗放大器等组成。制作热释电敏感元件时，先把热释电材料制成很小的薄片，在薄片两侧镀上电极，把两个极性相反的热释电敏感元件并排，再反向串联。4/19/2025111红外热释电传感器的

内部结构a）外形b）分体结构c）内部电气接线图d)滤光片的光谱特性1－滤光片2－管帽3－左、右敏感元件4－放大器5－管座6－引脚7－高阻值电阻R4/19/2025112热释电传感器的放大电路两块反向串联的热释电晶片场效应管4/19/2025113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。

4/19/2025114菲涅尔透镜菲涅尔透镜能将透镜前面的一个物体，在其后面成像为水平方向的n个物体。当发光物体水平移动时，能产生闪烁效果。透镜后面为热释电晶片4/19/2025115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。4/19/2025116电路原理框图及带宽简介在正常行走速度下，由菲涅尔透镜产生的光脉冲调制频率约为6Hz左右；当人体快速奔跑通过传感器面前时，可能达到20Hz。再考虑到荧光灯、节能灯、LED灯的脉动频闪为100Hz，所以信号调理电路中的放大器带宽不应太宽,以0.1～20Hz为宜。带宽窄,则干扰小,误判率低；带宽大,噪声电压大,可能引起误报警。低频段对应于慢速移动;展宽高频段,有利于快速移动响应。现已将点画线框中的所有电路集成到一片厚膜电路中。4/19/2025117热释电组件4/19/2025118热释电报警器菲涅尔透镜设定按钮高分贝喇叭4/19/2025119热释电报警器（续）菲涅尔透镜Φ5mm接插件4/19/2025120热释电报警器（续）吸顶式热释电报警器4/19/2025121热释电报警器（续）无线报警式热释电报警器4/19/2025122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4/19/2025123热释电感应灯热释电传感器4/19/2025124自动感应灯4/19/2025125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，单片机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4/19/2025126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三基色合成4/19/2025127色彩传感器的原理白色光源照在物体上时，物体表面的反射光颜色将由物体的性质决定。在许多场合，必须判定反射光的颜色，但由于人的生理和情感因数的影响，要对色彩做出准确判断以及定量描述是较困难的。用色彩传感器就可以实现对色彩的测定，目前它在图像处理和美工、纺织、印染、涂料、食品加工、农作物生长和成熟判断等方面得到应用。现代色度学是采用CIE（国际照明委员会）所规定的一套颜色测量原理及计算方法来确定颜色的。任何一个物体的颜色都可用红、绿、蓝（R、G、B）三原色的光功率谱的函数来表示。射入眼睛的光线刺激视网膜上对不同颜色有不同灵敏度的视觉细胞，并通过视神经传送到大脑，从而感觉到色彩。4/19/2025128色彩传感器及信号处理示意图1—红、绿、蓝滤色片2—玻璃基板3—α-Si4—透明导电膜5—公共电极6—背面引出电极7—遮光保护树脂8—电流/电压转换器4/19/2025129色彩传感器的原理无定型硅（α-Si）制成的色彩传感器能得到三色信号。在玻璃基板上按顺序粘贴红、绿、蓝滤色镜，分别与R、G、B三个输出电极处于同一轴线上。α-Si本身的光谱灵敏度与人眼十分接近，峰值波长约为0.5~0.6

m。当光线透过红、绿、蓝滤光片后，就可以分别得到R、G、B三根光谱特性。4/19/2025130色标传感器的用途

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。可用于包装、印刷、制药、纺织、烟草等机械，以检测色标。还可用于彩色材料的定位、定长、分切、纠偏、计数等功能。4/19/2025131各种色标传感器外形色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色4/19/2025132色标传感器外形（续）4/19/2025133色标传感器在流水线上检测产品的颜色4/19/2025134

用多个色标传感器测量薄板的颜色4/19/2025135产品包装色彩检测、分选4/19/2025136二、被测物吸收部分光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4/19/2025137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（抵消外界影响）

4/19/2025138光电式浊度计工作原理光源发出的光线经过半反半透镜分成两束强度相等的光线：一路光线穿过标准水样8，到达光电池9，产生作为被测水样浊度的参比信号；另一路光线穿过被测水样品5到达光电池6，其中一部分光线被样品介质吸收，样品水样越混浊，光线衰减量越大，到达光电池6的光通量就越小。两路光信号均转换成电压信号Uo1、Uo2，由运算器计算出Uo1、Uo2的比值，并进一步算出被测水样的浊度。参比通道目的：当光源的光通量由于种种原因有所变化，或环境温度变化引起光电池灵敏度发生改变时，由于两个通道的结构完全一样，所以在最后运算：Uo1/Uo2值（其值的范围是0～1）时，上述误差可自动抵消，减小了测量误差。类似结构还可以制成光电比色计、血色素浓度测量、化学分析等。4/19/2025139三、被测物体反射光的应用实例1

——烟雾报警器宾馆等场所强制安装火灾报警器火灾发生时伴随有光和热的化学反应。物质在燃烧过程中一般有下列现象发生：（1）产生热量：使环境温度升高，可以用各种温度传感器来测量。但是在燃烧速度非常缓慢的情况下，火灾初期的环境温度上升不易鉴别的。（2）产生可燃性气体：有机物在燃烧的初始阶段,首先释放出来的是可燃性气体,如CO等。可以用气敏检测。（3）产生烟雾:烟雾是人们肉眼能见到的微小悬浮颗粒。烟雾有很大的流动性,可潜入烟雾传感器中,是检测比较有效的火灾的手段,可以用反射式光电传感器检测。（4）产生火焰：可利用紫外管检测,但需设计带通滤波器,只让检测紫外线的抖动信号通过,避开太阳光的照射.4/19/2025140反射式烟雾报警器原理示意图1－红外发光二极管2－烟雾检测室3－透烟孔4－红外光敏晶体管5－黑色吸光绒布6－烟雾4/19/2025141烟雾报警器外形在没有烟雾时，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晶体管。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，使部分红外光到达光敏晶体管。烟雾报警4/19/2025142无线烟雾报警器内部结构

可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器4/19/2025143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分贝的断续报警声，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，在有阻挡的普通房间结构中，可以达到20米。4/19/2025144反射式烟雾报警器演示

红外LED的激励电流用40kHz调制,所以红外光敏晶体管接收到的光信号也是同频率的调制光。

光敏晶体输出40kHz电信号，经窄带选频放大器放大、检波后成为直流电压，再经低放和阈值比较器输出报警信号。室内的灯光、太阳光即使泄露进烟雾检测室也无法通过40kHz选频放大器。4/19/2025145反射式光电传感器举例2

——光电反射式转速表

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)

n：每分钟转速

f：输出脉冲频率z：

齿轮的齿数4/19/2025146光电反射式转速表的原理框图a）光路及工作原理框图b）各点波形1－光源（红色LED）2、6－聚焦透镜3－被测旋转物4－反光纸4/19/2025147光电反射式转速表工作原理

光源发出的光线经聚焦透镜2会聚成平行光束，照射到被测旋转物3上，光线经事先粘贴在旋转物体上的反光纸4反射回来，经透镜6聚焦后落在光敏二极管7上。旋转物体每转一圈，光敏二极管就产生一个脉冲信号,经放大整形电路得到TTL电平的脉冲信号,该信号在与门中和“秒信号”相“与”。与门在1s的时间间隔内输出的脉冲数正比于旋转物体的每秒转数,再经数据运算电路处理后,由数码显示器显示出每分钟的转数。转速n为4/19/2025148光电式转速表外形

4/19/2025149光电反射式转速表的±1误差测频时，计数脉冲通过闸门（与门）进入计数器，被测频率f=N/t门控。由于闸门开启时刻（秒信号的上升沿）和被测计数脉冲上升沿到来的时刻之间的关系是随机的，有可能像图中的ud波形所示，在第二个1s闸门时间里，比在第一个1s闸门时间多计数了一个脉冲，或少计数了一个脉冲。

可以由单片机来控制闸门信号的上升沿与被测脉冲的上升沿同步，以减小±1误差，称为同步计数计时法。4/19/2025150±1误差例题当t门控=1s、被测频率f=1000Hz时，1个脉冲所产生的±1误差为1Hz,示值相对误差：

当被测频率f=10Hz,t门控仍然为1s时的示值相对误差就显得不可容忍：4/19/2025151门控时间的选取当被测频率f较低时，应增加门控时间,就可以减小±1误差。例如,当T门控=10s、被测频率虽然较小，例如f=10Hz时，根据f=N/t门控，在10s的时间间隔里，可以得到N=f

t门控=10×10=100个脉冲，每一个±1脉冲代表0.1Hz，所产生的示值相对误差只有t门控=1s时的1/10：可以利用“同步电路”来尽量减小±1误差。4/19/2025152光电反射式转速计用于水泵转速测量4/19/2025153反射式光电传感器实例：光电自动门自动门光电传感器放大图有效检测区域4/19/2025154四、被测物遮挡部分光的应用实例

——光电式带材跑偏测控系统

在带材生产线上，由于带材横向厚度及压辊压力不均等原因，导致带材边缘或纵向标志线与加工机械的中心线不平行或不重合，从而发生带材横向运行偏差，称为“跑偏”。需要以带材边缘纵向为基准，实行边缘位置控制，称为“纠偏”。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。

结束4/19/2025155光电式带材跑偏测控系统指标

带钢最大传送速度：10m/s纠偏最大动态范围：±100mm纠偏误差：±0.5mm跑偏检测传感器响应时间：≤100μs液压比例伺服阀响应时间：≤50ms伺服液压缸最大驱动速度：20mm/s电液伺服最大推力：6×104N（可按需要配置液压系统）环境工作温度：-20～70℃在带钢纠偏装置中，边缘位置检测传感器的位置固定不动，开卷机的开卷辊可左右移动。在伺服液压缸的推动下，开卷机构（包括减速箱和开卷辊等）沿着导轨作垂直于带材行进方向的纠偏运动。4/19/2025156光电式带材跑偏检测控制电路带材左偏时，E1得到的光如何变化？1－LED光源

2－扩束透镜3－平行光束镜4－会聚透镜5－光电池E16－带材7－温度补偿光电池E2

8－遮光罩

9－跑偏指示4/19/2025157光电式带材跑偏的光电检测装置.1－带材2－边缘位置

检测传感器

3－电源及信号

线连接座4/19/2025158光电式带材跑偏检测控制电路原理带材左偏时,输出电压表的指针偏向右边,为正值。

光源1发出的光线经扩束透镜2和会聚透镜3，变为平行光束，投向透镜3，汇聚后落到光电池E1上。在平行光束到达透镜4的途中,有部分光线受到被测带材6的遮挡,从而使到达光电池E1的光通量Φ减小。

E1、E2是相同型号的光电池,E1作为测量元件装在带材下方,而E2用遮光罩罩住,与A2共同起温度补偿作用。4/19/2025159光电式带材跑偏的连续闭环控制原理当带材未跑偏时，跑偏检测传感器输出的偏差信号为零；当边缘位