光电式检测元件PPT课件

2020/4/30,.,1,第七节光电式检测元件,光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。本节学习光电效应、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,2020/4/30,.,2,1905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。,光可以看做由具有一定能量的光子所组成，而每个光子所具有的能量E=hf，正比于其频率。,2020/4/30,.,3,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。,2020/4/30,.,4,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，在外电场作用下被阳极收集形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。,紫外线,2020/4/30,.,5,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时，阻值减小。,内光电效应：在光的照射下材料的电阻率发生改变或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。,代表器件：光敏电阻，光敏晶体管,2020/4/30,.,6,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）,.,7,光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。,RG,RL,E,I,.,8,光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流为暗电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。,.,9,（2）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。,0,1,2,3,4,5,I/mA,L/lx,1000,2000,.,10,（3）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,2020/4/30,.,11,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，在外加反向偏压作用下作定向运动形成光电流，其与照度成正比。,2020/4/30,.,12,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。,2020/4/30,.,13,红外发射、接收对管外形,红外发射管,红外接收管,光电二极管的光谱特性：不同材料在不同波长的光的照射下有不同的灵敏度，探测红外光时用锗管，探测可见光或炽热状态物体用硅管。,2020/4/30,.,14,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。,2020/4/30,.,15,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I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,2020/4/30,.,16,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。,2020/4/30,.,17,光敏三极管外形,2020/4/30,.,18,硅光敏晶体管的光谱特性,光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。,硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,2020/4/30,.,19,光电特性,0,光照,光电流,光敏三极管,光敏二极管,3000lx,4mA,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I,I,E,2020/4/30,.,20,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。,2020/4/30,.,21,光电池外形,光敏面,2020/4/30,.,22,能提供较大电流的大面积光电池外形,2020/4/30,.,23,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,2020/4/30,.,24,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,2020/4/30,.,25,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,2020/4/30,.,26,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,2020/4/30,.,27,光电元件的基本应用电路,一、光敏电阻的基本应用电路,a）U与光照变化趋势相同的电路b）U与光照变化趋势相反的电路,2020/4/30,.,28,二、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？,2020/4/30,.,29,光敏三极管光控继电器电路,当无光照时，V1截止，I=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？,2020/4/30,.,30,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）,2020/4/30,.,31,1.红外线辐射温度计(红外探测）：,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-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,2020/4/30,.,32,红外线辐射温度计外形,激光仅用于瞄准,2020/4/30,.,33,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,2020/4/30,.,34,红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用,耳温仪,2020/4/30,.,35,红外线辐射温度计用于人体额温测量,2020/4/30,.,36,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,2020/4/30,.,37,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）,2020/4/30,.,38,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,2020/4/30,.,39,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。,2020/4/30,.,40,2.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,2020/4/30,.,41,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。,2020/4/30,.,42,热释电报警器,菲涅尔透镜,设定按钮,高分贝喇叭,2020/4/30,.,43,热释电报警器（续）,菲涅尔透镜,5mm接插件,2020/4/30,.,44,热释电报警器（续）,吸顶式热释电报警器,2020/4/30,.,45,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,2020/4/30,.,46,热释电感应灯,热释电传感器,2020/4/30,.,47,自动感应灯（参考施特朗公司资料）,2020/4/30,.,48,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。,2020/4/30,.,49,二、被测物吸收光通量的应用实例,1.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,2020/4/30,.,50,2.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。,报警,2020/4/30,.,51,3.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,2020/4/30,.,52,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。,2020/4/30,.,53,各种色标传感器外形,色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色,2020/4/30,.,54,色标传感器外形（续）,2020/4/30,.,55,色标传感器在流水线上检测产品的颜色,2020/4/30,.,56,用多个色标传感器测量薄板的颜色,2020/4/30,.,57,产品包装色彩检测、分选,2020/4/30,.,58,4.光电自动门,自动门光电传感器放大图,有效检测区域,2020/4/30,.,59,光电传感器的应用：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。,2020/4/30,.,60,一、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。,2020/4/30,.,61,光电开关外形,2020/4/30,.,62,遮断型光电开关示意图,遮断报警,2020/4/30,.,63,遮断式光电开关原理,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,2020/4/30,.,64,光电开关在流水线上的应用,送料器,落料口,遮断式光电开关（计数）,2020/4/30,.,65,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,2020/4/30,.,66,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）,2020/4/30,.,67,光幕应用（续）,产品高度测量,2020/4/30,.,68,光幕应用（续）,2020/4/30,.,69,光幕应用（续）,木材外形截面积检测,2020/4/30,.,70,光幕应用（续）,2020/4/30,.,71,光幕应用（续）,光幕用于自动收费系统的车辆检测,2020/4/30,.,72,光幕应用（续）,安全光幕：锻压机床的安全区域设置及入侵报警,2020/4/30,.,73,光幕应用（续）,安全区示警,2020/4/30,.,74,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。,2020/4/30,.,75,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,2020/4/30,.,76,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,2020/4/30,.,77,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,2020/4/30,.,78,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。,2020/4/30,.,79,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,2020/4/30,.,80,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,2020/4/30,.,81,反射型光电开关外形,电源指示,信号指示,2020/4/30,.,82,反射型光电开关外形（续）,灵敏度调节电位器,2020/4/30,.,83,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，可靠地对之后来到的被检测物体作出反应。当流水线上的被检测品种改变时，只需再次“学习”，而不必调节机械安装螺丝。,2020/4/30,.,84,智能化光电开关的自学习过程示意图,阈值开关,学习指示灯,设定距离,安装距离,2020/4/30,.,85,表面反射率,对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检