传感器之--光电传感器..ppt

第八章光电传感器,采用光电元件作为检测元件的传感器被称为光电传感器。光电传感器由光源、光学通路和光电元件组成。主要特点：精度高、反应快、非直接接触、结构简单、形式多样、应用广泛。,第一节光电效应与光电器件,1.外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。2.内光电效应：在光线作用下物体的电阻率改变。3.光生伏特效应：在光线作用下物体具有发电能力。,光电效应,一、光电管、光电倍增管,利用外光电效应制成的光电器件。,（一）光电管,光电管测量电路：,可见，要使光电管中的自由电子逸出，频率不能太低，波长也不能太长。,为入射光波长上限，也被称为“红限”。,光电管,阴极,阳极,电压输出,光输入,（二）光电倍增管,光电倍增管具有放大光电子电流的能力。光电倍增管具10-15级倍增电极，电位依次升高，使得阴极因接受光能而发射的电子逐级加速，且受光电子的数量逐级增多，形成较大的光电流。可用于微光测量。设单级的信号倍增率为，则多级的倍增率为。,光电倍增管测量电路：,二、光敏电阻,（一）工作原理：由半导体材料构成，利用内光电效应而工作。光敏电阻当光线照射时，因材料中的电子空穴对增加，其电阻值会变小，当光照消失时，电阻会恢复原值。这种现象被称为光导效应。光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直流电压，也可以加交流电压工作。,光照,电路符号,（二）特性参数,1.暗电阻与亮电阻暗电阻-在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的暗阻大于等于0.1兆欧。暗电阻-在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于1000欧。,2.伏安特性曲线,光敏电阻接在电路上，亮电流（大）与暗电流（小）之差被称为光电流。光敏电阻的亮电阻越大，暗电阻越小，灵敏度越高。,光照度小,光照度大,3.光电特性曲线-光照度与光电流之间的关系。4.光谱特性曲线-入射光频率与灵敏度之间的关系。,光电特性,光谱特性,光照度,光电流,灵敏度,光波波长,硫化镉,硫化跎,硫化铅,（紫外-紫-红-红外）,5.频率特性曲线-光频率与灵敏度之间的关系。6.温度特性曲线-温度对光谱特性的影响。,频率特性,（硫化铅）光谱温度特性,硫化铅,硫化跎,温度降低更适合检测波长长的信号,温度高,温度低,（紫外-紫-红-红外）,三、光敏晶体管,（一）工作原理,1.光敏二极管：正常情况下，PN结反向是不导通的。当被光线照射时，PN结反向导通，可以感测光信号。,N,P,电路符号,结构示意,基本电路,2.光敏三极管：正常情况下，给PNP型三极管的集电极和发射极之间加正向电压，一个PN结（集电结）不导通，另一个PN结（发射结）导通。但当集电结被光线照射时，集电结会反向导通，造成三极管中出现放大电流，集电极和发射极之间导通。也可以感测光信号。,无光照无输出有光照有输出,+,-,（二）基本特性,1.光谱特性：一定照度下,光波波长与光敏管灵敏度的关系。2.伏安特性:不同照度下,输出电压电流关系。,硅管,锗管,光谱特性,（紫外-紫-红-红外）,伏安特性,光照度小,光照度大,3.光电特性：光照度-输出电流关系。一般光照加强电流增大。光敏二极管的线性度较好，光敏三极管会饱和。4.温度特性:一定照度下温度-电流关系。对亮电流、暗电流、输出电流影响程度不同。温度对亮电流小，对暗电流影响显著。4.频率特性:输入的调制光频率与输出灵敏度的关系。,温度特性,输出电流,暗电流,频率特性,输出灵敏度,四、光电池,（一）工作原理,光生伏特效应。,（二）基本特性,1.光谱特性：一定照度下,光波波长与光电池灵敏度的关系。,（紫外-紫-红-红外）,硅光电池,硒光电池,光线照射,发电,电路符号,受光范围宽,受光范围窄,2.光电特性:光照度与输出电动势、输出电流之间的关系。3.温度特性指开路电压、短路电流与温度变化的关系。4.频率特性:指输入的调制光频率与输出电流的关系。硅光电池的频率特性较好，频率上限约几万Hz。,开路电压,短路电流,输出电动势,短路输出电流,第二节光电传感器与光电检测,一、光电传感器的类型,光电传感器组成：,被测量使得光通亮连续变化，输出光电流也连续变化。,（一）模拟式光电传感器,被测量,模拟式光电传感器的四种形式：,被测量是光源（测光源温度）,被测量吸收光通亮（测厚）,光源被投射-反射（测表面粗糙度等）,光源被运动物体阻挡（测尺寸和位置）,（二）脉冲式光电传感器,光信号断续变化，光电元件输出的也断续变化。只有两种状态。常用于计数或测速。,二、光电传感器的常用光源,（一）发光二极管：电能光能。（二）钨丝灯泡：发射红外光。（三）激光,三、光电转换电路,1.光敏电阻测量电路2.光敏晶体管测量电路3.光电池测量电路4.使用运算放大器的光敏元件测量电路。,光敏电阻测量电路,光敏晶体管测量电路,使用运算放大器的光敏元件测量电路,二、光电检测实例,（一）WDS型光电比色高温计：通过辐射体在两个不同波长上的辐射能量之比，测定辐射体的温度。非接触式，可测量高温。,（二）光电比色计用于溶液的颜色、成分、浑浊度等化学分析。,（三）光电式带材测厚跑偏检测仪检测带材加工过程中偏离正确位置的情况。,光源,（四）光电式转速仪,1）反射式光电转速仪,电信号光信号,凸透镜,半透膜片,聚焦透镜,凸透镜,光源,测量电路,计数器,不反光位置电桥平衡U0=0反光位置输出电脉冲。,2）直射式光电转速仪,（五）光电检测的其他应用举例,第三节光导纤维传感器,一、光纤传感器工作原理（利用光的完全内反射原理）,象电路传输电信号一样，光导纤维可以传输光信号。主要应用于通讯领域。使用光导纤维的传感器被称为光纤传感器。,光纤传感器,传光型：作为光学通路传输光信号。,功能型：被测信号光纤及传输特性变化。,光纤传感器的优点:1)性能好、耐腐蚀、不受电磁干扰，环境适应性强。2）检测灵敏度高、精度高，便于利用光通信电路进行远距离测量。3