第8章 光电传感器

1、1 第八章第八章 光电传感器光电传感器 2 第一节第一节 常用光电器件常用光电器件 是一种将光信号转换成电信号的装置。 具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点。 得到广泛应用。 光电效应通常可分为三类光电效应通常可分为三类 （1）光电导效应：）光电导效应：光照改变光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值变化半导体的导电率，从而引起半导体电阻值变化 的效应。的效应。 光敏电阻属于这类器件光敏电阻属于这类器件 （2 2）光生伏特效应：）光生伏特效应：光照改变半导体光照改变半导体PNPN结电场，从而引起结电势变化的效结电场，从而引起结电势变化的效 应，又叫做应，又叫做PNPN结光电效应。结

2、光电效应。 光电池、光敏晶体管属于这类器件光电池、光敏晶体管属于这类器件 （3 3）光电发射效应：）光电发射效应：某些物质在光的照射下，能从表面向外部发射电子的某些物质在光的照射下，能从表面向外部发射电子的 现象，叫光电发射效应。现象，叫光电发射效应。 光电管、光电倍增管属于这类器件。光电管、光电倍增管属于这类器件。 3 一、光敏电阻一、光敏电阻 1、光敏电阻的光电效应、光敏电阻的光电效应 l无光照时，其阻值很大；无光照时，其阻值很大； l有光照时，阻值下降，光照越强阻值越低有光照时，阻值下降，光照越强阻值越低 l光照停止，又恢复高电阻状态。光照停止，又恢复高电阻状态。 光敏电阻是典型的光电导

3、器件。光敏电阻是典型的光电导器件。 4 2. 光敏电阻分类光敏电阻分类 （1）紫外光敏感元件）紫外光敏感元件对紫外光敏感对紫外光敏感 紫外线波长紫外线波长10380nm，紫外光是指至外线的内侧光波，紫外光是指至外线的内侧光波， 波长波长=300nm380nm （2）可见光敏感元件）可见光敏感元件对可见光敏感对可见光敏感 波长波长=380nm760nm。 这类敏感元件适用于光电计数、光电耦合、光电控制这类敏感元件适用于光电计数、光电耦合、光电控制 （3）红外光敏感元件）红外光敏感元件对红外光敏感对红外光敏感 红外线波长：红外线波长：760nm1000000(106)nm，红外光是指红外，红外光是

4、指红外 线的内侧光波，波长线的内侧光波，波长=760nm6000nm 这类期间主要用于探测不可见目标。这类期间主要用于探测不可见目标。 5 基本结构和电路基本结构和电路 如图如图 6 3、 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 （1） 光谱特性光谱特性 是指光电流对不同波长的单色光的相对灵敏度。是指光电流对不同波长的单色光的相对灵敏度。 典型光谱特性如下：典型光谱特性如下： 7 （2）光照特性）光照特性 是指在一定的电压下，光电流是指在一定的电压下，光电流I与光照强度与光照强度E的关系。的关系。 光敏电阻具有较高的灵敏度光敏电阻具有较高的灵敏度 具有明显的非线性具有明显的非线性 8 （3）伏安

5、特性）伏安特性 在一定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与其光电流之间的 关系，称为伏安特性。 9 （4）响应时间与频率特性 光敏电阻在照射光强变化时，由于光电导的驰豫现象，其 电阻的变化在时间上有一定的滞后，通常用响应时间表示。 响应时间又分为上升时间t1和下降时间t2， 10 光敏电阻上升和下降时间的长短，表示其对动态光信号响应的 快慢，即频率特性，如图所示。 光敏电阻的频率特性不仅与元件的材料有关，而且还与光照的 强弱有关。 11 （5）温度特性 在光照一定的条件下，光敏电阻的阻值随温度的升高而下降，在光照一定的条件下，光敏电阻的阻值随温度的升高而下降， 即温度特性，用温度系数即温度特性，

6、用温度系数 来表示。来表示。 温度不仅影响光敏电阻的灵敏度，而且还影响其光谱特性，温温度不仅影响光敏电阻的灵敏度，而且还影响其光谱特性，温 度升高，光谱特性向短波方向移动，如图度升高，光谱特性向短波方向移动，如图8-12所示。所示。 12 二、二、 光电池光电池 1.光电池的光电效应光电池的光电效应 2.2.实质是一个大面积的实质是一个大面积的PNPN结。结。 3.3.当光照射到当光照射到PNPN结上时结上时, , 若光子能量足够大若光子能量足够大, , 就在就在PNPN结附近激结附近激 发大量的电子发大量的电子空穴对，如果光照是连续的，经短暂的时间，空穴对，如果光照是连续的，经短暂的时间，

7、PNPN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出，最后建立一个与光结两侧就有一个稳定的光生电动势输出，最后建立一个与光 照强度有关的电动势照强度有关的电动势叫做光生电势。若存在电路，就有电叫做光生电势。若存在电路，就有电 流流叫做光生电流。叫做光生电流。 4.4.光电池是典型的光生伏特效应器件。光电池是典型的光生伏特效应器件。 光电池：硒光电池、硅光电光电池：硒光电池、硅光电 池、锗光电池、砷化镓光电池、锗光电池、砷化镓光电 池、氧化亚铜光电池等池、氧化亚铜光电池等 13 2. 光电池的基本特性光电池的基本特性 （1）光谱特性）光谱特性 光电池对不同波长的光，其光电转换灵敏度是不同的，即光谱 特性，

8、如图所示。 硅光电池：光谱响应范围4001200nm，光谱响应峰值波长在 800nm附近； 硒光电池：光谱响应范围380750nm，光谱响应峰值波长在 500nm附近。 14 （2） 光照特性光照特性 光电池在不同光照强度下，有不同的光生电动势和光生电流。 硅光电池的光照特性如图所示。 u 短路电流（负载电阻很小时的电流）与光照度关系在很大范 围是线性的，负载电阻越小，线性度约好。 因此，将光电池作为检测元件时，是利用其短路电流，作为电 流源的形式来使用。 u 硅光电池开路电压为 0.40.6V 具有非线性 在2000lX以下趋于线性 15 （3）频率特性 光电池的频率特性是指其输出电流随照射

9、光调制频率变 化的关系，如图所示。 硅光电池响应频率较高，适用于作高速计数的运算器电池； 硒光电池响应频率较低，不宜用做快速光电转换。 16 （4） 温度特性温度特性 一组硅光电池的温度特性是指其开路电压和短路电流随温度变 化的关系。 硅光电池的开路电压随温度升高快速下降，短路电流缓慢上升 17 三、光敏二极管和光敏晶体管三、光敏二极管和光敏晶体管 1. 光敏二极管的光电效应光敏二极管的光电效应 u无光照时, 反向电阻很大, 反向电流很小（暗电流）。 u有光照时, 光生电子和空穴在PN结电场和外加反向偏压的共 同作用下，形成光电流I。光的照度越大, 光电流越大。 18 2. 光敏晶体管的光电效

10、应光敏晶体管的光电效应 u无光照时无光照时, 相当于晶体管基极开路相当于晶体管基极开路,只有很小的暗电流只有很小的暗电流 u有光照时有光照时, 光生电子和空穴形成基极电流，此电流在外加集光生电子和空穴形成基极电流，此电流在外加集 电结反偏电压作用下，经放大而成为集电极电流。电结反偏电压作用下，经放大而成为集电极电流。 19 3. 光敏管的基本特性光敏管的基本特性 （1） 光谱特性光谱特性 光敏管在恒定电压作用和恒定光通量照射下，光电流（用相对 值或相对灵敏度）与入射光波长的关系，称为光敏管的光谱特 性。 Si光敏管，光谱响应波段 4001300nm，峰值响应波 长约为900nm Ge光敏管，光

11、谱响应波段 5001800nm，峰值响应波 长约为1500nm 20 （2） 光照特性光照特性 在端电压一定条件下，光敏管的光电流与光照度的关系，称为 光敏管的光照特性。 21 （3）伏安特性）伏安特性 光敏管在一定光照下，其端电压与器件中电流的关系，称为光 敏管的伏安特性。 22 （4） 频率特性频率特性 光敏管的频率响应是指具有一定频率的调制光照射光敏管时， 光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随调制频率的变化关 系。 23 （5） 温度特性温度特性 在端电压和光照度一定条件下，光敏管的暗电流及光电流与温 度的关系，称为光敏管的温度特性。 24 四、常用光电器件的应用四、常用光电器件的应用

12、 1.光电耦合器光电耦合器 l光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件 合并使用合并使用, , 以光作为媒介传递信号的光电器件。以光作为媒介传递信号的光电器件。 l光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管, , 光电接光电接 收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。 l根据其结构和用途不同，又可分为用于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实现电隔离的光电耦合 器器和用于检测有无物体的和用于检

13、测有无物体的光电开关光电开关。 25 26 例：光电耦合器件实现输入信号的隔离例：光电耦合器件实现输入信号的隔离 输入信号输入信号 IN_O1 521-1 INR1 1K INR20 3.3K VCC P1.0 I0 L1 VIO S1 G_IO 输入信号输入信号 光电耦合器件隔离，光电耦合器件隔离， 使输入开关电路与使输入开关电路与 单片机电路之间无单片机电路之间无 电的联系电的联系 27 8路光电隔离输入路光电隔离输入 INO1521-1 INR 1 510 INR 20 1K VC C INO2521-1 INR 2 510 INR 21 1K VC C INO3521-1 INR 3

14、510 INR 22 1K VC C INO4521-1 INR 4 510 INR 23 1K VC C INO5521-1 INR 5 510 INR 24 1K VC C INO6521-1 INR 6 510 INR 25 1K VC C INO7521-1 INR 7 510 INR 26 1K VC C INO8521-1 INR 8 510 INR 27 1K VC C P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I0 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 24V 28 例：例： 光电耦合器隔

15、离输出光电耦合器隔离输出 如果外部干扰强，或者电压高，为了保证单片机的可靠工作，如果外部干扰强，或者电压高，为了保证单片机的可靠工作， 一般使用光电耦合器件隔离输出。一般使用光电耦合器件隔离输出。 P2.7 OT7 VCC P27 GIO GIO VIO OT7 6R1 200 6R9 10K 6R10 3K 6Q1 NTD2955 6L1 LED 6R25 10K 1 2 16 15 6U1A 521 单片机输出单片机输出 光电隔离单片光电隔离单片 机与负载端无机与负载端无 电的联系电的联系 接负载接负载 29 8路光电隔离输出路光电隔离输出 P20 P21 P22 P23 P25 P24

16、OT0 VC CVC CVC CVC C P20 P21 P22 P23 G24G24G24G24 +24V OT0 VC CVC C P24 P25 G24G24 6R 1 200 6R 2 200 6R 3 200 6R 4 200 6R 5 200 6R 6 200 6R 9 10K 6Q1 NT D2955 OT1 +24V OT1 6R 11 10K 6Q2 NT D2955 OT2 +24V OT2 6R 13 10K 6Q3 NT D2955 OT3 +24V OT3 6R 15 10K 6Q4 NT D2955 OT4 +24V OT4 6R 17 10K 6Q5 NT D29

17、55 OT5 +24V OT5 6R 19 10K 6Q6 NT D2955 6R 25 10K 6R 26 10K 6R 27 10K 6R 28 10K 6R 29 10K 6R 30 10K 1 2 16 15 6U1A 521 3 4 14 13 6U1B 521 5 6 12 11 6U1C 521 7 8 10 9 6U1D 521 1 2 16 15 6U2A 521 3 4 14 13 6U2B 521 30 2. 光电转速计光电转速计 一种用于检测的光电耦合器一种用于检测的光电耦合器 是一种透射式，一边为发光元件，另一边为光敏元件。是一种透射式，一边为发光元件，另一边为光敏元

18、件。 31 3. 反射式固体表面粗糙度仪反射式固体表面粗糙度仪 教材教材P133页给出了一种利用光电池做检测元件的固体物表面粗页给出了一种利用光电池做检测元件的固体物表面粗 糙度测量仪器的基本原理。糙度测量仪器的基本原理。 光源发射的光照射到被测固体物表面，一部分光被吸收，一部光源发射的光照射到被测固体物表面，一部分光被吸收，一部 分光被反射。分光被反射。 表面粗造度不同表面粗造度不同对光的反射不同对光的反射不同 表面光滑，反射的光多表面光滑，反射的光多 反之少反之少 用光电池接收反射的光用光电池接收反射的光 32 4. 透射式薄膜厚度计透射式薄膜厚度计 同样用光电池做检测元件同样用光电池做检

19、测元件光源与光电池处于被测薄膜两边光源与光电池处于被测薄膜两边 光源的光光源的光一部分被吸收，一部分投射到达光电池一部分被吸收，一部分投射到达光电池 吸收的光的量与薄膜厚度有关吸收的光的量与薄膜厚度有关也就是通过透射到达光电池也就是通过透射到达光电池 的光与薄膜厚度有关。的光与薄膜厚度有关。 33 5. 红外遥控器红外遥控器 发射管发射管-接收管分别处于接收管分别处于 34 6. 反射式红外收发反射式红外收发 还有反射式红外收发器件，例如还有反射式红外收发器件，例如 红外控制的洗手池的自动水龙头红外控制的洗手池的自动水龙头用到用到 红外发射接收器件红外发射接收器件 红外遥控器红外遥控器发射器件

20、、接发射器件、接 受器件分开。受器件分开。 35 第二节第二节 光栅传感器光栅传感器 有普通光栅、有普通光栅、 莫尔条纹莫尔条纹 两种。两种。 普通光栅：普通光栅： 1光源光源 2柱面镜柱面镜 3码盘码盘 4狭缝狭缝 5元件元件 36 普通光栅普通光栅 光透过槽（孔），接收器件输出光透过槽（孔），接收器件输出 脉冲脉冲 光栅的数量不能多光栅的数量不能多槽（孔）不能太小太密槽（孔）不能太小太密 光检测元件有一定的尺寸，不能太小光检测元件有一定的尺寸，不能太小 故要求高的，一般用莫尔条纹制作光栅故要求高的，一般用莫尔条纹制作光栅 37 一、莫尔条纹一、莫尔条纹 3 2 4 1 1.标尺光栅 2.指

21、示光栅 3.光电元件 4.光源 1.1.光栅光栅 又叫光栅尺，利用化学方法在玻璃上均匀刻线，形成规则排又叫光栅尺，利用化学方法在玻璃上均匀刻线，形成规则排 列的透光和不透光的明暗条纹列的透光和不透光的明暗条纹透射式光栅尺透射式光栅尺 m-m-暗条纹宽度；暗条纹宽度； n-n-亮条纹宽度；亮条纹宽度； W=W=m+nm+n 光栅栅距光栅栅距 ，又叫光栅常数，又叫光栅常数 n n W W m mn n 38 除了直光栅外，还有圆光栅除了直光栅外，还有圆光栅 圆光栅：在圆周上均匀刻线圆光栅：在圆周上均匀刻线 00 01 10 01 00 11 10 01 10 01 11 00 11 10 01 1

22、0 11 00 11 00 39 除了以上透射式，还有反射式除了以上透射式，还有反射式金属光栅。金属光栅。 利用激光和化学方法共同处理利用激光和化学方法共同处理造出光反射条纹和光不反射造出光反射条纹和光不反射 （吸收）条纹（吸收）条纹 也同样有直光栅和圆光栅。也同样有直光栅和圆光栅。 40 2. 莫尔条纹莫尔条纹 2/sin 2 W BH 由于由于 ) 18( 2/sin 2 B 2 2/sin H W W 故 41 3. 莫尔条纹的特性莫尔条纹的特性 （1） 莫尔条纹的间距莫尔条纹的间距BH对光栅常数对光栅常数W具有放大作用具有放大作用 ) 18( W BH 是两光栅尺之间的夹角（用弧度表示

23、）其值很小是两光栅尺之间的夹角（用弧度表示）其值很小(1) 故故BH比光栅的删距比光栅的删距W大很多，容易用光电元件检测。大很多，容易用光电元件检测。 例如：例如：W=0.02mm，一般光电元件难以检测，当，一般光电元件难以检测，当=0.01 rad时，时， BH=2mm，已经容易用一般的光电元件进行检测了。，已经容易用一般的光电元件进行检测了。 （2）莫尔条纹可以消除光栅尺局部缺陷引起的误差）莫尔条纹可以消除光栅尺局部缺陷引起的误差 （3）莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动的）莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动的 大小和方向。大小和方向。 42 二、二、 光栅传感

24、器的组成光栅传感器的组成 1. 光栅传感器的组成光栅传感器的组成 2. （1）光源）光源 3. （2）透镜）透镜将光源的光变为平行光将光源的光变为平行光 4. （3）主光栅尺）主光栅尺又叫标尺光栅，一般较长，固定不动又叫标尺光栅，一般较长，固定不动 5. （4）指示光栅尺）指示光栅尺较短较短 6. （5）光电元件）光电元件接收光信号转换为电信号接收光信号转换为电信号 43 2. 透射式光栅传感器原理透射式光栅传感器原理 光透过光栅尺，由光电元件接收，转换为电信号。光透过光栅尺，由光电元件接收，转换为电信号。 例如使用半导体光源例如使用半导体光源发光二级管发光二级管 在光栅的另一端，用光电二极管

25、或三级光接收，转换为电在光栅的另一端，用光电二极管或三级光接收，转换为电 信号。信号。 3. 反射式光电传感器原理反射式光电传感器原理 4. 与透射式相似，只是接收元件和光源在同一侧，接收反射与透射式相似，只是接收元件和光源在同一侧，接收反射 光。光。 44 三、辩向原理三、辩向原理 使用两个光接收元件，这两个光接收元件相距使用两个光接收元件，这两个光接收元件相距 BH/4，这样，接，这样，接 收元件的输出电信号相位相差收元件的输出电信号相位相差 2/4=/2 W X Uu W X Uu m m 2 sin 2 cos 2 1 将其放大整形成方波将其放大整形成方波 利用辩向电路可以识别方向。利

26、用辩向电路可以识别方向。 教材上图教材上图8-34是一种辩向电路是一种辩向电路 45 四、光电编码器 1.增量式 编码器结构 46 顺时针旋转顺时针旋转 逆时针旋转逆时针旋转 A B 增量编码器的输出信号是增量编码器的输出信号是 2 个相位相差个相位相差90o的脉冲信号，的脉冲信号， 如图中的如图中的A、B信号。根据需要，可以将信号。根据需要，可以将A信号用作记数信号，信号用作记数信号， B信号用作方向信号，反之也可以。信号用作方向信号，反之也可以。 C QnQ2Q1Q0 可逆计数器可逆计数器 增量编码器的量程由计数器决定，而计数器是电子器件，增量编码器的量程由计数器决定，而计数器是电子器件，

27、 量程几乎不受限制。量程几乎不受限制。 但也正是使用了电子计数器，增量编码器的抗干扰性能低但也正是使用了电子计数器，增量编码器的抗干扰性能低 于直接编码器。于直接编码器。 47 2. 直接输出光电编码器直接输出光电编码器绝对式绝对式 0000 0001 0010 0011 0100 0101 1100 1101 1110 1111 明暗条纹直接按某种编码设明暗条纹直接按某种编码设 置，置， 例如该图利用四个光栅圆环例如该图利用四个光栅圆环 构成四位编码输出构成四位编码输出 每个光栅使用一个光电元件，每个光栅使用一个光电元件， 这样四个光电元件的输出信这样四个光电元件的输出信 号经整形为脉冲信号

28、，就构号经整形为脉冲信号，就构 成了四位编码成了四位编码 可以使用不同的编码方式可以使用不同的编码方式 二进制、二进制、BCDBCD、格雷码、格雷码 48 五、细分五、细分 主要是用于增量式光栅传感器主要是用于增量式光栅传感器 增量式圆光栅传感器每一圈输出的脉冲数增量式圆光栅传感器每一圈输出的脉冲数决定了角度分辨决定了角度分辨 能力。能力。 例如每转例如每转1000脉冲脉冲360/1000=0.36 有时需要提高分辨率有时需要提高分辨率可以选用更高分辨率的光栅传感器可以选用更高分辨率的光栅传感器 也可以通过细分提高分辨率也可以通过细分提高分辨率 细分细分光学细分光学细分 电路细分电路细分 我们主要讨论电路细分：经过电路处理，将一圈的脉冲数增加。