传感器及其自动检测第4章

1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS第四章第四章 光电式传感器光电式传感器本章学习的主要内容：本章学习的主要内容： 1、光电效应及其光电元件、光电效应及其光电元件2、光电式传感器的应用、光电式传感器的应用普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS罐装生产流水线动画演示罐装生产流水线动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS、光电效应

2、、光电效应1. 外光电效应外光电效应 41 光电效应及其光电元件光电效应及其光电元件 在光线作用下，物体吸收光能量而产生相应电在光线作用下，物体吸收光能量而产生相应电效应的一种物理现象效应的一种物理现象 。 在光线作用下，在光线作用下，电子从物体表面逸出电子从物体表面逸出的物理现象的物理现象 外光电效应动画演示外光电效应动画演示 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS各种光电管外形图各种光电管外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATI

3、ON PRESS2、内光电效应、内光电效应 光电导效应光电导效应光敏晶体管效应光敏晶体管效应光生伏特效应光生伏特效应 内光电效应动画演示内光电效应动画演示 在光线作用下，物体电导性能发生变化或产在光线作用下，物体电导性能发生变化或产生一定方向电动势的现象生一定方向电动势的现象 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光敏电阻外形图光敏电阻外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光敏二极管外形图光敏二极管外形图光敏三极管

4、外形图光敏三极管外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS各种光电池外形图各种光电池外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS二、光电元件二、光电元件1. 光电管光电管 （1）原理：基于外光电效应）原理：基于外光电效应 真空管、光电阴极真空管、光电阴极 K和和光电阳极光电阳极 A（2）符号与结构：）符号与结构：光电管外形图光电管外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 H

5、IGHER EDUCATION PRESS （3）特点：灵敏度高、光电特性线性较好）特点：灵敏度高、光电特性线性较好 I0/A/lm光电管的光电特性光电管的光电特性 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS2、光敏电阻、光敏电阻（1）原理：内光电效应的光电导效应）原理：内光电效应的光电导效应 （2）符号与外形）符号与外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS（3）特性参数）特性参数暗电阻暗电阻:置于室温、全暗条件置于室温、

6、全暗条件伏安特性伏安特性 亮电阻亮电阻:置于室温、一定光照条件置于室温、一定光照条件普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光电特性光电特性 ：非线性：非线性 光谱特性光谱特性 响应时间：响应时间： 温度特性温度特性: 10-1s10-3s 温度影响甚大，温度上升，温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降暗电流增大，灵敏度下降 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS（5）适用场合

7、：常用于对测量要求不高的场合）适用场合：常用于对测量要求不高的场合（4）特点：价格便宜、光电特性非线性、响应）特点：价格便宜、光电特性非线性、响应 时间长、受温度影响大时间长、受温度影响大3.光敏晶体管光敏晶体管（1）原理：内光电效应的光电晶体管效应）原理：内光电效应的光电晶体管效应 光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管 （2）种类、符号与外形）种类、符号与外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS外形图外形图（3）主要特性：）主要特性：光谱特性：光谱特性：硅管峰值波长为硅管

8、峰值波长为0.9m锗管峰值波长为锗管峰值波长为1.5m普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光电特性：光电特性： 输出电流输出电流Ie和光照度和光照度Ee呈线性关系呈线性关系 伏安特性：伏安特性：普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS温度特性：温度特性：温度对输出电流影响小，由光照度决定温度对输出电流影响小，由光照度决定响应时间：二极管响应时间：二极管10-4s10-6s、三极管、三极管10-3s10-5s （5）适用场

9、合：）适用场合：适用于模拟量测量及适用于模拟量测量及要求快速响应的场合要求快速响应的场合（4）特点：）特点：光电特性线性好、受温度影响小、响应时间短光电特性线性好、受温度影响小、响应时间短 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS4.光电池光电池 （1）原理：内光电效应的光生伏特效应）原理：内光电效应的光生伏特效应 （2）符号与外形：）符号与外形：普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS（3）主要特性）主要特性光谱特性：光谱

10、特性： 硅光电池硅光电池0.45m1.1m硒光池硒光池0.34m0.57m光电特性：光电特性：普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS频率特性：频率特性： 硅光电池频率响应高，硒光电池频率响应差硅光电池频率响应高，硒光电池频率响应差温度特性：温度特性： 温度温度 t 上升，开路电压上升，开路电压 U 快速下降，快速下降， 短路电流短路电流 I 缓慢上升。缓慢上升。 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS（4）特点：）特点：

11、（5）适用场合：）适用场合： 测量短路电流光电特性线性好、受温度影响测量短路电流光电特性线性好、受温度影响小，硅光电池频率响应较好。小，硅光电池频率响应较好。 可用于模拟量测量响应较快的场合可用于模拟量测量响应较快的场合 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光电式传感器的组成：光电式传感器的组成： 光源、光学元件和光电元件组成光路光源、光学元件和光电元件组成光路系统，再经转换电路而构成。系统，再经转换电路而构成。 42 光电式传感器应用光电式传感器应用 常用光源有：常用光源有： 白炽灯、发光二极管等白炽灯

12、、发光二极管等普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS 常用光学元件有：常用光学元件有： 反射镜、透镜、半透半反镜等反射镜、透镜、半透半反镜等提问：提问：1. 光电效应有哪些？这些光电效应对光电效应有哪些？这些光电效应对 应哪些光电元件？应哪些光电元件？ 2. 这些光电元件有哪些特点？分别适这些光电元件有哪些特点？分别适 用哪些场合？用哪些场合？普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS一、光电式传感器的应用类型一、光电式传感

13、器的应用类型 按其输出量性质可分：按其输出量性质可分： 模拟输出型光电传感器和数字输出型光模拟输出型光电传感器和数字输出型光电传感器电传感器 按被测物与光电元件和光源之间的关系，按被测物与光电元件和光源之间的关系，光电式传感器的应用有以下四种：光电式传感器的应用有以下四种：普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS1、光源本身就是被测物。、光源本身就是被测物。 如：光电比色温度计、光照度计等如：光电比色温度计、光照度计等被测物被测物光电元件光电元件普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编

14、 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS2、恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物、恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物 吸收一部分后到达光电元件上。吸收一部分后到达光电元件上。 如：测液体透明度、烟尘浓度等如：测液体透明度、烟尘浓度等 被测物被测物光电元件光电元件恒光源恒光源普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS 3、恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部、恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部 分后照射到光电元件上。分后照射到光电元件上。 如：测元件尺寸、运动状态等如：测元件

15、尺寸、运动状态等 被测物被测物光电元件光电元件恒光源恒光源普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS 4、恒定光源发出的光通量经被测物反射后到达、恒定光源发出的光通量经被测物反射后到达 光电元件上。光电元件上。 如：测纸张白度、零件表面粗糙度、光电转速如：测纸张白度、零件表面粗糙度、光电转速 表等表等被测物被测物光电元件光电元件恒光源恒光源普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS特别指出：特别指出：光源与光电元件在光谱特性上应

16、基本一致，即光源与光电元件在光谱特性上应基本一致，即 光源发出的光应该在光电元件接受灵敏度最高的光源发出的光应该在光电元件接受灵敏度最高的 频率范围内。频率范围内。 对于模拟量检测，一般要有参比信号，用来消对于模拟量检测，一般要有参比信号，用来消 除或削弱背景光及温度等因素的影响。除或削弱背景光及温度等因素的影响。普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS1、光电比色温度计（光源本身是被测物）、光电比色温度计（光源本身是被测物） 问题的提出：高温测量，物体辐射出的光波与问题的提出：高温测量，物体辐射出的光波与

17、温度有关。温度有关。 二、光电式传感器的应用举例二、光电式传感器的应用举例 扫描式光电比色温度计扫描式光电比色温度计普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS 原理：根据热辐射定律，使用光电池进行原理：根据热辐射定律，使用光电池进行 非接触测温。非接触测温。 根据有关的辐射定律，物体在两个特定波根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长长1、2上的辐射强度上的辐射强度I1、I2 之比与该物体之比与该物体的温度成指数关系。的温度成指数关系。 TKeKII/1212普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技

18、术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光电比色温度计光路原理图光电比色温度计光路原理图被测对象被测对象物镜物镜半透半反镜半透半反镜光阑光阑反射镜反射镜目镜目镜观察者的眼睛观察者的眼睛硅光电池硅光电池1光导棒光导棒分光镜分光镜滤光片滤光片硅光电池硅光电池2光线光线1光线光线2普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光电比色温度计电路原理框图光电比色温度计电路原理框图硅光电池硅光电池1RfRf运算电路运算电路显示器显示器I1I2U1U2硅光电池硅光电池2而而 I1正比于正比于I1

19、所以所以 U1正比于正比于I1fRIU11TKeKIIUU/121212普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS2、光电式烟尘浓度计（透射式）、光电式烟尘浓度计（透射式） 问题的提出：为了控制和减少烟尘的排放量或问题的提出：为了控制和减少烟尘的排放量或 及时发现楼宇火灾，对烟尘的监及时发现楼宇火灾，对烟尘的监 测是必须的。测是必须的。 原理：恒定光源发出的光通量透过被测物，原理：恒定光源发出的光通量透过被测物， 由被测物吸收一部分后到达光电元件由被测物吸收一部分后到达光电元件 上。上。普通高等教育“十一五”国

20、家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光电式烟尘浓度检测动画演示光电式烟尘浓度检测动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光电式烟尘浓度计原理图光电式烟尘浓度计原理图 光源光源聚光透镜聚光透镜半透半反镜半透半反镜反射镜反射镜被测烟尘被测烟尘光电池光电池1光电池光电池2RfRf运算电路运算电路显示器显示器I1I2U1U2普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRE

21、SS光电式烟尘浓度计原理图光电式烟尘浓度计原理图 光电三极管光电三极管2光电三极管光电三极管1+UCCU1U2+UCC运算器运算器显示器显示器光源光源聚光透镜聚光透镜半透半反镜半透半反镜反射镜反射镜被测烟尘被测烟尘普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS3、光电式边缘位置检测器（遮挡式）、光电式边缘位置检测器（遮挡式） 问题的提出：带型材料在生产过程中偏离正问题的提出：带型材料在生产过程中偏离正 确的位置如何进行纠偏控制。确的位置如何进行纠偏控制。 原理：恒定光源发出的光通量经过被测物遮原理：恒定光源发出的光

22、通量经过被测物遮 挡一部分后，另一部分照射到光电元挡一部分后，另一部分照射到光电元 件上。件上。 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光电式边缘位置检测器光路图光电式边缘位置检测器光路图 光源光源透镜透镜光敏电阻光敏电阻被测带材被测带材暗暗亮亮普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS光电式边缘位置检测器测量电路图光电式边缘位置检测器测量电路图 R2R1R3RPRRRfRfUoUcc测量用光敏电阻测量用光敏电阻补偿用光敏电阻补偿用光敏电阻遮光罩遮光罩普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS注意问题：注意问题：2. 桥路及运算放大器组成，接入参比光敏电阻；桥路及运算放大器组成，接入参比光敏电阻；1. 起始时，光路一半遮挡一半透过；起始时，光路