ch8光式传感器及其应用(传感器原理及其应用)(南大)俞阿龙.ppt

1、第8章 光电式传感器及其应用1第第8章章 光电式传感器及其应用光电式传感器及其应用 第8章 光电式传感器及其应用2第8章 光电式传感器及其应用3 光电传感器光电传感器:将将光信号（红外、可见光及紫外光）转变光信号（红外、可见光及紫外光）转变成为电信号的器件成为电信号的器件。对于不同波长对于不同波长的光有不同的的光有不同的光学传感器光学传感器远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m第8章 光电式传感器及其应用4按工作原理分类：按工作原理分类： 光电效应传感器光电效应传感器 红外热释电传感器红外热释电传感器 固体图像传感器固体图像传感器 光纤传感器光纤传感

2、器 第8章 光电式传感器及其应用58.1 光电效应和热释电效应光电效应和热释电效应第8章 光电式传感器及其应用6光电效应光电效应 光电效应：光电效应：外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应第8章 光电式传感器及其应用7外光电效应：外光电效应：在光线作用下，物体内的电子在光线作用下，物体内的电子逸出逸出物体表面物体表面向外发射的现象。向外发射的现象。条件：条件：光子能量大于该物体的表面逸出功光子能量大于该物体的表面逸出功结论：结论：光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功体的表面电子逸出功a a0 0；逸出的光电子具有动能；逸出

3、的光电子具有动能； 一定一定时，产生的光电流和光强成正比时，产生的光电流和光强成正比第8章 光电式传感器及其应用8u基于外光电效应的光电器件：基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管、光电管、光电倍增管、光电摄像管等光电摄像管等第8章 光电式传感器及其应用9二、二、内光电效应内光电效应 当光照在物体上，使物体的当光照在物体上，使物体的电导率电导率发生变化，或产生发生变化，或产生光光生电动势生电动势的现象。的现象。 当光照射在物体上，使物体的电导率发生变化的现象当光照射在物体上，使物体的电导率发生变化的现象 常见器件：光敏电阻常见器件：光敏电阻1. 光电导效应光电导效应光光半导体半导体电子吸

4、收能量（电子吸收能量（ ）跃迁跃迁电子电子-空穴对空穴对电导率增大电导率增大geh原理：原理：eg第8章 光电式传感器及其应用102、光生伏特效应、光生伏特效应pn光光生电子空穴对原理：原理：光光pn结结电子电子n, 空穴空穴p电动势电动势光线照射光线照射pn结时，设光结时，设光子能量大于禁带宽度子能量大于禁带宽度eg，使价带中的电子跃迁到使价带中的电子跃迁到导带，产生电子空穴对，导带，产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移下，被光激发的电子移向向n区外侧，被光激发区外侧，被光激发的空穴移向的空穴移向p区外侧，区外侧，从而使从而使p区带正电，区带正电，n区

5、区带负电，形成光电动势。带负电，形成光电动势。第8章 光电式传感器及其应用11三、三、 热释电效应（热释电效应（红外检测红外检测） 热释电效应：热释电效应：当一些晶体当一些晶体温度变化时，其原子排列将温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，发生变化，晶体自然极化，在晶体在晶体两表面产生电荷的现象。两表面产生电荷的现象。包含包含光光-热、热热、热-电电两个阶段的变换过程。两个阶段的变换过程。 热释电材料热释电材料:热释电晶体(铌酸锂、钽酸锂)、热释电陶瓷(钛酸钡（batio3）、锆钛酸铅（pzt）)和热释电塑料(聚偏二氟乙烯（pvdf）)等。应用：应用：红外探测器、温度传感器、热成像器件

6、等等 第8章 光电式传感器及其应用128.2 光电器件光电器件(光电传感器光电传感器) 光电管光电管:光电倍增管：光电倍增管：光敏电阻光敏电阻:光电二极管：光电二极管：光电三极管光电三极管 :光电池光电池:第8章 光电式传感器及其应用13一、光电管一、光电管 结构：结构：在真空玻璃管内装有光电阴极(逸出功小的光敏材料逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管内壁涂敷在玻璃管内壁)和阳极，感光面对准光的照射孔。当光线照感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料，便有电子逸出，并被正电位的阳极吸引，在光射到光敏材料，便有电子逸出，并被正电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。电管内形成空

7、间电子流，在外电路就产生电流。1. 光电管结构和工作原理光电管结构和工作原理原理：原理：基于外光电效应；基于外光电效应；光光阴极阴极光电子光电子阳极阳极空间空间电子流电子流外接电阻外接电阻压降压降u=f(i)u=f(i)（实现光电转换）（实现光电转换）特点：简单，灵敏度低特点：简单，灵敏度低 第8章 光电式传感器及其应用142、光电管的特性、光电管的特性 （1）光电管的伏安特性曲线）光电管的伏安特性曲线 当入射光的频率和通量确定时，阳极电压与电流之间的关系称为伏安特性 阳极电压较低：阴极发射的电子部分到达阳极，阳极电压较低：阴极发射的电子部分到达阳极，其余受光电子在真空中运动时所形成的负电场作

8、用，回到阴极。其余受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用，回到阴极。阳极电压增高：光电流随之阳极电压增高：光电流随之增大。当阴极发射的电子能增大。当阴极发射的电子能全部到达阳极时，阳极电流全部到达阳极时，阳极电流便很稳定，称为饱和状态。便很稳定，称为饱和状态。 第8章 光电式传感器及其应用15（2）光电管的）光电管的：当光电管阳极与阴极间所加电压和入射光频谱：当光电管阳极与阴极间所加电压和入射光频谱一定时，阳极电流一定时，阳极电流i与入射光在阴极上的光通量之间的关系。与入射光在阴极上的光通量之间的关系。第8章 光电式传感器及其应用16（3）光电管的）光电管的光谱特性光谱特性 同一光电管对于不

9、同频率的光，具有不同的灵敏度同一光电管对于不同频率的光，具有不同的灵敏度例：对例：对gd-4型光电管，阴极采用锑铯材料，对可见光范型光电管，阴极采用锑铯材料，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。第8章 光电式传感器及其应用17（4）光电管的频率响应）光电管的频率响应 光电管在从光子射入阴极到在阳极上获得光电子的时光电

10、管在从光子射入阴极到在阳极上获得光电子的时间间隔仅有几纳秒，但由于电极间的分布电容和负载电阻间间隔仅有几纳秒，但由于电极间的分布电容和负载电阻构成构成rc回路关系，使光电管工作响应时间延长至回路关系，使光电管工作响应时间延长至10-4量级，量级，在使用时，可以通过在使用时，可以通过降低负载电阻和减少分布电容方法，降低负载电阻和减少分布电容方法，提高频率响应。提高频率响应。 第8章 光电式传感器及其应用18二、二、 光电倍增管光电倍增管原理：原理：利用二次电子释放效应利用二次电子释放效应,将光将光电流在管内部进行放大。电流在管内部进行放大。二次电子释放效应：高速电子撞击二次电子释放效应：高速电子

11、撞击固体表面固体表面,再发射出二次电子的现象。再发射出二次电子的现象。1.结构与原理结构与原理光电管缺点：灵敏度较低光电管缺点：灵敏度较低改进：光电倍增管改进：光电倍增管入射光e1e3e2e4ka光电阴极光电阴极倍增极倍增极阳极阳极设第一倍增极有设第一倍增极有个二次电子发出，经过个二次电子发出，经过n次加速和轰击加速后，产生的电子数为次加速和轰击加速后，产生的电子数为 n称为二次电子发射比二次电子发射比 几种常见光电倍增管的结构 聚焦光栅光电层光云母屏蔽板阳极玻璃真空管阴极倍增极阳极阴极 倍增极阳极阳极聚焦电极倍增极导电层端窗聚焦环光阴极入射光(a)(b)(c)(d)几种常见的光电倍增管结构：

12、几种常见的光电倍增管结构：第8章 光电式传感器及其应用20几种光电倍增管的外形 第8章 光电式传感器及其应用212. 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性 光电特性光电特性 光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间关系 在入射光通最小于10-4 lm时，有较好的线性关系,当光通量再增大时，呈现非线性特性 第8章 光电式传感器及其应用22放大倍数放大倍数(电流增益电流增益) 在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流的比称为光电倍增管的放大倍数电流的比称为光电倍增管的放大倍数(或电流增益或电流增益)。光谱灵敏度和积分灵敏度光

13、谱灵敏度和积分灵敏度光电阴极对于一定波长辐射光的灵敏度称为光电阴极对于一定波长辐射光的灵敏度称为光谱灵敏波，光谱灵敏波，而对复合光而对复合光(或称白光或称白光)的灵敏度称为的灵敏度称为积分灵敏度积分灵敏度。积分灵敏度可用光照灵敏度来表示，即以光电流与光源入积分灵敏度可用光照灵敏度来表示，即以光电流与光源入射于阴极的光通量之比来定义。射于阴极的光通量之比来定义。nii倍增极的电压是由分压电阻链r1、r2、rn+1获得e1e3e4e5e6e7e8e9e10e11e2r1r2r3r4r5r6r7r8r9r10r11r12c3c2c1阴极阳极输出rlciau第8章 光电式传感器及其应用24玻璃光电导层

14、电极绝缘衬底金属壳黑色绝缘玻璃引线三、 光敏电阻光敏电阻1.光敏电阻的结构及原理光敏电阻的结构及原理光敏电阻的电极构造与封装电极光导体光敏电阻的结构光敏电阻的结构如图第8章 光电式传感器及其应用25光敏电阻工作过程光敏电阻工作过程rgrlei原理：原理：基于光电导效应基于光电导效应无光照：无光照：光敏电阻阻值很大;有光照：有光照：光子能量大于材料禁带宽度,价带中的电子吸收光子能量后激发出电子-空穴对,使电阻降低;光线愈强,激发出的电子-空穴对越多,电阻值越低;光照停止：光照停止：自由电子与空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。第8章 光电式传感器及其应用262、光敏电阻的、光敏电阻的特性及特点

15、特性及特点： 光敏电阻对光敏感光敏电阻对光敏感,当改变光照强度时当改变光照强度时,电阻的大小也随电阻的大小也随着改变。一般会随着光照强度的着改变。一般会随着光照强度的增大增大而电阻值而电阻值减小减小。） 暗电阻暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称此时流过的电流称为暗电流。为暗电流。 ） 亮电阻亮电阻光敏电阻在光照射时的电阻称亮电阻光敏电阻在光照射时的电阻称亮电阻, 此时流过的电流称亮此时流过的电流称亮电流。电流。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。 ） 光电流光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。暗

16、电流越小，光电流越大，光敏电阻的灵敏度越高。 暗电阻一般超过1m,甚至高达100m，亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，灵敏度很高。第8章 光电式传感器及其应用274) 光照特性光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光敏电阻的光照特性。不同类型的光敏电阻,光照特性不同。光敏电阻的光照特性 0.050.100.150.200.2500.20.40.60.8光通量 / lm光电流 / ma第8章 光电式传感器及其应用285)光谱特性光谱特性 光敏电阻对不同波长的光,光谱灵敏度不同,而且不同种类光敏电阻峰值波长也不同。光敏电阻的光谱灵敏度 00.511.522.532

17、0406080100硫化镉硫化铊硫化铅不同材料，其峰值不同材料，其峰值波长不同。波长不同。同一种材料，对不同一种材料，对不同波长的入射光，其同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响相对灵敏度不同，响应电流不同。应电流不同。应根据光源的性质，应根据光源的性质，选择合适的光电元件选择合适的光电元件（匹配）使光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏得到较高得相对灵敏度。度。第8章 光电式传感器及其应用296) 伏安特性伏安特性 在一定照度下,光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系,称为伏安特性。光敏电阻的伏安特性 0408012016020051525351000 lx100 lx耗散功率500

18、mw电压 / v电流 / ma10 lx一定光照，一定光照，r一定，一定，i正比于正比于u。一定电压，一定电压，i随着光随着光照照e增强而增大。增强而增大。 eri。7) 响应时间和频率特性响应时间和频率特性当光敏电阻受到脉冲光作用时，光电流需要经历一段时当光敏电阻受到脉冲光作用时，光电流需要经历一段时间才上升到最大值。这种响应时间用时间常数来表示。间才上升到最大值。这种响应时间用时间常数来表示。多数光敏电阻时间常数在多数光敏电阻时间常数在10-210-6s数量级。数量级。响应时间长短与照度有关响应时间长短与照度有关不同材料的光不同材料的光敏电阻具有不敏电阻具有不同的时间常数同的时间常数及频率

19、特性及频率特性1-硫化铅硫化铅2-硫化铊。硫化铊。第8章 光电式传感器及其应用318) 温度特性温度特性 温度变化影响温度变化影响暗电阻和灵敏度，也暗电阻和灵敏度，也影响光敏电阻的光谱影响光敏电阻的光谱响应。响应。 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线的峰值随着温度的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。上升向波长短的方向移动。第8章 光电式传感器及其应用32常用材料光敏电阻的典型参数常见光敏电阻常见光敏电阻第8章 光电式传感器及其应用33一个实际的光敏电阻开关电路 10 k51 k220 7.7 k220 120 继电器28 vd2v3v2v1d10v3、光敏电阻的

20、、光敏电阻的应用应用第8章 光电式传感器及其应用34wr9013crgra0v)(24720hnhu光照度计：光照度计：u农作物日照时数测定：农作物日照时数测定：输出接单片机的输出接单片机的i/o口，每口，每2分钟对此口查询分钟对此口查询1次，为高电次，为高电平，计数一次，为低电平，平，计数一次，为低电平，不计数。不计数。1天查询天查询720次。次。 无光照无光照v0=vl ；有光照；有光照v0=vh。第8章 光电式传感器及其应用35四、光电二极管和光电三极管四、光电二极管和光电三极管1.光电二极管和光电三极管的结构及原理光电二极管和光电三极管的结构及原理 光电二极管光电二极管:利用pn结单向

21、导电性的结型光电器件,结构与一般二极管类似。pn结安装在管的顶部,便于接受光照。外壳上面有一透镜制成的窗口以使光线集中在敏感面上。 为了获得尽可能大的光生电流为了获得尽可能大的光生电流,pn结的面积比一般结的面积比一般二极管要大。二极管要大。 为了光电转换效率高为了光电转换效率高,pn结的深度较一般二极管浅。结的深度较一般二极管浅。第8章 光电式传感器及其应用36光电二极管大多数情况下工作在反向偏压状态反向偏压状态。当光照射时，光敏二极管处于导通状态。当光照射时，光敏二极管处于导通状态。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。第8章 光电式传感器及其应用37

22、 光电三极管：光电三极管：可以等效看作一个光电二极管和一只晶体三极管的结合。基极开路,集电极与发射极之间加正电压。当光照射集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时在集电结上时, 在结附近产生电子在结附近产生电子-空穴对空穴对, 电子在结电场的作电子在结电场的作用下，由用下，由p区向区向n区运动，形成基极电流，区运动，形成基极电流，被晶体管放大倍倍, 因此光电三极管的灵敏度比光电二极管的灵敏度高几十倍。nnp ico icn输入光发射极电极基极电极ico基极b集电极c发射极e保护膜(sio2)集电极电极(a)icoicocbe(1)ico(b)第8章 光电式传感器及其应用382.光敏管的

23、特性光敏管的特性 1)光谱特性光谱特性 光电三极管的光谱特性曲线与光电二极管的相似。光电三极管的光谱特性曲线与光电二极管的相似。 当当入射光的波长增加时入射光的波长增加时,相对灵敏度要下降相对灵敏度要下降,这是因为光子这是因为光子的能量太小的能量太小,不足以激发出电子不足以激发出电子-空穴对。空穴对。 当当入射光波长太短时相对灵敏度也下降入射光波长太短时相对灵敏度也下降,这是因为光子在这是因为光子在半导体表面附近激发的电子半导体表面附近激发的电子空穴在半导体表面附近便被吸空穴在半导体表面附近便被吸收收,不能达到不能达到pn结。结。020406080100硅锗入射光相对灵敏度/%波长/nm400

24、800120016002000材料不同, 峰值波长也不同,应根据光谱特性来确定光源和光电器件的最佳匹配。第8章 光电式传感器及其应用39 2) 伏安特性硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线，（a）图为硅光敏二极管，（b）图为硅光敏三极管。光敏三极管的光电流比相同管型的光敏二极管的光电流大上百倍。在零偏压时，二极管仍有光电流输出，三极管则没有第8章 光电式传感器及其应用40 3) 光照特性 光照特性反映集电极输出电流ic和照度ec之间的关系。 三极管的光照特性曲线线性不太好三极管的光照特性曲线线性不太好,在大电流时有饱和在大电流时有饱和现象。光电二极管在反向偏压的作用下现象。光电二极管在反向偏压的

25、作用下,光照特性曲线有良光照特性曲线有良好的线性。好的线性。 硅光敏管的光照特性（a）硅光敏二极管；（b）硅光敏三极管 第8章 光电式传感器及其应用41 4) 温度特性 温度对光电管暗电流和光电流的影响,如图所示。 温度变化对光电流的影响很小温度变化对光电流的影响很小,而对暗电流影响很大。而对暗电流影响很大。第8章 光电式传感器及其应用42 5) 频率响应(特性)和时间常数 光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时,光电管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系。 光电管的频率响应与其物理结构、工作状态、负载以及光电管的频率响应与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。入射

26、光波长等因素有关。硅光电三极管的频率响应曲线100806040200110100调制光频率 / khz相对灵敏度 / %100 k10 krl 1 k第8章 光电式传感器及其应用43 光电管的时间常数光电管的时间常数:在10-1010-4 s之间,硅管时间常数较小,响应频率高。有些特殊用途的光电管,如硅pin光电二极管其响应频率高达几百兆赫兹,暗电流小到1na。 p-si n-si i-si硅硅pin管光电二极管管光电二极管:特点：特点：频带宽，可达10ghz。在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。不足：不足：i层电阻很大，输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。第8章 光电式传

27、感器及其应用44工作电压很高工作电压很高，约，约100100200v200v，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离光生电子在这强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，雪崩反应。因此， apd有很高的内增益，可达到几百。响应速度特别有很高的内增益，可达到几百。响应速度特别快，快，带宽可达带宽可达100ghz100ghz，是目前是目前响应速度最快的一种光电二极管响应速度最快的一种光电二极管。在。在光通光通信中应用前景广阔。信中应用前景广阔。 缺点：噪声大缺点：噪声大雪崩光电二

28、极管雪崩光电二极管(apd) :光+p环形电极()n()p光照光生载流子强电场加速与其它原子碰撞产生二次电子空穴雪崩放大第8章 光电式传感器及其应用45硅硅pin光电二光电二极管极管硅光电硅光电二极管二极管第8章 光电式传感器及其应用46几种硅（锗）光电三极管的特性参数 第8章 光电式传感器及其应用47五、光电池五、光电池1.光电池的结构及原理光电池的结构及原理原理：基于光生伏特效应原理：基于光生伏特效应光电池有光电池有较大面积的较大面积的pn结结，当光，当光照到照到pn结区时，如果光子能量足结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在空穴对，在n

29、区聚积负电荷，区聚积负电荷，p区区聚积正电荷，这样聚积正电荷，这样n区和区和p区之间区之间出现出现光生电动势光生电动势。+光pnsio2rl 光电池光电池可把太阳能直接变电能，又称为太阳能电池,是发电式有源元件.下电极下电极梳状电极梳状电极siosio2 2抗反射膜抗反射膜p pn n第8章 光电式传感器及其应用48种类：种类：硒光电池、氧化亚铜光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红转换效率高，寿命长，适于接受红外光外光。硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可适于接收可见光见光(响应峰值波长响应峰值波长0.56m)，最适宜制造

30、照度计，常用于，最适宜制造照度计，常用于分析仪器、测量仪表。分析仪器、测量仪表。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。方面的应用是有发展前途的。第8章 光电式传感器及其应用49sesige0.40.811.52波长/m相对灵敏度 / %5010002 2、光电池特性、光电池特性 硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。如用照度计测定光的强度。硅硅光

31、电池的光谱峰值在光电池的光谱峰值在800nm800nm附近，硒的在附近，硒的在540nm540nm附近。附近。1 1）光谱特性：）光谱特性： 第8章 光电式传感器及其应用500.30.20.1120.60.40.2020004000照度 / lx光电流/ma光生电压 / v0 2)光照特性光照特性不同光照射下有不同不同光照射下有不同光电流和光生电动势。光电流和光生电动势。短路电流在很大范围短路电流在很大范围内与光强成线性关系。内与光强成线性关系。开路电压与光强是非线性的，且在开路电压与光强是非线性的，且在2000 lx时趋于饱和。时趋于饱和。光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来光电池

32、作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。第8章 光电式传感器及其应用51硅光电池光照特性与负载的关系2.01.00200400600800 10001.7 100 200 500 1000 照度 / lx光电流 / ma光电池负载越小，光电流与光电池负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽。负载在而且线性范围越宽。负载在100 以下，线性还是比较好以下，线性还是比较好的，负载电阻太大，则线性的，负载电阻太大，则线性变坏变坏 第8章 光电式传感器及其应用523) 频率特性

33、频率特性光电池的频率特性是指输出电流随光电池的频率特性是指输出电流随调制光频率调制光频率变化的关系变化的关系, 反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。硅光电池有反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面100806040200150030004500600021f / hzir / %硅光电池硅光电池硒光电池硒光电池第8章 光电式传感器及其应用53uoc / mvisc / mauocisc60040020003060204060t / 904) 温度特性温度特性第8章 光电式传感器及其应用5

34、4几种硅光电池的性能参数 第8章 光电式传感器及其应用55光电池外形光电池外形第8章 光电式传感器及其应用563 3、应用、应用光电探测器：光电探测器：光电定向、照度计+12v-12v 在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。5g23c3wr1r2r3r4r5c1c218765432第8章 光电式传感器及其应用573 3、应用、应用太阳能电池：太阳能电池：卫星、灯塔、高空侦察气球（几万米）第8章 光电式传感器及其应用58太阳电池发电系统：主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交

35、流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。 调节控制器调节控制器逆变器逆变器 交流负载交流负载太阳太阳电池电池方阵方阵 直流负载直流负载太阳能电池电源系统太阳能电池电源系统阻塞二极管阻塞二极管第8章 光电式传感器及其应用59六、其他光电器件六、其他光电器件u光电耦合器：发光和接收元件都封光电耦合器：发光和接收元件都封装在一个外壳内。它以光为媒介，实装在一个外壳内。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。现输入电信号耦合到输出端。应用应用:电路中的强弱电隔离。电路中的强弱电隔离。发光二极管发光二极管光敏三极管光敏三极管强弱电隔离。强弱电隔离。 输入输出之间绝缘电阻很高。耐压

36、达输入输出之间绝缘电阻很高。耐压达2000v以上。能避以上。能避免输出端对输入端的干扰。免输出端对输入端的干扰。对系统内部噪声有很强的抑制作用。对系统内部噪声有很强的抑制作用。发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）的噪声有旁路作用。（滤除噪声）特点：特点：第8章 光电式传感器及其应用60u光电开关：光电开关：光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可实现限位控制、产品计数光探测装置。可实现限位控制、产品计数, 料位检测，越限料位检测

37、，越限安全报警及计算机输入接口等用途。安全报警及计算机输入接口等用途。透射式透射式 反射式反射式第8章 光电式传感器及其应用61光电开关与光电耦合器件比较光电开关与光电耦合器件比较 都是由发光端和受光端组成的组合件。都是由发光端和受光端组成的组合件。区别：区别： 光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板 光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内。透光的管壳内。 应用：应用：光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、非接触开关，及各种光光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、

38、非接触开关，及各种光电控制等方面。电控制等方面。光电耦合器多用于抗干扰电路、电平转换、长线传输、过流保护及高光电耦合器多用于抗干扰电路、电平转换、长线传输、过流保护及高压控制等方面。压控制等方面。光电开关与光电耦合器光电开关与光电耦合器 共同点：共同点：红外光 t0黑色膜电极(透明)强电介质电极(不透明) p+pu热释电传感器：热释电传感器： 利用热释电效应来检测受光面的温度升高值,得知光的辐射强度,在红外检测红外检测中得到广泛的应用，可用于能产生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。 pvdffet硅窗地电极压环环形电极弹簧绝缘环第8章 光电式传感器及其应用63热释电

39、感应灯热释电传感器热释电传感器第8章 光电式传感器及其应用64 ucerl特点：增益很大；当输入为0.1mw/cm2时,可获得2ma的集电极电流。缺点：响应速度低,当负载电阻为几千欧时,响应时间为毫秒量级。 u达林顿光电三极管：达林顿光电三极管： 光电三极管与普通三极管内部采用达林顿接线方式集成光电三极管与普通三极管内部采用达林顿接线方式集成在一起的组件在一起的组件第8章 光电式传感器及其应用65u光电角度编码器光电角度编码器 用光电方法把被测用光电方法把被测角角位移位移转换成以转换成以数字代数字代码码形式表示的电信号形式表示的电信号的转换部件。的转换部件。1-光源，光源，2-透镜，透镜，3-

40、码盘，码盘，4-狭缝，狭缝，5-光电组件光电组件第8章 光电式传感器及其应用66绝对接触式编码器演示4 4个光电元件个光电元件 4 4位二进制码盘位二进制码盘 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 第8章 光电式传感器及其应用678.3、光电传感器应用、光电传感器应用按被测物与光电元件和光源之间的关系，光电式传感器的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：应用有以下四种：1、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、光如：光电比色温度计、光照度计等照度计等被测物被测物光电元件光电元件2、恒定光源发出的光通量透过被测、恒定光源发出的光通量透

41、过被测物，由被测物吸收一部分后到达光电物，由被测物吸收一部分后到达光电元件上。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第8章 光电式传感器及其应用68 3、恒定光源发出的光通量经过、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被测物遮挡一部分后照射到光电元件上。元件上。 如：测元件尺寸、运动状态等如：测元件尺寸、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4、恒定光源发出的光通、恒定光源发出的光通量经被测物反射后到达光量经被测物反射后到达光电元件上。电元件上。 如：测纸张白度、零件表如：测纸张白度、零件表面粗糙

42、度、光电转速表等面粗糙度、光电转速表等第8章 光电式传感器及其应用69应用实例应用实例1.1.红外线辐射温度计红外线辐射温度计 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范围可以从-30-3030003000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。选择适合的型号。食品温度测量食品温度测量集成集成ic 温度测量温度测量第8章 光电式传感器及其应用70光

43、、光、 机、电一体化的红外测温系统机、电一体化的红外测温系统814 m第8章 光电式传感器及其应用712.2.反射式烟雾报警器反射式烟雾报警器 在没有烟雾在没有烟雾时，由于红外对时，由于红外对管相互垂直，烟管相互垂直，烟雾室内又涂有黑雾室内又涂有黑色吸光材料，所色吸光材料，所以红外以红外led发出发出的红外光无法到的红外光无法到达红外光敏三极达红外光敏三极管。管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光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（图中只画出几个微粒的反射示意），使产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。部分红外光到达光

44、敏三极管，有光电流输出。第8章 光电式传感器及其应用723.光电自动门光电自动门自动门光电传感器放大图自动门光电传感器放大图有效检测区域有效检测区域第8章 光电式传感器及其应用734 4、路灯自动控制器、路灯自动控制器220vc1路灯cjd-108v200f200fc2c3100fr1r3r5r7r4r6r7r2j470k200k10k4.3kbg1280k25k57k10kbg2bg3bg42cr第8章 光电式传感器及其应用745、热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测出屋智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，此自动调节空调的出风量，以

45、达到节能的目的。以达到节能的目的。 空调中，热空调中，热释电释电传感器的菲涅尔传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。是静止着还是走动着。上下范围上下范围左右范围左右范围第8章 光电式传感器及其应用755.产品计数产品计数第8章 光电式传感器及其应用766、光电数字式转速表光电转换电路、光电数字式转速表光电转换电路n =60( f /z ) 第8章 光电式传感器及其应用77第8章 光电式传感器及其应用781. 光电效应有哪些？这些光电效应对应哪些光电效应有哪些？这些光电效应

46、对应哪些光电元件？光电元件？2. 这些光电元件有哪些特点？分别适用哪些这些光电元件有哪些特点？分别适用哪些场合？场合？小结：小结：第8章 光电式传感器及其应用798.4 光电数字式传感器光电数字式传感器 一、数字式传感器分类和特点 1. 数字式传感器分类及工作原理数字式传感器分类及工作原理数字式传感器：把输入量转换成数字量输出的传感器数字式传感器：把输入量转换成数字量输出的传感器（1） 代码型数字式传感器代码型数字式传感器 代码型数字式传感器又称为编码器代码型数字式传感器又称为编码器,输出的每输出的每个代个代码相当于一个定量的输入值。码相当于一个定量的输入值。k1:输出代码为输出代码为10l0

47、；k2:输出代码为输出代码为1011。代码的代码的“1”为高电平，为高电平，“0”为低电平。为低电平。（a）代码型；（）代码型；（b）计数型）计数型 第8章 光电式传感器及其应用80（2） 计数型数字式传感器计数型数字式传感器计数型数字式传感器也称脉冲数字式传感器计数型数字式传感器也称脉冲数字式传感器(上图上图b)。脉。脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数，可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检数，可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量。这时执行机构每移动一定距离或测执行机构的位移量。这时执行机构每移

48、动一定距离或转动一定角度，传感器就会发生一个脉冲信号，如增量转动一定角度，传感器就会发生一个脉冲信号，如增量式光电脉冲编码器和光栅传感器。式光电脉冲编码器和光栅传感器。 2. 数字式传感器特点数字式传感器特点高测量精度高测量精度高分辨率高分辨率高信噪比高信噪比适宜在恶劣环境下和远距离传输情况下使用适宜在恶劣环境下和远距离传输情况下使用容易和其它对接容易和其它对接第8章 光电式传感器及其应用81二、光电角度编码器光电角度编码器 用光电方法把被测用光电方法把被测角角位移位移转换成以转换成以数字代数字代码码形式表示的电信号形式表示的电信号的转换部件。的转换部件。1-光源，光源，2-透镜，透镜，3-码

49、盘，码盘，4-狭缝，狭缝，5-光电组件光电组件第8章 光电式传感器及其应用82绝对接触式编码器演示4 4个光电元件个光电元件 4 4位二进制码盘位二进制码盘 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 第8章 光电式传感器及其应用83根据码盘的起始和终止位根据码盘的起始和终止位置就可确定转角置就可确定转角 6位二进制码盘位二进制码盘第8章 光电式传感器及其应用84二进制码盘主要特点：二进制码盘主要特点： （1 1）n n位位(n(n个码道个码道) )的二进制码盘具有的二进制码盘具有2 2n n种不同编码，最小分种不同编码，最小分辨力辨力1 13603600 02 2n n；（2 2）二进制码

50、为有权码，编码二进制码为有权码，编码c cn n,c,cn-1n-1，c c1 1对应于由零位对应于由零位算起的转角为：算起的转角为：（3 3）码盘转动中，）码盘转动中，c ck k变化时，所有变化时，所有c cj j(j(jk)k)应同时变化。应同时变化。1112niiic 某某6 6码道的二进制光电码盘，光线照射时得到码道的二进制光电码盘，光线照射时得到编码为编码为011000011000，则转角为多少？，则转角为多少？第8章 光电式传感器及其应用85(1)n(1)n位循环码码盘具有位循环码码盘具有2 2n n种不同编码种不同编码；(2)(2)循环码为无权码；循环码为无权码；(3)(3)循

51、环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化， 不会产生粗误差。不会产生粗误差。 第8章 光电式传感器及其应用86角编码器外形角编码器外形 拉拉线式线式角编角编码器利用线轮，码器利用线轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。安装轴安装轴第8章 光电式传感器及其应用87转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的a、b狭缝狭缝ledabc零位标志零位标志abc第8章 光电式传感器及其应用88三、直线位移编码器三、直线位移编码器 u间接直线位移编码器间接直线位移编码器通过机械转换装置，把被测体的

52、通过机械转换装置，把被测体的直线位移直线位移转换成转换成角位角位移移。这样，可以用角度数字编码器直接测量线位移。这样，可以用角度数字编码器直接测量线位移。图示为一种典型的间接线位移编码器结构图示为一种典型的间接线位移编码器结构第8章 光电式传感器及其应用89用途：机床和类似的设备中，轴的旋转将引起螺母的直线位移，用途：机床和类似的设备中，轴的旋转将引起螺母的直线位移，被测体就装在这个螺母上，轴上装有标准的编码盘。如果码盘被测体就装在这个螺母上，轴上装有标准的编码盘。如果码盘采用增量式编码器，则可测得位移的方向和相对于基准位置的采用增量式编码器，则可测得位移的方向和相对于基准位置的大小，行程范围

53、比较大，这种系统的精度可在大小，行程范围比较大，这种系统的精度可在1m行程上达到行程上达到0.003mm。第8章 光电式传感器及其应用90u直接直线位移编码器直接直线位移编码器通常有一个长标尺和沿标尺运动的扫描点，用于感受和测通常有一个长标尺和沿标尺运动的扫描点，用于感受和测量任何相对位移。优点：避免了一套直线旋转转换的机械量任何相对位移。优点：避免了一套直线旋转转换的机械装置，也避免了由此产生的变换误差。光栅直接增量式直装置，也避免了由此产生的变换误差。光栅直接增量式直线位移传感器就是一种高精度、高速线位移传感器。线位移传感器就是一种高精度、高速线位移传感器。光栅式测量是利用光通过相叠的两片

54、光栅片时形成莫尔条纹光栅式测量是利用光通过相叠的两片光栅片时形成莫尔条纹的原理进行的。光栅光学系统有主光栅的原理进行的。光栅光学系统有主光栅(动光栅动光栅)和指标光栅和指标光栅(定光栅定光栅) 。第8章 光电式传感器及其应用91编码器在定位加工中的应用1 1绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 第8章 光电式传感器及其应用92 编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出为当前刀角编码器的输出为当前刀具号具号角编码器与角编码器与 旋转旋转刀库连接刀库连接第8章 光电式传感器及其应用93四

55、、数字式光电传感器应用四、数字式光电传感器应用 光学码盘测角仪的原理图光学码盘测角仪的原理图1光源光源 2大孔径非球面聚光镜大孔径非球面聚光镜 3码盘码盘 4狭缝狭缝 5光电元件光电元件1、光学码盘测角仪、光学码盘测角仪第8章 光电式传感器及其应用941 1绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 2、编码器在定位加工中的应用第8章 光电式传感器及其应用953、编码器在数控加工刀库选刀控制中的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出为当前刀角编码器的输出为当前刀具号具号角编码器与旋转刀库连接角编码器与旋转刀库连接第8章 光电式传感器及其应用96角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制伺服电机控制等。等。 m法测速（适合于高转速场合）t 编码器每转