《光电式传感器》ppt课件

1、 光电式传感器光电式传感器引言引言n光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成光信号的变化，然后再经过光电转换元件把光光信号的变化，然后再经过光电转换元件把光信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感器的丈量方法灵敏多样，并且具有运用方便、器的丈量方法灵敏多样，并且具有运用方便、非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反响非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反响快等一系列优点，因此开展非常迅速，而且随快等一系列优点，因此开展非常迅速，而且随着激光、光栅、光导纤维、着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继等器件的相继问世，

2、光电传感器在检测及自动控制领域中得问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得到了更广泛的运用。到了更广泛的运用。9.1.1 光电效应光电效应n所谓光电效应是指在光的照射下一些金所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧化物或半导体资料释放电子属、金属氧化物或半导体资料释放电子的景象。的景象。n光子是具有一定能量的微粒，是以光速光子是具有一定能量的微粒，是以光速运动的粒子流。每一个光子都具有一定运动的粒子流。每一个光子都具有一定的能量，它的能量大小的能量，它的能量大小E与其频率与其频率 成正成正比。比。hchE9.1 光电传感器9.1.1 光电效应光电效应n光电效应分为内光电效应和外光电效应。当

3、光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物体外表，而只在物体的内部运动并使物体的体外表，而只在物体的内部运动并使物体的电学特性发生变化的景象叫做内光电效应，电学特性发生变化的景象叫做内光电效应，内光电效应多产生于半导体资料内。内光电效应多产生于半导体资料内。n当物体在光的作用下使物体中的电子从物体当物体在光的作用下使物体中的电子从物体外表逸出的景象，叫做外光电效应，外光电外表逸出的景象，叫做外光电效应，外光电效应多发生于金属或金属氧化物内。效应多发生于金属或金属氧化物内。 特点特点n光的波长越短，即频率越高，其光子的光的波

4、长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。不同颜色的光子光子的能量也就越小。不同颜色的光子由于其光波频率不同其能量也是不同的，由于其光波频率不同其能量也是不同的，绿光光子比红光光子具有更多的能量，绿光光子比红光光子具有更多的能量，照射在物体上可看作是一连串具有能量照射在物体上可看作是一连串具有能量为为E的粒子轰击在物体上。光子与物质间的粒子轰击在物体上。光子与物质间的衔接体是电子。的衔接体是电子。9.1.2 外光电效应器件外光电效应器件n光电管光电管9.1.2 外光电效应器件外光电效应器件n光电管的伏安特性曲线光电管的伏

5、安特性曲线UA（V）)( AI6010002040801234lm1 . 00.050.02lmlm9.1.2 外光电效应器件外光电效应器件n光电管的光照特性光电管的光照特性银氧铯阴极光电管光通量（lm）04812160.20.40.60.81.0)( AI光电流锑铯阴极光电管9.1.2 外光电效应器件外光电效应器件n光电管的光谱特性曲线光电管的光谱特性曲线9.1.2 外光电效应器件外光电效应器件n光电倍增管光电倍增管9.1.2 外光电效应器件外光电效应器件n光电倍增管的任务原理光电倍增管的任务原理n基于外光电效应、二次电子发射基于外光电效应、二次电子发射和电子光学根底上。在光电倍增管的各和电

6、子光学根底上。在光电倍增管的各倍增电极倍增电极D1、D2、D3和阳极上，依和阳极上，依次有逐渐增高的正电压，即阴极电位最次有逐渐增高的正电压，即阴极电位最低，从阴极开场，各个倍增电极的电位低，从阴极开场，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高，而且相邻两依次升高，阳极电位最高，而且相邻两极之间电压应使二次发射系数大于极之间电压应使二次发射系数大于1。在。在入射光作用下，光电阴极发射的光电子入射光作用下，光电阴极发射的光电子在在D1电场作用下，以高速向倍增电极电场作用下，以高速向倍增电极D1打去，产生二次发射，于是更多的二打去，产生二次发射，于是更多的二次发射电子又在次发射电子又在D2电场作用

7、下，射向第电场作用下，射向第二倍增电极，激发更多的次发射电子，二倍增电极，激发更多的次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电子，如此不断倍增，最后阳极次发射电子，如此不断倍增，最后阳极搜集到的电子数将到达阴极发射电子数搜集到的电子数将到达阴极发射电子数的的105106倍，即光电倍增管的放大倍，即光电倍增管的放大倍数可到达几万倍到几百万倍。光电倍倍数可到达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万倍。因此，在很微弱的光照下，几百万倍。因此，在很微弱的光照下，光电倍增管也能产生很大的光电流。光电

8、倍增管也能产生很大的光电流。9.1.2 外光电效应器件外光电效应器件n光电倍增管的主要参数光电倍增管的主要参数n1)倍增系数倍增系数M。n2)光电阴极灵敏度和光电倍增管的总光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。灵敏度。极间电压（V）251035075100125150104105106放大倍数9.1.3 内光电效应器件内光电效应器件n光电倍增管的主要参数光电倍增管的主要参数n1倍增系数倍增系数M。n2光电阴极灵敏度和光电倍增管的总光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。灵敏度。极间电压（V）251035075100125150104105106放大倍数1光敏电阻光敏电阻 n光敏电阻又称光导管，是

9、一种均质半导光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件。它具有灵敏度高、光谱呼体光电元件。它具有灵敏度高、光谱呼应范围宽、体积小、分量轻、机械强度应范围宽、体积小、分量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载才干强和高、耐冲击、耐振动、抗过载才干强和寿命长等特点寿命长等特点 1光敏电阻的原理和构造。光敏电阻的原理和构造。 n光敏电阻遭到光照时，由于内光电效应，因光敏电阻遭到光照时，由于内光电效应，因此其导电性能加强而电阻此其导电性能加强而电阻R0值下降，所以流值下降，所以流过负载电阻过负载电阻RL的电流的电流n及其两端电压会发生变及其两端电压会发生变n化。普通而言，光线越化。普通而言，光线越n

10、强，电流越大。当光照强，电流越大。当光照n停顿时，光电效应会立停顿时，光电效应会立n即消逝，电阻又恢复原即消逝，电阻又恢复原n值。值。 光敏电阻 当光敏电阻遭到光照时， 阻值减小。2光敏电阻的根本特性和主要光敏电阻的根本特性和主要参数。参数。光敏电阻的伏安特性。光敏电阻的伏安特性。 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 。 Sr(%)（A）2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉灵敏度波长光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性暗电阻、亮电阻与光电流。暗电阻、亮电阻与光电流。光敏电阻在遭到光照射时的电阻称为亮电光敏

11、电阻在遭到光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。在没阻，此时流过的电流称为亮电流。在没有遭到光照射时的阻值称为暗电阻，此有遭到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流被称为暗电流。时流过的电流被称为暗电流。10080604020010100100010000S( %)（Hz）硫化镉硫化铅频率灵敏度光敏电阻的温度特性。光敏电阻的温度特性。 1.02.03.04.0020406080100(%)-20+20波长（m）灵敏度2光敏晶体管光敏晶体管 n光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，它们的任务原理是基管、光敏晶闸管，它们的任务原理是基于

12、内光电效应。光敏三极管的灵敏度比于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，目前光敏二极管高，但频率特性较差，目前广泛运用于光纤通讯、红外线遥控器、广泛运用于光纤通讯、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出安装等场所。光敏晶闸管主要光电读出安装等场所。光敏晶闸管主要运用于光控开关电路运用于光控开关电路 1光敏晶体管构造与任务原理光敏晶体管构造与任务原理 n 光敏二极管。光敏二极管。 n通常处于反向通常处于反向偏置形状偏置形状 。当。当没有光照射时，没有光照射时，其反向电阻很其反向电阻很大，反向电流大，反向电流很小，这种

13、反很小，这种反向电流称为暗向电流称为暗电流。电流。 1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引脚 6N型衬底 7SiO2维护圈8SiO2透明维护层 9铝引出电极 10P型分散层 11PN结 12金属引出线光敏二极管外形 光敏二极管阵列光敏二极管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件元件的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。于分光镜。红外发射、接纳对管外形 红外发射管红外发射管红外接纳管红外接纳管 光敏三极管光敏三极管 n集电极电流是原集电极电流是原始光电电流的始光电电流的倍。因此，光敏倍。因此，光敏三极管比光敏二三极管比光敏二极管的灵敏度高极管的灵敏度高许多

14、倍。许多倍。 光敏三极管光敏三极管 光敏三极管外形光敏三极管外形 光敏晶闸管光敏晶闸管 n光敏晶闸管光敏晶闸管LCR又称为光控晶闸管又称为光控晶闸管 n光敏晶闸管的特点是任务电压很高，有光敏晶闸管的特点是任务电压很高，有的可达数百伏，导通电流比光敏三极管的可达数百伏，导通电流比光敏三极管大得多，因此输出功率很大，在自动检大得多，因此输出功率很大，在自动检测控制和日常生活中运用会越来越广泛。测控制和日常生活中运用会越来越广泛。光敏晶闸管外形光敏面2光敏晶体管的根本特性。光敏晶体管的根本特性。 n 光谱特性。光谱特性。n 相对灵敏度100806040200入射光锗硅波长（m）(%)0.421.61

15、.20.8n 伏安特性伏安特性 n光敏晶体管的光照特性光敏晶体管的光照特性n 光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性n 光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性.电池电池 n光电池的任务原理是基于光生伏特效应，光电池的任务原理是基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出当光照射到光电池上时，可以直接输出光电流。常用的光电池有两种，一种是光电流。常用的光电池有两种，一种是金属金属半导体型，另一种是半导体型，另一种是PN结型，如结型，如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。硒光电池、硅光电池、锗光电池等。 硅光电池的构造及任务原理硅光电池的构造及任务原理 n用导线衔接用导线衔接P区区和和N区

16、，电路中区，电路中就有电流流过就有电流流过 光电池外形光敏面光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形光电池在动力方面的运用续光电池在人造卫星上的运用光电池在人造卫星上的运用典型的光电开关构造典型的光电开关构造 1发光元件 2接纳元件 3壳体 4导线 5反射物 6窗体 光电开关外形运用范围运用范围n用光电开关检测物体时，大部分只需求用光电开关检测物体时，大部分只需求其输出信号有其输出信号有“高高低之分即可。低之分即可。 n光电开关广泛运用于工业控制、自动化光电开关广泛运用于工业控制、自动化包装线及平安安装中作光控制和光探测包装线及平安安装中作光控制和光探测安装。可在自控系统中用作物体检测、安装。可

17、在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、平安产品计数、料位检测、尺寸控制、平安报警及计算机输入接口等用途。报警及计算机输入接口等用途。 9.1.4 光电传感器的运用光电传感器的运用n1、烟尘浊度监测仪、烟尘浊度监测仪n 烟囱里的烟尘浊度是经过光在烟囱烟囱里的烟尘浊度是经过光在烟囱里传输时的变化大小来检测的。假设烟里传输时的变化大小来检测的。假设烟尘浊度添加，那么光源发出的光被烟尘尘浊度添加，那么光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射就会添加，使到达接颗粒的吸收和折射就会添加，使到达接纳端的光减少，因此光检测器输出的信纳端的光减少，因此光检测器输出的信号就会减弱；反之，烟尘浊度减少，

18、光号就会减弱；反之，烟尘浊度减少，光检测器输出的信号就会加强。检测器输出的信号就会加强。9.1.4 光电传感器的运用光电传感器的运用n吸收式烟尘浊度检测仪框图吸收式烟尘浊度检测仪框图白炽光光源光检测器放大电路显示电路刻度校正报警电路烟囱9.1.4 光电传感器的运用光电传感器的运用n2、光电转速传感器、光电转速传感器n如下图为在待测转速轴上固定一带孔如下图为在待测转速轴上固定一带孔的转盘，在转盘一边由白炽灯产生恒定光，的转盘，在转盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达由光敏晶体管组成的光电透过盘上小孔到达由光敏晶体管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决议。该脉冲频率决议。光 敏 晶 体 管放 大 整 形 电 路白 炽 灯光 敏 晶 体 管转 盘放 大 整 形 电 路白 炽 灯转 盘（ a）（ b）9.1.4 光电传感器的运用光电传感器的运用n光电脉冲转换电路光电脉冲转换电路VT1VT2VT3VT4R1R2R3R4R5R6R7R8+