光电传感噐(传感器教学课件)

1、常州信息职业技术学院常州信息职业技术学院传感器应用技术传感器应用技术传知万物传知万物 感创未来感创未来常州信息职业技术学院常州信息职业技术学院传知万物传知万物 感创未来感创未来学习内容学习内容 认识传感器认识传感器 温度传感器温度传感器 力传感器力传感器 位移传感器位移传感器 光电传感器光电传感器常州信息职业技术学院常州信息职业技术学院传知万物传知万物 感创未来感创未来位移传感器位移传感器 电容式传感器电容式传感器 电感式传感器电感式传感器 涡流式传感器涡流式传感器第四章 光电传感器v 4.1 光电效应与光电元件v 4.2 光电元件的基本电路v 4.3 光电传感器的应用v4.4 光导纤维传感器

2、光的本质v 1860年，英国物理学家麦克斯韦建立电磁理论，认识到光是一种电磁波。光的波动学说说明了光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象，但仍不能解释物质对光的吸收、散射和光电子发射等现象。v 1900年，德国物理学家普朗克提出量子学说，认为物质发射或吸收的能量是一个最小能量单位（量子）的整数倍。 1905年，德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦认为：光由光子组成，每一个光子具有的能量E正比于光的频率f，即E=hf，光子频率越高，能量越大。光的本质光的本质光电传感器v光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，首先把被测量的变化

3、转换为光信号的变化，再借助光电元件将光信号转换为电信号。v光电传感器一般由光源、光学通路、光电元件三部分组成。v光电检测法优点：精度高、反应快、非接触、质量轻、体积小、便于集成化、可测参数多、结构简单等。4.1 光电效应与光电元件一、光电效应v根据光的波粒二象性，认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子，每个光子具有的能量：E=hf h=6.6310-34JSv光电效应：用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf 的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 4.1 光电效应与光电元件 光电效应分类：v外光电效应：在光线作用下能使电子逸出物

4、体表面的现象。v内光电效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。v光生伏特效应：在光线作用下物体产生一定方向电动势的现象。基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 4.1 光电效应与光电元件 二、外光电效应二、外光电效应 外光电效应：在光线的作用下能使电外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。子逸出物体表面的现象称为外光电效应。 基于外光电效应的光电元件有基于外光电效应的光电元件有光电管、光电管、光电倍增管光电倍增管、光电摄像管等。、光电摄像管等。 紫外管外形 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于

5、紫外线测量、火焰监测等。 紫外线紫外线4.1 光电效应与光电元件 爱因斯坦光电方程：v只有 时，光电子才能逸出阴极表面，形成外光电效应。v不同材料有不同逸出功，对每种阴极材料入射光都有一个确定的频率限，当入射光频率低于此频限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频限称为“红限”。212mvhfAhfA4.1 光电效应与光电元件三、内光电效应v内光电效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。v基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管。光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）4.1 光电效应与光电元件光电效应与光

6、电元件4.1 光电效应与光电元件v暗电阻：光敏电阻在室温、全暗条件下测得的稳定电阻值。此时流过的电流称为暗电流。v亮电阻：光敏电阻在室温、一定光照条件下测得的稳定电阻值。v光电流：亮电流与暗电流之差。v光敏电阻的暗阻越大越好，亮阻越小越好，即暗电流要小，亮电流要大。光敏二极管 将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。 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10241024个个InGaAsInGaAs元件的元件的线性光电二极管阵列，可用于线性光电二极管阵列，可用于分光镜。分光镜。红外发射、接收对管外

7、形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管APD光敏二极管（雪崩光敏二极管） 硅雪崩光电二极管是可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。光敏二极管的反向偏置接法 没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，即暗电流很小，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。 光敏二极管的光电特性 在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。 当当光照增加

8、光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比关系。比关系。 光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照光敏三极管 光敏三极管有两个PN结,与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。 光敏三极管外形 光敏三极管内部结构 a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+ 衬底 7N型集电区 8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结 硅光敏晶体管的光谱特性 电磁波频

9、谱光电特性 0光照光照 光电流光敏光敏 三极管三极管光敏光敏 二极管二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低请判断灵敏度的高低0.3mAIE光敏晶闸管 光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极阴极k和门极和门极g 。它的顶部有一个玻璃透镜，。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸

10、管从阻断状态变为导通状态。而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光敏晶闸管的特点电流小于其维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。可用于工业自动检测控制。光敏晶闸管外形光敏面4.1 光电效应与光电元件四、光

11、生伏特效应 光生伏特效应：在光线作用下物体产生一定方向电动势的现象。 基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。光敏面光敏面 在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子空穴对，光生电子空穴对的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。 4.1 光电效应与光电元件能提供较大电流的大面积光电池外形其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能

12、赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能 硅光电池板硅光电池板光电池在动力方面的应用太阳能发电太阳能发电光电池在动力方面的应用光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用光电池的光电特性 典型的硅光电池的光电特性 1开路电压曲线 2短路电流曲线 开路电压为开路电压为 对数特性对数特性短路电流为短路电流为 线性特性线性特性4.2 光电元件的基本应用电路 一、光敏电阻的基本应用电路 a）U与光照变化趋势相同的电路与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路与光照变化趋势相反的电路 二、光敏二极管应用电路 利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。 当光照增加，当光

13、照增加，Ui（1/2）VDD时，反相器时，反相器翻转翻转,输出为什么电平？输出为什么电平？ 4.2 光电元件的基本应用电路光电元件的基本应用电路 当无光照时，V1截止，I =0，则V2处于什么状态？继电器KA吸合还是释放？三、三、光敏光敏三三极管极管光控继电器电路光控继电器电路 4.2 光电元件的基本应用电路 4.3 光电传感器的应用 、光源本身是被测物(辐射式) 光电池（外加光电池（外加柔光罩）柔光罩）1. 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-303000，中间分成若干个不同的规格，可

14、根据需要选择适合的型号。4.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 红外线辐射温度计外形激光仅 用于瞄准红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度计用于食品温度测量红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪 红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集成集成IC 温度测量温度测量 红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用利用红色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食）红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用利用红色激光瞄准被利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花测物（电控柜、天花板内的布线层）板内的布线层）温度温度 采集系统采集系统红外线辐射温度计用于人体额温测量

15、2. 热释电传感器 热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远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。 热释电元件外形热释电元件外形 4.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 热释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出利用热释电效应探测红外辐射，但未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。如：在房间无人时自动停机的空调机、饮水机；电视机判断

16、无人观看或观众已睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码相机自动记录动物或人的活动等菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片热释电晶片菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距尔透镜时，其检测距离小于离小于2m，而加上该，而加上该透镜后，其检测距离透镜后，其检测距离可增加可增加3倍以上。倍以上。热释电套件热释电报警器菲涅尔透镜设定按钮设定按钮高分贝喇叭高分贝喇叭热释电报警器菲涅尔透镜 5mm接插件接插件热释电报警器 吸顶式 热释电报警器热释电传感器应用 热释电传感器用于自动亮灯，也可以用于防盗。热释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围热释电感应灯热释电热释

17、电传感器传感器自动感应灯热释电传感器应用在智能空调中 智能空调能检测智能空调能检测出屋内是否有人，微出屋内是否有人，微处理器据此自动调节处理器据此自动调节空调的出风量，以达空调的出风量，以达到节能的目的。到节能的目的。 空调中，热释电传感器的菲涅尔空调中，热释电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二、被测物吸收光通量（吸收式） 1. 光电式浊度计和含沙量测量将装有浊水的试管将装有浊水的试管插入仪器中插入仪器中4.3 光

18、电传感器的应用光电传感器的应用 光电式浊度计工作原理1恒流源 2半导体激光器 3半反半透镜 4反射镜 5被测水样 6、9光电池7、10电流/电压转换器 8标准水样 参比通道参比通道 2. 烟雾报警器 无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经判断电路后，发出报警信号。 烟雾烟雾报警报警无线烟雾报警器内部结构 可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器无线火灾烟雾传感器 无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或天花板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作电流为20毫安。当探测到初期

19、明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。无线发射器的报警距离在空旷地可以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到20米。三、被测物体反射光通量 在没有烟雾时，在没有烟雾时，由于红外对管相互由于红外对管相互垂直，烟雾室内又垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，涂有黑色吸光材料，所以红外所以红外LED发出发出的红外光无法到达的红外光无法到达红外光敏三极管。红外光敏三极管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对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，使部分红外

20、光到达光敏三红外光产生漫反射，使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。极管，有光电流输出。 1. 反射式烟雾报警器 原理图原理图 2. 光电式转速表 光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。 n =60( f /z ) 三、被测物体反射光通量三、被测物体反射光通量 水泵转速测量光电式转速表外形 3. 色标传感器 现代化工业生产中，颜色检测和颜色识现代化工业生产中，颜色检测和颜色识别等的应用越来越多。例如，在包装生产中别等的应用越来越多。例如，在包装生产中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗口等