传感与检测技术传感器原理光电式课件

1、光电式传感器Photoelectric sensor第1页，共33页。光电式传感器Photoelectric sensor光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。光电传感器的组成：光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等优点。第2页，共33页。8/5/20222光电式传感器主要内容1 光电效应及其器件2 光电式传感器的应用附1：光学基础概述附2：光源附3：光电器件的特性光电式传感器Photoelectric sensor第3页，共33页。8/5/20223光电式传感器光是电磁波谱中的一员，光的频率（波长）各

2、不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。附1：光学基础概述Summary of optics第4页，共33页。8/5/20224光电式传感器附2：光源Light source对光源的要求：光源必须具有足够的照度光源应保证均匀、无遮拦或阴影光源的照射方式应符合传感器的测量要求光源的发热量应尽可能小光源发出的光必须具有合适的光谱范围第5页，共33页。8/5/20225光电式传感器附2：光源Light source2. 常用光源：热辐射光源，如白炽光源。特点：光谱线较丰富，包含可见光与红外光；发光效率低；发热大；寿命短；易碎，电压高，使用有一定的危险。气体放电光源：原子辐射光谱呈现

3、许多分离的明线条，称为线光谱；分子辐射光谱是一段段的带，称为带光谱。线光谱和带光谱的结构与气体成分有关。特点：效率高，省电，功率大；含有丰富的紫外线和频谱；容易污染环境，玻璃易碎，发光调制频率较低。第6页，共33页。8/5/20226光电式传感器发光二极管：发光二极管是一种电致发光的半导体器件（LED，Light-Emitting Diode）。特点：体积小，属固体光源，耐振动；无辐射，无污染；功耗低；寿命长；响应快；供电电压低；成本低。激光器：激光是新颖的高亮度光，它是由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光。激光是相干光源，它具有单色性和方向性，能量高度集中。特点：方向性好；亮度高

4、；单色性好；相干性好。附2：光源Light source第7页，共33页。8/5/20227光电式传感器光源特性：光源辐射特性光谱特性:辐射的中心波长和谱宽。光电转换特性：光源的电偏置与光源辐射的光学特性之间的关系。光源的环境特性：热系数、时间漂移和老化等。噪声附2：光源Light source第8页，共33页。8/5/20228光电式传感器1 光电效应及其器件Photoemission and apparatus光电效应(Photoemission)：物体吸收了光能后所产生的电效应。光电效应的分类：光电效应外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应第9页，共33页。8/5/20229光电式传

5、感器1 光电效应及器件Photoemission and apparatus光电效应的分类：外光电效应：在光照作用下能使电子逸出物体表面的现象。内光电效应：光电导效应：在光照作用下，其电阻率发生变化的现象。光生伏特效应：因光照而产生电动势的现象。第10页，共33页。8/5/202210光电式传感器外光电效应及器件外光电效应：在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。“红限”：基于外光电效应的器件：光电倍增管。光电管第11页，共33页。8/5/202211光电式传感器内光电效应及器件分类：光电导效应和光生伏特效应。光电导效应光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。基于光电导效应的器件

6、：光敏电阻光敏二极管：反向偏置的PN结。光敏三极管第12页，共33页。8/5/202212光电式传感器光敏电阻 当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。第13页，共33页。8/5/202213光电式传感器光敏电阻演示 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）第14页，共33页。8/5/202214光电式传感器光敏三极管外形 第15页，共33页。8/5/202215光电式传感器光生伏特效应光照引起PN结两端产生电动势的现象。基于光生伏特效应的典型器件是光电池。内光电效应及器件光电池与外电路的两种连接方式：开路电压输出：开路电压与光照度之间呈非线性关系，灵敏度高，

7、宜作开关元件。短路电流输出：短路电流大小与光照成正比，可作线性检测元件使用。第16页，共33页。8/5/202216光电式传感器光电池外形光敏面第17页，共33页。8/5/202217光电式传感器能提供较大电流的大面积光电池外形第18页，共33页。8/5/202218光电式传感器光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能 硅光电池板第19页，共33页。8/5/202219光电式传感器光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电第20页，共33页。8/5/202220光电式传感器光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用第21页，共33页。8/5/202221光电式传感器总结：光

8、电效应分类及其典型应用第22页，共33页。8/5/202222光电式传感器附3：光电器件的特性光照特性光谱特性响应时间峰值探测率温度特性伏安特性第23页，共33页。8/5/202223光电式传感器光照特性Illumination characteristic光电器件的灵敏度可用光照特性来表征。它反映了光电器件的输入光量与输出光电流（光电压）之间的关系。光照特性常用响应率（Response rate）R来描述：第24页，共33页。8/5/202224光电式传感器光电器件的光照特性：光敏电阻的光照特性呈非线性，宜作开关元件。光敏晶体管的灵敏度和线性度均好，既可作线性转换元件，也可作开关元件。光电池

9、的短路电流在很大范围内与光照度呈线性关系，宜作线性转换元件；开路电压与光照度的关系呈非线性，宜作开关元件。第25页，共33页。8/5/202225光电式传感器光谱特性spectrum characteristic光电器件的光谱特性是指相对灵敏度K与入射光波长之间的关系，又称光谱响应。为了提高光电传感器的灵敏度，对于包含光源和光电器件的传感器，应根据光电器件的光谱特性合理选择相匹配的光源和光电器件；对于被测体本身可作为光源的传感器，则应按被测体辐射的光波波长选择光电器件。第26页，共33页。8/5/202226光电式传感器响应时间Response time光电器件的响应时间反映了它的动态特性，响

10、应时间小，表示动态特性好。对于采用调制光的传感器，调制频率上限受响应时间的限制。第27页，共33页。8/5/202227光电式传感器峰值探测率噪声等效功率PNE：产生与器件暗电流大小相等的光电流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能产生信号噪声比为1的辐射功率值。 计算公式：第28页，共33页。8/5/202228光电式传感器暗电流ID：光电二极管的暗电流是反向偏置饱和电流。光敏电阻的暗电流是无光照时偏置电压与体电阻之比。峰值探测率D*： D*值大，噪声等效功率小，光电器件性能好。峰值探测率第29页，共33页。8/5/202229光电式传感器温度特性Temperature characteris

11、tic温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特性也有很大影响。光谱响应峰值随温度升高而向短波方向移动。因此，可采用降温措施提高光敏电阻对长波长的响应。第30页，共33页。8/5/202230光电式传感器2 光电式传感器的应用 Application of photoelectric sensor光电式传感器的分类：按输出量性质分类。模拟式光电传感器吸收式反射式遮光式辐射式开关式光电传感器第31页，共33页。8/5/202231光电式传感器2 光电式传感器的应用 Application of photoelectric sensor烟尘浊度监测仪光电式传感器实例光电物位传感器光电比色高温计原理：通过测量两个波长下的光谱辐射亮度之比就可以确定被测物温度。分类：单通道型-通过调制盘由一个检测元件接收信号；双通