光电式传感器

光电式传感器

一、光电效应

光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。作非电量测量时，光电传感器先将被测量转换为光量，然后再将光量转换为电量。

非电物理量光量电量

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。

其工作原理是基于一些物质的光电效应。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应。

1、外光电效应

在光线作用下,物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象,称为外光电效应。

基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件,有光电管、光电倍增管、紫外光电管、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。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。

紫外线

2、内光电效应

受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。（1）光电导效应

光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。光敏电阻

a.光敏电阻的主要参数

(1)暗电阻光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。

(2)亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。

(3)光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。

光电流表征了光敏电阻灵敏度的大小。b.光敏电阻的结构

光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

c.工作原理

无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。

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）d.特点

光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。

（2）光生伏特效应

。。光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器件是自发电式的,属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常用的材料,也可以使用锗。光电池

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。

工作原理：+++---PN光电池外形光敏面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光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用②光敏二极管和光敏三极管：

光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是光照在半导体结上而已。

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。

光敏二极管结构原理光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。

光敏二极管结构简图和符号

光敏二极管接线图

光敏三极管外形

光敏三极管结构简图和基本电路

二、光电传感器的应用1.红外线辐射温度计：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红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集成IC温度测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（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测物（电控柜、天花板内的布线层）温度采集系统2、在人体检测、报警中的应用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。光电报警器菲涅尔透镜设定按钮高分贝喇叭光电报警器菲涅尔透镜Φ5mm接插件光电报警器吸顶式光电报警器光电传感器应用光电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗光电传感器的感应范围光电感应灯光电传感器自动感应灯

光电传感器在智能空调中的应用智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。

空调中，光电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。上下范围左右范围3、光电式浊度计和含沙量测量

利用被测物吸收光通量的原理将装有浊水的试管插入仪器中4、光电鼠标

就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。5、亮度传感器通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。

6.光电式转速表

光电式转速表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)

水泵转速测量光电式转速表外形

直射式光电转速传感器

它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速n=f/N

，式中n——转速；f——脉冲频率；N——圆盘开孔数。光电传感器检测原理超市收银台用激光扫描器检测商品的条形码、检测复印机走纸故障（两张重叠，变厚，透光性变差）、洗手间红外反射式干手机分别是利用光电传感器检测原理中的……

激光扫描器发出激光并被条形码反射干手机的原理及使用干手机发出红外光，并被手所反射，从而启动热风装置霍尔式传感器

霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。

例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。一、霍尔元件的工作原理

半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。

磁感应强度B为零时的情况cdab磁感应强度B较大时的情况作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：

EH=KHIB霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与电流成某一角度

时，这时的霍尔电势为

EH=KHIBsin

结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。

霍尔元件的主要外特性参数

最大磁感应强度BM

上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？线性区

基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。

二、霍尔元件的结构及基本回路

霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。

霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。

霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即EH=KHIBsin

。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。三、霍尔式传感器的应用

将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从

a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。

霍尔特斯拉计（高斯计）

霍尔元件霍尔高斯计（特斯拉计）的使用

霍尔元件磁铁霍尔传感器用于测量磁场强度

霍尔元件测量铁心气隙的B值霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁霍尔转速表原理

当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。霍尔转