《传感器及应用》-《传感器及应用》-项目四 光信号的检测

1.了解光电式传感器的测量原理

2.光电式传感器的应用

3.光电式传感器的特性

项目四光信号的检测目标要求：

任务描述利用光敏器件实现能够在黄昏时自动接通路灯，在黎明时路灯自动关闭，要求有高灵敏度。

被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电式传感器光电式传感器的原理

光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为V的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为

光的频率越高（波长越短），能量就越大。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hV的光子所轰击，组成该物体的材料吸收光子的能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。

外光电效应(光电发射效应）光照射在某一物体上,使电子从这些物体表面溢出的现象称为外光电效应。光电效应方程

能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。基于外光电效应的器件有光电管、光电倍增管等。

内光电效应

当光照在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象，称为内光电效应。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。

光电导效应:光照改变半导体导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应，这种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、光敏二极管、光敏三极管。

光生伏特效应：光照改变PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，称为PN结光生伏特效应基于该效应的器件有光电池。PN电子空穴---+++-+光源

光电器件（1）光电管

光电管的结构示意图阳极光窗光电阴极当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。主要用于：分光光度计、光电比色计等分析仪器和各种自动装置。（2）光电倍增管

光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。

由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。即光电倍增管的放大倍数可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倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。

光电管特性①光电特性②伏安特性③光谱特性（3）光敏电阻

光敏电阻又称光导管,它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。

无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,通常为兆欧级，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）急剧减少,通常为千欧以内，电路中电流迅速增大暗电阻越大越好,亮电阻越小越好亮电流与暗电流之差为光电流。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）

当光敏电阻受到光照时，阻值减小。光敏电阻种类

对光照敏感的半导体光敏元件都可制成光敏电阻，半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围可分为三类。

(1)对紫外光敏感元件。紫外光是指紫外线(波长λ=10~380nm)的内侧光波，波长为300一380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、硫化镐(CdS),硒化镐(CdSe)等，这类敏感元件适于作a,B，Y射线检测及光电控制电路。

(2)对可见光敏感元件。可见光波长范围为380一760nm，对这类光敏感的材料有硒(Se)、硅(Si)、锗(Ge)及硫化铊(TiS)硫化镉(CdS)等，尤其是TiS光敏元件，它既适用于可见光，也适用于红外光。这类敏感元件适用于光电计数、光电藕合、光电控制等场合。

(3)对红外光敏感元件。红外光是红外线(波长λ=760一1x106nm)的内侧光波，波长为760一6000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅(Pb9)、硒化铅(PbSe},锑化钢(InSb)等，这类敏感元件主要用来探测不可见目标。光敏电阻伏安特性

各类光敏电阻都有最大允许功耗和最大允许电压的要求，超过此极限值将会导致元件永久性损坏。光照特性光敏电阻具有很高的光照灵敏度，且具有明显的非线性，可作控制元件，不宜作计量元件。一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。光谱特性204060801004080120160200240312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅λ/μm温度特性

硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动，导致光敏电阻敏感波长减小。因此,硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些。

例：试分析该电路的原理及功能？

P121光控电路（4）光敏二极管和光敏晶体管（内光电效应）

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结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态

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（高阻）,反向电流很小,这反向电流称为暗电流。当光照射在PN结上时,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。光敏二极管的特性光敏三极管光敏晶体管亦有发射区、基区和集电区，基区是受光区，为了扩大光的照射面，基区的面积比较大。光敏晶体管的基区通常无电极引线，工作时相当于基极开路，因而无光照射，只能形成很小的暗电流。当有光照射时，基区产生的光生电子和空穴形成基极电流，此电流在外加集电结反偏电压作用下，放大而成为集电极电流。由此可见，光敏晶体管有光照时的输出电流是光生电流的B倍，因而有比光敏二极管更高的灵敏度。NNPcbecbe光敏三极管外形图1光敏二极管工作电路图2光敏三极管工作电路硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性这两种敏感元件的光谱特性显然锗管的敏感范围比硅管大，由于锗管温度性能比较差，因而测可见光时，主要用硅管，探测红外光时，主要用锗管。光谱特性伏安特性

硅光敏管在不同照度下的伏安特性。由图可见光敏管的输出电流与所加的偏置电压关系不大，具有近似的恒流特性;光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍，因而具有更高的灵敏度;光敏二极管在零偏压下就有一定的电流输出，光敏晶体管有一段死区电压。

光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大．所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。温度特性光敏晶闸管外形

波长在0.8-0.9UM的红外线及波长在1UM左右的激光，都是光控晶闸管较为理想的光源光电路灯控制电路电子蜡烛实例：光电池的工作原理示意图RLI---mAV+++PN

若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。

光电池外形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太阳能发电

太阳能电池公交车车顶上安装了用来发电的太阳能电池，所发电量用于发光两级管(LED)车内照明。据悉，由于可以蓄电，因此在没有阳光情况下仍然可以连续照明约9个小时。

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的基本特性①光谱特性②光电特性③温度特性④频率特性光电池和光谱特性曲线1—硅光电池2—硒光电池

硅光电池的光照特性1—开路电压特性曲线2—短路电流特性曲线硅光电池硒开路电压温度/℃光生电流/mA1.82.22.0光生电压/V短路电流1002003004005000

20

40

60

80

100（三）温度特性开路电压随温度升高而下降的速度较快。短路电流随温度升高而缓慢增加。因此作测量元件时应考虑进行温补。通常硅光电池的使用温度不允许超过125摄氏度。20406080100硒光电池硅光电池0

1500

3000

4500

6000

7500相对光电流/%入射光调制频率/Hz光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。（四）频率特性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。-vcc39L51K90124001KK1M自动干手器电路任务实施P127光控路灯电路

任务二红外自动干手器电路设计与制作任务描述：1、要求电路能过通过感应装置，在人需要干手时，能够自动打开出风装置。2、感受完成后能够自动关闭。3、能够调节加热和吹风装置的开关时间。问题思考：自动门如何探测人的靠近？1、红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其它任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。红外线传感器是利用物体产生红色辐射的特性实现自动检测的传感器红外线可分为三部分：近红外线：波长为0.75～1.50μm之间；中红外线：波长为1.50～6.0μm之间；远红外线：波长为6.0～l000μm之间。

红外辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射能量就越强。自然界中的任何物体，只要温度在绝对零度以上，都有红外线向周围空间辐射（光谱中最大光热效应区）。因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。红外线的物理特性

①热效应②穿透云雾的能力强

热效应及应用：

一切物体都在不停的辐射红外线。物体的温度越高，辐射的红外线就越多。红外线照射到物体上最明显的效果就是产生热。冬天烤火，就是因为有大量的红外线从炉子里射到人身上，才能让我们感觉到热乎乎的。人体生病的时候，虽然外面看起来没有什么变化，但是由于局部皮肤的温度不正常，如果在照相机里装上对红外感光的胶片，给皮肤拍照再与正常人的照片对比，可以对疾病作出诊断。这种相机拍出来的照片叫热谱图。根据红外线的热效应，人们还研究出了红外线夜视仪。红外线夜视仪在漆黑的夜晚也可以发现人的存在。夜间人的体温比周围草木或建筑的温度高，人体辐射出来的红外线就比他们强。可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆等。

物体在辐射红外线的同时，也在吸收红外线。各种物体吸收了红外线以后温度就会升高。我们就可以利用红外线的热效应来加热物品。家庭用的红外线烤箱，浴室用的暖灯，也就是浴霸等等。物体加热可以利用红外线烘干汽车表面的喷漆，烘干稻谷等作物。在医学上，还可以利用红外线的热效应进行理疗。在红外线照射下，组织温度升高，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提高。伤口就容易痊愈。穿透能力强的应用：穿透云雾的能力强(波长较长,易于衍射)，由于一切物体，都在不停地辐射红外线，并且不同物体辐射红外线的强度不同，利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，然后用电子仪器对接到的信号进行处理，就可以察知被测物体的形状和特征，这种技术叫做红外线遥感技术，可以用在卫星上勘测地热、寻找水源、监测森林火情、估计农作物的长势和收成。还有我们每天都要关注的天气预报，也是红外线遥感技术。红外线遥感在战争中，当敌机飞进我们的阵地时，红外线望远镜早就接收到了由它的发动部分—发动机辐射来的大量红外线，红外线在望远镜的光电变换器中产生了电流，再由电流产生可见光。于是黑暗中的飞机在镜中就现原形了。红外线遥控我们每天都用到的电视遥控器也是利用了红外线。遥控器的前段有一个红外发光二极管，按下不同的键时，它可以发射不同的红外线，来实现电视机的遥控。红外线照相机红外热像仪红外报警器红外线烤箱红外透视望远镜红外水平仪红外线灯红外遥控器红外摄像头

红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键部件，其性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。1、根据探测机理的不同常见红外传感器（1）热传感器（2）光子传感器（1）热传感器热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使相关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。热传感器的主要优点是：响应波段宽、可以在室温下工作、使用简单。但是，热传感器响应时间较长、灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。热传感器主要类型有：热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型和热释电型四种。存在于自然界的物体，如人体、火焰、冰块等物都会发射红外线，但波长各不相同。人体温度为36~37oC，所发射的红外线波长为9~10μm，属远红外区；400~700oC的发热体，所放射出的红外线波长为3~5μm，属中红外区。热释电红外传感器不受白天黑夜的影响，可昼夜不停地用于监测，广泛地用于防盗报警。热释电红外传感器的结构热释电人体红外传感器(PIP)一般都采用差动平衡结构，由敏感元件、场效应管，高值电阻等组成敏感元件，是用热释电人体红外材料(通常是锆钛酸铝)制成的，先把热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串联的有极性的小电容器。将极性相反的两个敏感元做在同一晶片上，是为了抑制由于环境与自身温度变化而产生热释电信号的干扰，见图11.20(b)所示。而热释电人体红外传感器在实际使用时，前面要安装透镜，通过透镜的外来红外辐射只会聚在一个敏感元上，以增强接收信号。2)场效应管和高阻值电阻Rg

通常敏感元件材料阻值高达。因此，要用场效应管进行阻抗变换，场效应管常用2SK303V3、2SK94X3等来构成源极跟随器，高阻值电阻Rg的作用是释放栅极电荷，使场效应管正常工作。一般在源极输出接法下，源极电压约为0.4～1.0V。通过场效应管，传感器输出信号就能用普通放大器进行处理。3)滤光窗

热释电人体红外传感器中的敏感元件是一种广谱材料，能探测各种波长辐射。为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作窗口，即滤光窗。滤光片是在S基板上镀多层膜做成的。每个物体都发出红外辐射，其辐射最强的波长满足维恩位移定律：

λm·T=2989(μm·k)

式中λm---最大波长，T—绝对温度。4)菲涅尔透镜

热释电人体红外传感器只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。不加菲涅尔透镜时，该传感器的探测半径可能不足2m，配上菲涅尔透镜则可达10m，甚至更远。菲涅尔透镜是用普遍的聚乙烯制成的，安装在传感器的前面。透镜的水平方向上分成三部分，每一部分在竖直方向上又分成若干不同的区域，所以菲涅尔透镜实际是一个透镜组，如图11．21(a)所示。当光线通过透镜单元后，在其反面则形成明暗相间的可见区和盲区。每个透镜单元只有一个很小的视场角，视场角内为可见区，之外为盲区。而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，更不交叠，却都相隔一个盲区。当人体在这一监视范围中运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一视场，热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会又看不到，再过一会儿又看到，然后又看不到，于是人体的红外线辐射不断改变热释电体的温度，使它输出一个又一个相应的信号。输出信号的频率大约为0.1~10Hz，这一频率范围由菲涅尔透镜、人体运动速度和热释电人体红外传感器本身的特性决定。

人体温度为36~37℃，即309~310°k，其辐射的红外波长λm=2989／309~310≈9.67~9.64μm。可见，人体辐射的红外线最强的波长正好在滤光片的响应波长7.5~14mm的中心处。故滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而阻止太阳光、灯光等可见光中的红外线通过，免除干扰。所以，热释电人体红外传感器只对人体和近似人体体温的动物有敏感作用。

目前国内市场上常见的热释电红外传感器有上海尼赛拉公司的SD02、PH5324和德国海曼LHi954、LHi958以及日本的产品等，其中SD02适合防盗报警电路。热释电型红外传感组件的等效电路红外温度传感器的正确使用

由于该传感器是接收由透镜入射的红外光，所以范围非常重要，如果被测物体以外的红外光也被采集，就意味着非被测物体的信息也被采集，从而影响到测量的准确性。所以镜头的选择，目标物距离的计算尤为重要。2、热释电人体红外传感器的应用

在热释电人体红外传感器的应用中，其前级配用菲涅尔透镜，其后级采用带通放大器，放大器的中心频率一般取1Hz左右。放大器带宽对灵敏度与可靠性的影响大。带宽窄，噪声小，误测率低；带宽宽，噪声大，误测率高；但相对快、慢速移动响应好。放大器信号的输出可以是电子输出、继电器输出或可控硅输出等多种方式。图11.22为一典型的热释电被动红外报警器电原理图。其中热释电人体红外传感器用SD02，透镜采用CE-024型，探测角度是84°。

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传感器应用

热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗

热释电传感器的感应范围热释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。

调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人。上下范围左右范围任务实施P136

光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用,以光作为媒介传递信号的光电器件。

光电耦合器件

工作原理：在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。

输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗，绝缘电阻在1万兆以上。器件有很强的抗干扰能力和隔离性能，可避免振动、噪声干扰。特别适宜工业现场做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。“光耦”集成器件的特点：光电耦合器组合形式（1）．光电耦合器的组合形式

燃气热水器中脉冲点火控制器

任务三自动生产线的零件打包系统设计与制作基本要求：1、60个装为一盒，12箱装一车，每完成一道工序，产生一个控制信号。2、准确3、计数与计数，以数字形式进行显示。显示不对应时，具有校正功能。光电开关及光电断续器

从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。

一、光电开关的结构和分类

光电开关可分为直射型和反射型两大类。直射型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。直射型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。

光电开关外形直射型光电开关示意图遮断报警直射式光电开关原理ObjectReceiver

直射式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。被检测物体光发射器光接收器光电开关在流水线上的应用（遮光式）送料器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料口遮断式光电开关（计数）光幕

两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。接收器

光幕应用（续）安全区示警反射型光电开关

反射型光电开关分为两种情况：

反射镜反射型

被测物漫反射型（简称散射型）。

反射镜反射型光电开关

反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。

反射镜反射型光电开关工作原理

反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。反射板反射镜被测物体偏振光发射光被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线

漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。额定距离漫反射型光电开关的应用漫反射型光电开关外形电源指示信号指示表面反射率

对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。光电开关应用（续）透明度测量、控制质量检测光电开关应用（续）商标方向检测正常情况下，两个接近开关都感应到商标纸而输出高电平。如果商标纸没有对齐，那么将有一个或同时检测不到商标纸而无高电平输出

光电断续器

工作原理与光电开关的相同，但其光电发射器、接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以两者能可靠地对准。分为遮断型和反射型2种。1—发光二极管2—红外光3—光电元件4—槽5—被测物光电断续器外形光电断续器外形红色光柱齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。光电断续器的应用请写出转速与频率的关系式n=？n

测速也可以采用反射式：只要用白纸画上黑道的圆纸贴在旋转体上即可。其测量电路与透射式相同感烟传感器(火灾报警器的一部分)产品:光电开关光敏电阻相机测距反射式光电传感器条形码扫描器光电型传感器综合训练习题

1.光敏电阻的工作原理：光敏电阻上可以加

电压，也可以加

电压。加上电压后，无光照射光敏电阻时，由于光敏电阻的

，电路中只有

的电流，称

电流；有光照射光敏电阻时，其因

，电路中电流也就

，称

电流。据

的大小，即可推算出入射光

的大小。2.光敏二极管的结构与普通

类似，它是在

电压下工作的。3.光敏二极管的工作原理：光敏二极管的材料和结构与

相似，工作时加

电压。无光照射光敏二极管时，电路中仅有很小的

电流，相当于二极管截止；当有光照射光敏二极管时，光子激发出

对，其中

载流子的

运动使电流大大地增加，形成

电流，相当于光敏二极管导通。

电流随着

的增加而线性地增加。4.光敏三极管的接法也是

反偏、

正偏。有光照射时的