《传感器技术及应用》-12.项目十二 光电传感器检测转速

知识目标：1.了解常用光电传感器的特点和结构

；2.掌握光电效应的3种类型和常用光电传感器的工作原理

；3.掌握光电传感器的组成及理解光电传感器的应用电路

4.熟悉不同光电效应对应的光电器件及其应用场合

能力目标：1.会正确选用各种光电器件

；2.能设计、制作简单的光电传感器应用电路

；项目要求

公共照明越来越多地应用于各种场合，为保证公共照明的节能效果，需要根据光照情况来实现开关的控制。本项目利用热释电红外传感器和光电器件，根据光照情况和人体的移动来实现照明控制。白天光线较亮时开关处于关闭状态；夜晚光线较暗，当行人走近时开关自动接通，照明灯自动点亮一段时间后熄灭。从而达到使用方便、安全、节电的目的。

知识链接一、光电传感器的工作原理光电传感器是将被测量的变化转换为光量的变化。再通过光电元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置，它的转换原理是基于光电效应。

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。

光电效应是指物体吸收了光能以后，转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。简单地说，物质在光的照射下释放电子的现象称为光电效应。被释放的电子称为光电子。光电子在外电场中运动所形成的电流称为光电流。知识连接光电效应一般可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。

1、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，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

知识连接2、内光电效应在光线作用下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发载流子，但这些载流子仍留在物质内部，而使其导电性或物体内部的电荷分布发生变化的现象称为内光电效应，又称光电导效应。基于该效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等，它属于半导体光电元件。

3、光生伏特效应

在光线作用下，能够使物体在一定方向上产生电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电元件有光电池和光电晶体管等，它属于半导体光电元件。二、光电元件1.光电管（一）外光电效应器件1）结构光电管有真空光电管和充气光电管两种，二者结构相似，它们由一个涂有光电材料的阴极K和一个阳极A封装在真空玻璃壳内，如图所示。光电管的特性主要取决于光电管阴极材料。光电管阴极材料有：银氧铯、锑铯、铋银氧铯以及多碱光电阴极等，阴极材料不同的光电管，具有不同的“红限频率”，因此适用不同的光谱范围。阳极由金属丝做成，用于收集电子。

2）光电管的工作原理将阳极A接电源正极，阴极K接电源负极。无光照时，因光电管阳极不发射光电子，电路不通，I=0。当入射光照射在阴极上时，光电管阴极就发射光电子，由于阳极的电位高于阴极，阳极便会收集由阴极发射来的电子，在光电管组成的回路中形成光电流，并在负载上输出电压Uo。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压与入射光通量成正比。

2.光电倍增管光电管的灵敏度很低，当入射光微弱时，光电管产生的光电流很小，只有几十微安，造成测量误差，甚至无法检测。为提高光电管灵敏度，在光电阴极K与阳极A之间安装一些倍增极，就构成了光电倍增管。

1）结构光电阴极倍增电极阴极（二）内光电效应器件1.光敏电阻当光敏电阻受到光照时，阻值减小。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）1）工作原理原理当无光照时，光敏电阻的电阻值很大，大多数光敏电阻的阻值在100MΩ以上，电路的暗电流很小；当受到一定波长范围内的光照射时，其电阻值急剧地减小，光照越强，阻值越小电路电流随之迅速增加。根据电流表测出的电流变化值，便可得知照射光的强弱。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值。2.光敏二极管1）结构与工作原理

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

光敏二极管阵列包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。红外发射、接收对管外形

红外发射管红外接收管2）工作原理当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。此时相当于二极管截止；当有光照时，PN结附近受光电子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量，产生电子--空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，并在PN结形成的电场作用下作定向运动而形成光电流。光照度越大，光电流就越大。故光敏二极管不受光照时处于截止状态，受光照时处于导通状态。光电流通过负载电阻RL时，在电阻两端将得到随入射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样来完成光电转换的。

3.光敏三极管原理光敏三极管有两个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。

外观符号3.光敏三极管内部结构4.光敏晶闸管

光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g。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向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从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。光敏面4.光敏晶闸管光电池外形光敏面5.光电池5.光电池基于光生伏特效应的光电元件

——光电池

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—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，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。项目实施—任务分析光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，也称可见光谱。在科学上的定义，光是指所有的电磁波谱，如图12-10。光是由光子为基本粒子组成，具有粒子性与波动性，称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。对于可见光的范围没有一个明确的界限，一般人的眼睛所能接受的光的波长在380～760nm之间。人们看到的光来自于太阳或借助于产生光的设备，包括白炽灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫等。因为光是人类生存不可或缺的物质。项目实施—任务分析项目实施—实施步骤1．用4号实验导线按照图12-14接线（注意：报警灯必须是串联到电路中，不要接错）。2．暂时不要打开“电源及仪表挂箱”总电源。3．此时，人尽量站在侧边，避开热释电开关传感器的感应区。接着合上“电源及仪表挂箱”总电源，人从热释电开关传感器的前方经过，观察AC220V报警灯的工作状态：若报警灯亮起，则说明人体已被感应到，此时人尽量避开感应区，等到延时40-60秒后会自动断开。4．结束后，将电源关闭整理好导线，放回原处。知识拓展光电传感器属于非接触测量。依被测物、光源、光电元件之间的（位置）关系，可分为以下四种类型：—、光源本身是被测物的应用实例

光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。

应用拓展1、红外线辐射测温

任何物体在开氏温度零度以上都能产生热辐射。温度较低时，辐射的是不可见的红外光，随着温度的升高，波长短的光开始丰富起来。测温原理（高温）光电比色温度计比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准,测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如:烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。

二、被测物吸收光通量的应用实例

1、光电式浊度计

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2