《传感器技术与应用》课件-项目7：光电式传感器

传感器技术与应用8.1光电传感器光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号。具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光电传感器是物性型传感器。光敏器件种类很多，在自动检测及控制系统、计算机系统中应用非常广泛。普通的光电器件包括：

光电管、光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻、

光电池、光电倍增管、光电耦合器等。光信号光电传感器电信号被测量概述光电开关概述料位自动控制电动扶梯自动启停概述光电开关光敏管光栅概述光电鼠标光敏电阻概述光电鼠标外光电效应光电效应可分为：内光电效应光电导效应光生伏特效应光敏器件主要利用各种光电效应在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。每个光子具有能量式中：——普朗克常数()

——光的频率（Hz）J.S波长短，频率高，能量大。入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比。8.1.1外光电效应光照射物体时电子吸收入射光子的能量E，当物体吸入的能量超出物体逸出功A时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。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。每个光子具有的能量可由能量守恒定律表示为(爱因斯坦光电效应方程)

为一个电子逸出的动能（能量）；m为电子质量，ν0电子逸出物体表面时的速度；A为电子的逸出功。

光电子光照射e8.1.1外光电效应入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，在入射光作用下电子吸收光子能量，电子从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起电阻率减小。1）光电导效应为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量应大于禁带宽度的能量E0＞Eg基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。8.1.1外光电效应光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。2）光生伏特效应下面分两种情况讨论：为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？PN---+++-+光源不加偏压时的PN结处于反偏时的PN结8.1.1外光电效应不加偏压的P-N结2）光生伏特效应当光照射在P-N结时，如果光电子能量足够大，就可激发出电子——空穴对，在P-N结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.PN---+++-+光源电子空穴二极管PN结开路电压有基于这种效应的器件有光电池。8.1.1外光电效应处于反偏时的P-N结（给P-N结加电场）2）光生伏特效应无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；电流方向与反向电流一致，光照强光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管通常加反向电压。-+PN电子空穴---+++光源IgE有光照时，产生光生电子—空穴对，在外电场作用下，光生电子→N，空穴→P运动，形成光电流Ig。

光敏二极管、光敏晶体管

从原理上讲，不加偏压的光电二极管就是光电池。8.1.1外光电效应问题与思考什么是内光电效应？什么是外光电效应？说明其工作原理，并指出相应的典型光电器件。请预习光电器件的种类。传感器技术与应用8.2光敏电阻的基本特性TRANSDUCER课

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容CourseContents1.伏安特性2.温度特性3.光谱响应4.频率特性5.光照特性用于各种衡器8.2光敏电阻的基本特性1.伏安特性

在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。在给定的电压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。注意：光敏电阻的阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。（斜率一定）用于各种衡器8.2光敏电阻的基本特性2.温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性温度系数:在一定光照下，温度每变化1℃，光敏电阻阻值的平均变化率。用于各种衡器8.2光敏电阻的基本特性温度对光谱特性影响

随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。2.温度特性用于各种衡器8.2光敏电阻的基本特性3.光谱响应

光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。对不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。用于各种衡器8.2光敏电阻的基本特性3.光谱响应光敏电阻的分类根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

1、紫外光敏电阻器：包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等。

2、红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器。

3、可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。用于各种衡器8.2光敏电阻的基本特性4.频率特性

光敏电阻的光电流不能立即随着光照量的改变而立即改变。即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这个惰性通常称为时间常数，用τ来表示。不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。

光敏电阻的光电流不能立即随着光照量的改变而立即改变。即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这个惰性通常称为时间常数，用τ来表示。不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。用于各种衡器8.2光敏电阻的基本特性5.光照特性光照特性：光敏电阻的光电流与光强之间的关系。

由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。课

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容CourseContents1.调光电路2.汽车大灯自动控制电路用于各种衡器8.2光敏电阻的应用1.调光电路光线变弱

RG阻值增加

C上分压上升

可控硅导通角增大

照明灯电压增大

灯光变亮光线变亮RG阻值下降C上分压上升可控硅导通角变小照明灯电压下降灯光变暗调光电路1用于各种衡器8.2光敏电阻的应用2.汽车大灯自动控制电路工作原理：

在夜间行车时，当无灯光照射光敏电阻Rgm时，其呈高阻值，555输出高电位，两个场效应管均导通，汽车两前大灯D1和D2均发光。当对方有车开来时，Rgm呈低阻值，555输出低电位，两个场效应管均截止，汽车两前大灯熄灭。汽车大灯自动控制电路传感器技术与应用

8.3光栅式传感器光栅是一种光学元件，用于测量的光栅称为计量光栅。

光栅式传感器的特点：精度高；可实现动态测量；大量程测量兼有高分辨率；

具有较强的抗干扰能力。光栅是光栅尺的简称。光栅尺是一块尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。光栅式传感器主要用于高精度的机械位移测量以及精密测量系统的传感装置。根据光栅用途的不同，可将光栅尺分为长光栅尺（用作线值测量），圆光栅盘。长光栅，用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行；圆光栅，用来测量角度或角位移，在圆盘玻璃上刻线；8.3.1计量光栅的种类长光栅尺的设计：8.3.2莫尔条纹在玻璃板上设计，其中透光缝宽为b，不透光线宽为a，一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光的线宽，即a=b。W=a+b光栅栅距图中W=a+b，称为（光栅节距或光栅常数）。光栅栅距是光栅尺的重要参数。形成莫尔条纹的光学原理莫尔条纹通常是由两块光栅（标尺光栅、指示光栅）叠合而成的，为了避免摩擦，光栅之间留有间隙，两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加；光线透过透光部分形成亮带；光栅不透光部分叠加，互相遮挡，形成暗带。这种由光栅重叠形成的光学图案称为莫尔条纹。8.3.2莫尔条纹

——标尺光栅常数

——指示光栅常数

——两光栅的夹角式中：

长光栅莫尔条纹的周期（条纹间距B）8.3.2莫尔条纹

长光栅横向莫尔条纹

长光栅莫尔条纹的周期（条纹间距B）莫尔条纹的重要特性：运动对应关系：主光栅向右运动一个栅距W1时(W<0.005mm)，莫尔条纹向下移动一个条纹间距B;8.3.2莫尔条纹位移放大作用：两光栅夹角很小，若W1=W2

，莫尔条纹得近似关系B≈W/θ；莫尔条纹放大倍数为1/θ。虽栅距很小但莫尔条纹清楚可见；误差平均效应：莫尔条纹的大栅线对光栅刻划误差有平均作用.光栅测量装置是指利用光栅原理对输入量（位移量）进行转换、显示的整个测量装置。包含三大部分：

光栅传感器构成原理：光栅式传感器又称光栅式读数头，由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。8.3.3光栅传感器光栅光学系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。光栅读数头两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮再到最暗的渐变过程。

式中：

uo

光电元件输出的电压信号；

Uo

输出信号中的平均直流分量；Um

输出信号中正弦交流分量的幅值光栅读数头主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数。总结与思考总结光栅传感器的种类；莫尔条纹；光栅传感器的结构思考复习光栅传感器的相关原理；调研光栅传感器的应用场景；传感器技术与应用9.1光敏三极管的应用TRANSDUCER课

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容CourseContents1.光控开关电路2.光控语音报警电路3.红外检测器电路4.烟雾报警器电路课程内容CourseContents1.光控开关电路2.光控语音报警电路3.红外检测器电路4.烟雾报警器电路用于各种衡器9.1光敏三极管的应用1.光控开关电路

当光敏三极管3DU5上有光照射时，它被导通，从而使继电器K通电工作。当光敏三极管3DU5上无光照射时，电路被断开，3DK7、3DK9均不工作，也无电流输出，继电器不动作。因此通过有无光照射到光敏管3DU5上即可控制继电器的工作状态，从而控制与继电器连接的工作电路。光控开关电路

课程内容CourseContents1.光控开关电路2.光控语音报警电路3.红外检测器电路4.烟雾报警器电路用于各种衡器9.1光敏三极管的应用2.光控语音报警电路

平常在光源照射下，VT1呈低阻状态，VT2饱和导通，IC触发端3脚得不到正触发脉冲而不工作，扬声器无声。当VT1被物体遮挡时，便产生一负脉冲电压，并通过C1耦合到VT2的基极，导致VT2进入截止状态，IC获得一正触发脉冲而工作，输出音频信号通过VT3放大，推动扬声器发出声响。光控语音报警电路课程内容CourseContents1.光控开关电路2.光控语音报警电路3.红外检测器电路4.烟雾报警器电路用于各种衡器9.1光敏三极管的应用3.红外检测器电路

当红外遥控发射装置发出的红外光照射到光敏三极管VT1时，其内阻减小，驱动VT2导通，使发光二极管VD1随着人射光的节奏被点亮。

由于发光二极管VD1的亮度取决于照射到光敏三极管VT1的红外光的强度，因此根据发光二极管VD1的发光亮度，可以估计出红外发射装置上的电池是否还可以继续使用。红外检测器电路课程内容CourseContents1.光控开关电路2.光控语音报警电路3.红外检测器电路4.烟雾报警器电路用于各种衡器9.1光敏三极管的应用4.烟雾报警器电路

光敏三极管是烟雾报警器中的光传感器。它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。根据烟粒子对光线的吸收和散射作用。光电感烟探测器又分为遮光型和散光型两种。遮光型散光型用于各种衡器9.1光敏三极管的应用4.烟雾报警器电路

下图为遮光型报警器。平时发光二极管发出的光被不透明挡板挡住，当有烟雾时，烟雾对光有散射作用，光电三极管接收到散射光，电阻变小，使报警电路工作。用于各种衡器9.1光敏三极管的应用4.烟雾报警器电路

散光型烟雾报警器：在烟雾报警器内部有一道光和传感器，二者成90度角放置，如右图所示：烟雾报警器用于各种衡器9.1光敏三极管的应用4.烟雾报警器电路

在正常情况下，左侧的光源发出的光会直接射出，不经过传感器。但是当有烟雾进入腔体时，烟雾微粒会使光线散开，一部分光会射到传感器，然后传感器会启动烟雾报警器中的喇叭。烟雾报警器用于各种衡器9.1光敏三极管的应用4.烟雾报警器电路

无烟雾时，红外发光二极管VD1发光并被光敏三极管VT1接收，其内阻减小，最终使得VT2导通，VT3截止，报警器不工作。用于各种衡器9.1光敏三极管的应用4.烟雾报警器电路

有烟雾时，空气透光性变差，此时光敏三极管VT1接收到的光通量减小，内阻增大，最终使得VT2截止，VT3导通，报警器工作。传感器技术与应用9.2光电开关的应用TRANSDUCER课

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容CourseContents1.光电开关的应用2.光幕应用9.2光电开关的应用光电开关的工作原理

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。9.2光电开关的应用光电开关的工作原理光电开关可分为遮断型和反射型两大类。

遮断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。遮断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。

反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型(简称散射型)。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。9.2光电开关的应用遮断型光电开关

遮断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，接受器接受不到光线而产生开关信号。9.2光电开关的应用反射镜反射型光电开关

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。9.2光电开关的应用被测物漫反射型光电开关

漫反射型光电开关集光发射器和光接收器于一体。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收器接收，于是产生开关信号。

光电开关可用在：物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。9.2光电开关的应用

此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。

9.2光电开关的应用光电开关的应用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)用于各种衡器9.2光电开关的应用光电开关的应用透明度测量、控制质量检测加工控制机械手定位9.2光电开关的应用商标方向检测光电开关的应用课程内容CourseContents1.光电开关的应用2.光幕应用用于各种衡器9.2光电开关的应用光幕

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。发射器接收器用于各种衡器9.2光电开关的应用光幕应用光幕是利用光电感应原理制成的安全保护装置，多用于工业自动化或安防领域。光线被遮断(报警)产品高度测量9.2光电开关的应用高度测量宽度测量长度测量三维尺寸检测单击输入正文添加标题光用幕应9.2光电开关的应用光幕应用第3章应变式传感器自动收费系统的车辆检测锻压机床的安全区域入侵报警光幕应用传感器技术与应用9.3红外线传感器的应用TRANSDUCER课

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容CourseContents1.红外测温仪2.红外气体分析仪3.红外热像仪课程内容CourseContents1.红外测温仪2.红外气体分析仪3.红外热像仪9.