《光电传感器》PPT课件

1、第七章光电传感器,采用光电元件作为检测元件的传感器被称为光电传感器。光电传感器由光源、光学通路和光电元件组成。主要特点：精度高、反应快、非直接接触、结构简单、形式多样、应用广泛。,几个光学概念,1、光通量：是光源向各个方向射出的光功率，也即每一单位时间射出的光能量，以表示，单位：流明-lm,3、光照度：是光源照射到单位面积上的光通量，以E表示，单位：勒克斯-lx,2、光强度：光源在单位立体角内辐射的光通量，以I表示，单位：坎德拉-cd,第一节光电效应与光电器件,真空光电元件,半导体光电元件,基于不同形式的光电效应,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

2、获得1921年诺贝尔物理学奖。,光的波粒二象性：光是一种以光速运动的粒子流,光子,1.外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。（电流）-光电管、光电倍增管2.内光电效应：在光线作用下物体的电阻率改变。（电阻）-光敏电阻、光敏晶体管3.光生伏特效应：在光线作用下物体具有发电能力。（电动势）-光电池,单个光子能量：,普郎克常数,光波频率,不同频率（波长）的光，其光子能量也不同,用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hv的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。,一、光电管、光电倍增管,利用外光电效应制成的光电器件。,（一）光电管,光输入,阳极,阴

3、极,电子逸出（光电子）,电输出,即,光波频率,光波波长,或,光速,光子能量,与材料有关,可见，要使光电管中的自由电子逸出，频率不能太低，波长也不能太长。,形成光电流,光电管测量电路：,为入射光波长上限，也被称为“红限”。,光电管,阴极,阳极,电压输出光强越大，光电流越大，输出电压越大。,光输入,为入射光频率下限，也被称为“红限”。,光电流,光电管对不同频率的入射光灵敏度不同，因此，需要根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择不同的光电管，从而获得满意的灵敏度。,（二）光电倍增管,光电倍增管具有放大光电子电流的能力。光电倍增管具10-15级倍增电极，电位依次升高，使得阴极因接受光能而发射的电

4、子逐级加速，且光电子的数量逐级增多，形成较大的光电流。可用于微光测量。设单级的信号倍增率为，则多级的倍增率为。,光电倍增管测量电路：,完成由电流到电压的输出转换，但不宜过大，因为过大的负载电阻会使输出线性恶化,被测量为稳定辐射通量时（电源正端接地），可以省去；而被测量为脉冲通量时（电源负端接地噪声小），这些隔离电容起到稳定各级工作电压，稳定增益并防止饱和。,二、光敏电阻（光导管）,（一）工作原理：由半导体材料构成，利用内光电效应而工作。光敏电阻当光线照射时，因材料中的电子空穴对增加，其电阻值会变小，当光照消失时，电阻会恢复原值。这种现象被称为光导效应。光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加

5、直流电压，也可以加交流电压工作。光照越强，阻值越小。,光照,电路符号,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）,（二）特性参数,1.暗电阻与亮电阻暗电阻-在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。此时流过的电流称暗电流。例如MG41-42型光敏电阻的暗阻大于等于0.1兆欧。亮电阻-在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。此时流过的电流称亮电流。例如MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于1000欧。,2.伏安特性曲线在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过的电流间的关系,亮电流（大）与暗电流（小）之差被称为光电流。光敏电阻的亮电阻越小越好，暗电阻越

6、大越好，灵敏度越高。,允许的功耗曲线,3.光电特性曲线-光照度与光电流之间的关系。4.光谱特性曲线-入射光频率（波长）与灵敏度之间的关系。,光电特性：非线性的特点使得光敏电阻不适合做检测元件，常用于开关式传感器,光谱特性：与材料有关，要根据光源特性（频率）选择合适的元件,光照度,光电流,灵敏度,光波波长,硫化镉,硫化跎,硫化铅,（紫外-紫-红-红外）,5.频率特性曲线-光强变化频率与灵敏度之间的关系。6.温度特性曲线-温度对光谱特性的影响。,当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流（电阻）要经过一段时间才能达到稳定，反之亦如此时延特性（光敏电阻的另一个缺点）-与材料有关。,（硫化铅）光谱温度特性,硫化

7、铅,硫化跎,温度降低更适合检测波长长的信号,温度高,温度低,（紫外-紫-红-红外）,频率特性,三、光敏晶体管（光敏二极管、三极管）：基于内光电效应，与光敏电阻区别仅在于其是光照在半导体的PN结上，PN结参与了光电转换。,（一）工作原理,1.光敏二极管：正常情况下，PN结反向是不导通的。当被光线照射时，且光子能量大于材料的禁带宽度，就会在PN结及附近产生光生电子-空穴对，载流子浓度增加，在外加电场和PN结内电场作用下定向移动，PN结反向导通，可以感测光信号。,N,P,电路符号,结构示意,基本电路,2.光敏三极管：有两个PN结，因而比光敏二极管有更高的灵敏度。,+,-,（二）基本特性,1.光谱特性

8、：一定照度下,光波波长与光敏管灵敏度的关系。2.伏安特性:不同照度下,输出电压电流关系。,硅管,锗管,光谱特性,（紫外-紫-红-红外）,光敏三极管的伏安特性,光照度小,光照度大,探测可见光或赤热物体时，多用硅管，探测红外光时，多采用锗管。,3.光电特性：外加偏置电压一定时，光照度-输出电流关系。光敏二极管的线性度较好，光敏三极管会饱和。4.温度特性:一定照度下温度-电流关系。对亮电流、暗电流响程度不同。温度对亮电流影响小，对暗电流影响显著。因此，在高照度时，温度影响小，而低照度时，温度影响大。此时应选硅光敏管，因为其暗电流要比锗管的小得多。5.频率特性:输入的调制光频率与输出灵敏度的关系。,温

9、度特性,输出电流,暗电流,频率特性,输出灵敏度,光敏二极管的频率响应优于光敏三极管,四、光电池：是在N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质形成的一个大面积的PN结。,（一）工作原理,光生伏特效应。,（二）基本特性,1.光谱特性：一定照度下,光波波长与光电池灵敏度的关系。,（紫外-紫-红-红外）,硅光电池,硒光电池,光线照射,光生电动势,电路符号,受光范围宽,受光范围窄,+,用得较多的是硅光电，以及硒光电池（光谱峰值位于人眼的视觉范围）,2.光电特性:光照度与输出电动势、输出电流之间的关系。3.温度特性指开路电压、短路电流与温度变化的关系。4.频率特性:指输入的调制光频率与输出电流的关系。硅光电

10、池的频率特性较好，频率上限约几万Hz。在调制频率高的场合，应选择硅光电池，并选择较小的面积和负载电阻，以减小响应时间。,开路电压,短路电流,输出电动势（开路电压）,短路输出电流：负载电阻越小，这种线性关系越好，一般把光电池用于电流源,趋于饱和,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,第二节光电传感器与光电检测,一、光电传感器的类型：按照光电元件输出电信号的形

11、式，分为模拟式的和脉冲式的,光电传感器组成：,被测量使得光通量连续变化，输出光电流也连续变化。,（一）模拟式光电传感器,被测量,模拟式光电传感器的四种形式：,被测量是光源（测光源的物理量：比色高温计、照度计）,被测量吸收光通量（被测物的透明度、厚度、浑浊度等）,光源被投射（被测物）-反射（光电元件）（测表面粗糙度等）,光源被被测物阻挡（测尺寸和位置、振动等）,1、被测物2、光电元件3、恒光源,（二）脉冲式光电传感器,光信号断续变化，光电元件输出的也断续变化。光电元件处于开关工作状态。常用于计数或测速。,二、光电传感器的常用光源,（一）发光二极管：电能光能。（二）钨丝灯泡：具有丰富的红外线，也可

12、加滤色片滤除可见光，仅剩红外线。（三）激光：能量集中、方向性好、单色性好、相干性好。,三、光电转换电路,1.光敏电阻测量电路2.光敏晶体管测量电路3.光电池测量电路4.使用运算放大器的光敏元件测量电路。,光敏电阻测量电路：一般不需要放大器，只有要求有较大输出功率，才加放大器,光敏晶体管测量电路,光敏二极管的测量电路,光敏三极管的测量电路,放大器,放大器,光电池虽是自发电式光电元件，但其最大输出电压也仅0.6伏，需外加正向偏压,降低光电池无光照时的反向偏压,锗二极管：其正向压降与光电池的电压叠加，使硅管导通,硅光电池组,使用运算放大器的光敏元件测量电路,硅光敏二极管放大电路,硅光电池放大电路,二

13、、光电检测实例,（一）比色高温计（光源本身是被测物的应用实例）,比色式温度传感器采用比色式（双波段即不同波长上的辐射能量比）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。,辐射体,物镜,瞄准反射镜,光导棒,长波（不可见光）,短波（可见光）,光阑,分光镜,比例计算,人工观测,反射镜,目镜,棱镜,变送器,记录仪,硅光电池，分别接收长波和短波光,（二

14、）光电比色计（被测物吸收光通量的应用实例）用于溶液的颜色、成分、浑浊度等化学分析。,光电式浊度计和含沙量测量,将装有浊水的试管插入仪器中,（三）光电式带材测厚跑偏检测仪（被测物遮挡光通量的应用实例）检测带材加工过程中偏离正确位置的情况。,光电传感器,带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品，还可能损坏传送机。,当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。,粗调电位器,细调电位器,带材左偏时，遮光面积减小，光敏三极管接收的光强增加，电桥输出负电压；带材右偏时，遮光面积增加，光敏三极管接收的光强减小，

15、电桥输出正电压。输出电压的极性和大小反映了带材跑偏的方向和程度。,带材纠偏系统,（四）光电式转速仪：转速=电信号的频率-特别适合高转速的测量。有反射式和直射式两种。,1）反射式光电转速仪,电信号光信号,凸透镜,半透膜片,聚焦透镜,凸透镜,光源,测量电路,计数器,不反光位置电桥平衡U0=0反光位置输出电脉冲。,黑白相间的反射面造成反射光强弱的变化，从而形成相应频率的光脉冲，使光电元件产生相应的电脉冲。,它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,2）直射式光电转速仪,旋转盘和指示盘缝隙重合，光照射在光电元件上形成光电流。旋转盘随被测轴转动时

16、，每转过一条缝隙，光电元件就输出一电脉冲信号。因此，电脉冲频率在缝隙数确定后，与轴的转速成正比。这种结构可以提高转速测量的精度。,（五）光电检测的其他应用举例,红外线辐射温度计（光源本身是被测物的应用实例）,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,红外线辐射温度计外形,激光仅用于瞄准,红外线辐射温度计用于人体额温测量,热释电传感器（光源本身是被测物的应用实例）,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

17、门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,热释电元件外形,热释电传感器简介,热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等您可以根据自己的奇思妙想，结合其

18、他电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。,热释电报警器,菲涅尔透镜,设定按钮,高分贝喇叭,热释电报警器（续）,菲涅尔透镜,5mm接插件,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,热释电感应灯,热释电传感器,自动感应灯（参考施特朗公司资料）,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。,空调中，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，以及人是静止着还是走动着。,烟雾报警器外形（被测物吸收光通量的应用实例）,无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。,报警,第三节光导纤维传感器,一、光纤传感器工作原理（利用光的完全内反射原理