第6章 光电式传感器及应用

1、2020/7/4，1，6章光电传感器和应用，2020/7/4，2，引言，光电传感器是用光电元件作为转换元件，将测试的非电量变化转换为电力的传感器。光电传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。光电元素是构成光电传感器的最重要的组件。光电器件响应速度快，结构简单，使用方便，可靠性高，因此在自动检测、计算机和控制系统中应用非常广泛。光电传感器的物理基础是光电效应。2020/7/4，3，主要内容，6.1光电效应和光电元件6.2光电传感器实用电路6.3光纤传感器6.4红外传感器，2020/7/4，4，6.1光电效果和光电元件，光电传感器的工作原理基于其他形式的光电效果。根据光的波粒子二重性，光是

2、以称为光子的光速运动的粒子流。持有的能量h与光的频率(h普朗克常数)成正比。每个光子的能量为E=h，6.1.1光电效果和分类，2020/7/4，5，光电响应的类型(1)外部光电效果。真空管组件(2)的光电效应。(3)光生螺栓效应。(2)、(3)类是半导体组件，2020/7/4，6，光学单位，流明(lm):光通量的单位，所有光源均以流明表示输出光通量的大小。lux(LX):表征主体拍摄程度的物理量。2020/7/4，7，6.1.2光电组件和基本测量电路，(1)结构和工作原理。用外部光电效果制作的光电元件。1光电倍增管，(a)光电倍增管，(a)光电倍增管的结构，2020/7/4，8，光电倍增管，光

3、电倍增管是将弱光输入转换为电子并使电子加倍的电真空装置。它有放大光电流的作用，灵敏度很高，信噪比大，线性度好，常用于低照度测量。光电倍增管由两个主要部分组成：阴极室和一些光电倍增系统，2020/7/4，9，原理图，2020/7/4，10，光电倍增管的基本电路，2020/7/4，11，(，2020/7/4，12，va特性。2020/7/4，13，光谱特性。2020/7/4，14和其他特性、光电池有温度特性、疲劳特性、惯性特性、暗电流和老化特性等，应根据产品说明书和相关手册合理选择。2020/7/4，15，2光电阻，光电阻，也称为光管，是同质半导体光电器件。具有灵敏度高、光谱响应范围广、尺寸小、重

4、量轻、机械强度高、冲击、振动、抗过载能力和寿命长的2020/7/4，16、(1)光敏电阻的工作原理和结构。光敏电阻的工作原理基于内部光电效应。感光电阻测量电路，2020/7/4，17，感光电阻，感光电阻照明时电阻减小。2020/7/4，18，(2)感光电阻的基本特性和主要参数，暗电阻和暗电流。明亮的电阻和明亮的电流。电压电流特性。光敏电阻的伏安特性，2020/7/4，19，光电特性。特定感光电阻的光电特性，(2)感光电阻的基本特性和主要参数，2020/7/4，20，光谱特性。感光电阻的光谱特性，(2)感光电阻的基本特性和主要参数，2020/7/4，21，响应时间。温度性质。(2)包括光敏电阻的

5、基本特性和主要参数、2020/7/4，22，3光电晶体管、光电二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管等，其工作原理基于内部光电效应。感光晶体管灵敏度比光敏二极管高，但频率特性不好，目前广泛应用于光纤通信、红外遥控器、光电耦合器、伺服电动机速度控制检测、光电读出装置等。光敏晶闸管主要用于包括光控制开关电路、2020/7/4，23、(1)光敏晶体管结构和工作原理、2020/7/4，24、光敏二极管几何图形、光敏二极管阵列、GaAs组件1024的线性光电二极管阵列，也可用于分光器，2020/7/4，25，红外发射，接收对管形状，红外发射管，红外接收管，2020/7/4，26，光敏晶体管，集电极电流是原始光电

6、电流的两倍。因此，光敏晶体管比光敏二极管敏感。，2020/7/4，27，感光晶体管形状，2020/7/4，28，光敏晶闸管，光敏晶闸管，其工作电压高，能够达到数百伏，传导电流比光敏晶体管大得多，因此输出功率大，在自动检测控制和日常生活中应用越来越广泛。2020/7/4，29，感光晶闸管形状，感光面，2020/7/4，30，(2)光敏晶体管的基本特性。光谱特性。图6-16光电晶体管的光谱特性1硅光电晶体管2锗光电晶体管，2020/7/4，31，伏安特性，2020/7/4，32，光电特性，图6-18光电晶体管的光电特性1光电二极管光电特性2光电晶体管光电特性，图6光电二极管和光电晶体管暗电流没有太

7、大区别，一般不会超过1uA。响应时间感光二极管的响应时间小于100ns，感光晶体管数为510us。因此，如果工作频率高，则必须使用光电二极管。光敏晶体管(光敏晶体管)仅在操作频率低的情况下使用。输出特性感光二极管具有良好的线性特性，但感光晶体管线性度不好。2020/7/4，35，4。光电池以光生螺栓效应为基准工作，当光照射在光电池上时，可以直接输出光电流。常用的光电池有两种，金属半导体和硒光电池、硅光电池、锗光电池等PN结型。2020/7/4，36，硅光电池的结构和工作原理，通过导线连接p区和n区，电路中的电流流动，2020/7/4，37，光电池形状，感光面，2020/7/4，38，提供较大电

8、流的大面积与光电耦合器件、发光二极管和光电接收器件一起以光为媒介的光电器件。发光元件通常是半导体的发光二极管，具有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管或光晶闸管等。根据结构和用途，可以分为用于电气隔离的光电耦合器和检测是否有物体的光电开关。2020/7/4，46，(1)光耦合器(光耦合器)实际上是电源隔离转换器，具有抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛用于电路隔离、电平转换、噪声抑制、常开触点开关和固态继电器。2020/7/4，47，(2)光受体结合形式的光电耦合器是利用光受体元件接收变化的入射光，进行光转换，同时以任何形式放大和控制，从而获得最终控制输出“on”、“off”信号的设备。光电开关的特

9、点是体积小、速度快、非接触功能，易于与TTL、MOS等电路相结合。2020/7/4，48，典型光电开关结构，1发光元件2接收元件3外壳4导线5反射6形式，2020/7/4，49，光电开关形状，2020/7/4，50，光开关工业控制，自动包装线和安全在自动限制系统中，可用于对象检测、产品数、级别检测、大小控制、安全警报和计算机输入接口等用途。2020/7/4，51，(3)光电间断机的工作方式与光电开关相同，但其光电发射器和接收器放在尺寸较小的塑料外壳中，可以使两者完全匹配。分为屏蔽型和反射型两种。2020/7/4，52，(3)光电间歇，1发光二极管2红外3光电组件4插槽5测量，2020/7/4，

10、53，光电间歇形状，2020/7/4，54，光电间歇通过脉冲频率的测量或脉冲计数，可以获得牙齿旋转速度和角度位移。光电间歇器的应用(1)，n，2020/7/4，56，光电间歇器的应用(2)，2020/7/4，57，6.2光电传感器的实用电路基于测量对象、光源、光电组件3的关系根据高温比色温度计，以2个特定波长的1，2的辐射强度、其比率和该物体的温度为指数测量值，2020/7/4，59，利用光电池制作非接触温度测量的高温比色温度计，1高温物体2大物透镜3半透镜3半透镜4反射5目镜6观测者眼睛7光兰8光电导棒9经10，12滤波11光电比色计、化学分析仪具使用能抵消光速不稳定性引起的变化的共同光源，

11、因此测量精度很高。但是2光电池的性能不能相同，可能会产生一些误差。2020/7/4，61，光电比色计原理图，1光源2光透镜3滤色镜4标准样品5测试样品6，7光电池8差动放大电路9指示灯，2020/7/4，62，3。光电带偏差检测装置、带偏差检测装置用于检测处理过程中图案材料偏离正确位置的大小和方向，为校正控制电路提供校正信号。2020/7/4，63，光电边缘位置检测设备，2020/7/4，64，光电边缘位置检测设备，2020/7/4，65，4。物体运动速度检测，2020/7/4，66，6.4红外传感器，(1)用于测量辐射和光谱辐射的红外辐射计；(2)用于搜索和跟踪红外目标、确定该空间的位置和跟

12、踪其移动的搜索和跟踪系统；(3)产生整个目标红外辐射(例如红外图像、多光谱扫描仪等)的分布图像的热成像系统；(4)红外测距和通信系统；(5)混合系统，表示上述每个系统类型中的两个或多个组合。2020/7/4，67，电磁波谱，2020/7/4，68，6.4.1红外辐射，通常称为红外线，位于从可见光到非红光的射线上。波长范围约为0.761000m红外辐射的物理特性，热辐射以波的形式在空间中直线传播，2020/7/4，69，6.4.2红外探测器，红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路、显示系统等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器的种类很多，通常有热探测器和光子探测器两类。2020/7/4，70，1。热感器、热感器利用红外辐射的热效应，如果感测器的敏感部件吸收辐射能，温度就会升高，因此相关物理参数会发生变化，通过测量物理参数的变化，可以确认感测器吸收的红外线。2020/7/4，71，由超电红外探测器、具有极化现象的热晶体或称为“铁电”的物质制成。“铁电”的极化强度(单位面积的电荷)与温度相关。在已经极化的铁电薄板表面，红外辐射照射下，薄板温度升高，极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放了电荷的一部分，所以被称为超导传感器。2