傳感器原理課件9-1光電

1、 光電傳感器光電傳感器是利用基于是利用基于光電效應(yīng)光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換 為電信號的裝置，使用它測量非電量時，需要將這為電信號的裝置，使用它測量非電量時，需要將這 些非電量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光些非電量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光 電元件把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。電元件把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 1 2 1 2 I 被測量被測量 光通量光通量 光電傳感器主要由光電傳感器主要由發(fā)光元件發(fā)光元件、光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)、光光 電接收元件電接收元件和和測量電路測量電路組成。組成。 光電接受元件主要有光電效應(yīng)傳感器（包光電接受元件主要有光電效應(yīng)傳感器（包 括光敏電阻、光電池、光敏晶體

2、管）、紅外熱括光敏電阻、光電池、光敏晶體管）、紅外熱 釋電探測器、固態(tài)成像器件、光纖傳感器等。釋電探測器、固態(tài)成像器件、光纖傳感器等。 光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸非接觸、高可、高可 靠性、高精度和反應(yīng)快等優(yōu)點，故廣泛用于各靠性、高精度和反應(yīng)快等優(yōu)點，故廣泛用于各 種自動檢測系統(tǒng)中。種自動檢測系統(tǒng)中。 光電式傳感器的應(yīng)用可分為兩類光電式傳感器的應(yīng)用可分為兩類：模擬式光電：模擬式光電 傳感器傳感器和和脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器。 1. 1.模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器 將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流輸出，且將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流輸出，且 與被測量之間是

3、單值關(guān)系，一般做測量元件。與被測量之間是單值關(guān)系，一般做測量元件。 歸納為四種基本形式，即：歸納為四種基本形式，即：吸收式（透射式）吸收式（透射式）、 反射式反射式、輻射式輻射式( (直射式直射式) )、遮光式遮光式。 又稱透射式。又稱透射式。 例如例如:透明度、渾濁度測量透明度、渾濁度測量 例如例如:通過光通量變化大小可以反映粗糙度、通過光通量變化大小可以反映粗糙度、 紙張的白潔度；通過光通量變化頻率可以反映被紙張的白潔度；通過光通量變化頻率可以反映被 測物的轉(zhuǎn)速。測物的轉(zhuǎn)速。 又稱直射式又稱直射式 例如例如:照度計照度計 例如例如:被測物的位置、尺寸大小、振動等被測物的位置、尺寸大小、振動

4、等 測量測量 2. 脈沖式光電傳感器（開關(guān)式）脈沖式光電傳感器（開關(guān)式） 將被測量轉(zhuǎn)換成將被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)斷續(xù)變化的光電流輸變化的光電流輸 出，一般用作開關(guān)器件在中。出，一般用作開關(guān)器件在中。 例如：計數(shù)器、檢測表例如：計數(shù)器、檢測表 完成光電測試還需要設(shè)計一定的光路完成光電測試還需要設(shè)計一定的光路 圖，光路由光學元件組成，常見的有濾光圖，光路由光學元件組成，常見的有濾光 片、棱鏡等。片、棱鏡等。 利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的 燈即燈即氣體放電燈氣體放電燈。 它的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及它的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及 放電條件有關(guān)。改變

5、氣體的成分、壓力、陰極材放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材 料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍 的輻射的輻射。 半導體半導體PNPN結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 是是20世紀世紀60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一。具年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一。具 有高方向性、高單色性、高亮度和高的相干性四個重有高方向性、高單色性、高亮度和高的相干性四個重 要特性。激光波長一般從要特性。激光波長一般從0.15m到遠紅外整個光頻波到遠紅外整個光頻波 段范圍。段范圍。X-射線激光器。射線激光器。 9.2 9.2 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 自然界的一切物體在環(huán)境溫度高于自然界的一切物體在

6、環(huán)境溫度高于0K以上時以上時 都會產(chǎn)生光波輻射，光是波長約在都會產(chǎn)生光波輻射，光是波長約在1000.01m之之 間的電磁輻射，其光譜見圖。間的電磁輻射，其光譜見圖。 紫紫 藍藍 綠綠 黃黃 橙橙 紅紅 光也可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子光也可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子 (稱為光子稱為光子)所構(gòu)成所構(gòu)成 hE h為普朗克常數(shù)；為普朗克常數(shù)； v光的頻率光的頻率( s-1)。 光子能量光子能量 每個光子具有的能量正比于光的頻率；每個光子具有的能量正比于光的頻率； 光照射某一物體，就可以看作這物體受到一連串光照射某一物體，就可以看作這物體受到一連串 具有一定能量的光子所轟擊，而具有

7、一定能量的光子所轟擊，而光電效應(yīng)光電效應(yīng)就是由就是由 于這物體吸收到光子能量后轉(zhuǎn)換為某些電子的能量。于這物體吸收到光子能量后轉(zhuǎn)換為某些電子的能量。 光線照射到物體后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為兩類，光線照射到物體后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為兩類，即即 外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 9.2.1 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 愛因斯坦光電效應(yīng)方程：愛因斯坦光電效應(yīng)方程： 2 00 2 1 mVAhv 式中第一項是式中第一項是電子電子逸出物體表面所需的功；逸出物體表面所需的功； 第二項是逸出物體表面的電子所具有的動能。第二項是逸出物體表面的電子所具有的動能。 1電子電子能否逸出物體表

8、面取決于能否逸出物體表面取決于光子光子具具 有的能量有的能量hv是否大于是否大于A0，而而 hv只與光的頻率只與光的頻率v 有關(guān)，否則光強再大也不會產(chǎn)生光電發(fā)射。有關(guān)，否則光強再大也不會產(chǎn)生光電發(fā)射。 2如果產(chǎn)生了光電發(fā)射，在入射光頻譜如果產(chǎn)生了光電發(fā)射，在入射光頻譜 不變的情況下，逸出的電子與光強成正比。不變的情況下，逸出的電子與光強成正比。 光強愈強意味著入射的光子數(shù)目愈多，受轟光強愈強意味著入射的光子數(shù)目愈多，受轟 擊逸出物體表面的電子數(shù)目愈多。擊逸出物體表面的電子數(shù)目愈多。 3.逸出的光電子具有動能。逸出的光電子具有動能。 主要性能主要性能 （1 1）光電管的）光電管的伏安特性伏安特性

9、 在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與 陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。 真空靈敏度低，但受溫度影響小，靈敏度穩(wěn)定。真空靈敏度低，但受溫度影響小，靈敏度穩(wěn)定。 光照特性曲線的光照特性曲線的 斜率稱為光電管斜率稱為光電管 的靈敏度。的靈敏度。 1-氧銫陰極氧銫陰極 2-銻銫陰極銻銫陰極 曲線曲線1、2分別為銫陰極、分別為銫陰極、 銻銫陰極對應(yīng)不同波長光銻銫陰極對應(yīng)不同波長光 線的靈敏度，線的靈敏度， 3為多種成分（銻、鉀、為多種成分（銻、鉀、 鈉、銫等）陰極的光譜特鈉、銫等）陰極的

10、光譜特 性曲線性曲線 由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成 陰極由半導體光電材料陰極由半導體光電材料銻銫銻銫做成，次陰極是在鎳做成，次陰極是在鎳 或銅或銅- -鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可 達達3030級。通常為級。通常為12141214級。級。 使用時在各個倍增電極上均加上電壓，使用時在各個倍增電極上均加上電壓，陰極電陰極電 位最低，以后依次升高，陽極最高位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個倍增。相鄰兩個倍增 電極之間有電位差，因此存在加速電場。電極之間有電位差，因此存在加速電場。 2 光電倍增管及其基本特性

11、光電倍增管及其基本特性 )49( / n i iI 主要參數(shù)：主要參數(shù)： 1 1）倍增系數(shù)）倍增系數(shù)MM 一個光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光一個光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光 電陰極的靈敏度。一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電陰極的靈敏度。一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均 電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度. . (2) (2) 光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度 （3 3）暗電流和本底脈沖）暗電流和本底脈沖 由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響， 即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，即使沒有光信

12、號輸入，加上電壓后陽極仍有電流， 這種電流稱為暗電流。這種電流稱為暗電流。 在其受人眼看不到的宇宙射線的照射后，光電倍在其受人眼看不到的宇宙射線的照射后，光電倍 增管會有電流信號輸出增管會有電流信號輸出本底脈沖。本底脈沖。 （4 4）光電倍增管的光譜特性）光電倍增管的光譜特性 與相同材料的光電管的相似。與相同材料的光電管的相似。 當光照在物體上，使物體的當光照在物體上，使物體的電導率電導率發(fā)生發(fā)生 變化，或產(chǎn)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢光生電動勢的現(xiàn)象。分為的現(xiàn)象。分為光光 電導效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）電導效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。 1光電導效應(yīng)光電導效應(yīng) 在光線作用下，電子吸收光子能

13、量在光線作用下，電子吸收光子能量 從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料 電導率電導率的變化。的變化。 自由電子所占能帶自由電子所占能帶 價電子所占能帶價電子所占能帶 禁帶禁帶 1 光敏電阻光敏電阻 工作原理是工作原理是光電導效應(yīng)，光電導效應(yīng)，圖為光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。圖為光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。又又 稱光導管，是純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。稱光導管，是純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。 圖示符號 n硫化鎘（CdS）光譜特性接近人的視覺范圍，可 見光波段范圍內(nèi)靈敏度高，多用于燈光自控和照 相機自動光； n硫化鉛（PbS）近紅外較靈敏，用于火災(zāi)探測。 常見的光敏

14、電阻常見的光敏電阻 2. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 （1 1）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、 光電流光電流 光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為暗暗 電阻電阻，此時流過的電流為，此時流過的電流為暗電流。暗電流。 在受到光照時的電阻稱為在受到光照時的電阻稱為亮電阻亮電阻，此時的，此時的 電流稱為電流稱為亮電流亮電流。 亮電流與暗電流之差為亮電流與暗電流之差為光電流光電流。 一定光照下，所一定光照下，所加加 的的電壓越高，光電電壓越高，光電 流越大，而且沒有流越大，而且沒有 飽和的現(xiàn)象。飽和的現(xiàn)象。 在

15、給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨 光照增強而增大。光照增強而增大。 圖圖9-99-9 硫化鎘的伏安特性硫化鎘的伏安特性 5 10 15 20 25 30 020 40 60 80 100 120140 耗散功率 10 lx 100 lx 1000 lx 光敏電阻電壓（V） ）光電 流mA（ 多數(shù)是非線性的。不宜做線性測量元件，一般用多數(shù)是非線性的。不宜做線性測量元件，一般用 做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。 光通量光通量/lm/lm 光電流光電流/ /mA mA 4 4）光譜特性）光譜特性 硫化鎘硫化鎘的峰值在的峰值在可見光可見光區(qū)域，區(qū)域，硫化鉛硫化

16、鉛 的峰值在的峰值在紅外紅外區(qū)域。故選用時要把元件和區(qū)域。故選用時要把元件和 光源結(jié)合起來考慮。光源結(jié)合起來考慮。 0 500 1000 1500 2000 2500 20 硫化鎘硫化鎘 硫化鉈硫化鉈 硫化鉛硫化鉛 入射光波長入射光波長/nm/nm 相對靈敏度相對靈敏度/% /% （5） 頻率特性和響應(yīng)時間頻率特性和響應(yīng)時間 (b) 頻率特性曲線 光照停止后的時間(s) 光入射后的時間(s) (a) 響應(yīng)時間曲線 增長曲線 下降曲線 0 0.511.5 100 80 60 40 20 04812 101001000 10000 f(Hz) 100 80 60 40 20 0 硫化鉛 硫化鉈 相

17、對靈敏度Sr（%） 光照變化頻率（Hz） 100 lx500 lx 10 lx 500 lx 100 lx 10 lx 光 電 流（ % ） 光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化， 即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常 用時間常數(shù)表示，越小，響應(yīng)越快，但多數(shù)都較大；且用時間常數(shù)表示，越小，響應(yīng)越快，但多數(shù)都較大；且 不同的時間常數(shù)對應(yīng)著不同材料的頻率特性。不同的時間常數(shù)對應(yīng)著不同材料的頻率特性。 （6） 光譜溫度特性光譜溫度特性 硫化鉛光敏電阻硫化鉛光敏電阻 （受溫度影響最大）（受溫度

18、影響最大） 1 1）結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng) 光照射光照射PNPN結(jié)時，若結(jié)時，若h h EgEg，使，使價帶中的電子躍遷價帶中的電子躍遷 到導帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在到導帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場阻擋層內(nèi)電場的作用的作用 下，電子偏向下，電子偏向N N區(qū)外側(cè)，空穴偏向區(qū)外側(cè)，空穴偏向P P區(qū)外側(cè)，使區(qū)外側(cè)，使P P區(qū)帶區(qū)帶 正電，正電，N N區(qū)帶負電，形成光生電動勢區(qū)帶負電，形成光生電動勢。 ： 2） 側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng) 當光照射半導體光電器件的靈敏面時，光照部分吸當光照射半導體光電器件的靈敏面時，光照部分吸 收光子能量便產(chǎn)生自由電子收光子能量便產(chǎn)生自由電子-空穴對，這部分的載流

19、子濃空穴對，這部分的載流子濃 度比未被光照部分的載流子濃度大，就產(chǎn)生了濃度梯度，度比未被光照部分的載流子濃度大，就產(chǎn)生了濃度梯度， 由光照部分和未被光照部分的載流子濃度梯度產(chǎn)生的電由光照部分和未被光照部分的載流子濃度梯度產(chǎn)生的電 動勢，稱為側(cè)向光電效應(yīng)。動勢，稱為側(cè)向光電效應(yīng)。 電子濃度高電子濃度低 光電池是利用光電池是利用光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)把光直接把光直接 轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。由于它可把太陽轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。由于它可把太陽 能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽虼擞址Q為能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此又稱為太陽能電太陽能電 池池。它有較大面積的。它有較大面積的PN結(jié)，當光照射在結(jié)，當光照射在 PN結(jié)上時，在

20、結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。故光結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。故光 電池是電池是有源元件有源元件。 PN + - Rf NP PNN + - Rf b ce 9.4.3 光敏晶體管光敏晶體管 1光敏二極管和光敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏二極管和光敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 光敏晶體管 2光敏晶體管的基本特性光敏晶體管的基本特性 （1）光敏晶體管的光譜特性）光敏晶體管的光譜特性 20 40 60 80 100 0.51.01.52.00 硅 鍺 相對靈敏度Sr(%) ）（ A （2）光敏晶體管的伏安特性）光敏晶體管的伏安特性 （3）光敏晶體管的光照特性）光敏晶體管的光照特性 0 5 10 5001000

21、0200400600 800 1000 10 20 30 40 光照( lx )光照( lx ) 光 電 流 光 電 流 mA mA (a)硅光敏二極管 (b)硅光敏三極管 負載增大負載增大 （4）光敏晶體管的溫度特性）光敏晶體管的溫度特性 光敏管的溫度特性曲線 （5）光敏晶體管的時間常數(shù)）光敏晶體管的時間常數(shù) 時間常數(shù)：鍺時間常數(shù)：鍺2 10-4 s，硅，硅10-5s左右。左右。 9.4 光電傳感器光電傳感器 應(yīng)用實例應(yīng)用實例 各式各樣的光電傳感器各式各樣的光電傳感器 9.4.2 應(yīng)用實例應(yīng)用實例 光電開關(guān)光電開關(guān) 例子：例子：光電鼠標就是利用光電鼠標就是利用LEDLED與光敏晶體管組合來與

22、光敏晶體管組合來 測量位移。測量位移。 光電鼠標 對射式檢測對射式檢測 可以直接使用在可以直接使用在 危險環(huán)境中危險環(huán)境中 調(diào)制傳感器原理圖調(diào)制傳感器原理圖 色標檢測色標檢測 紅色的紅色的LED只能看到只能看到 藍色和綠色。同理，藍色和綠色。同理， 綠色的綠色的LED只能看到只能看到 紅色和藍色，藍色的紅色和藍色，藍色的 LED 只能看到紅色和只能看到紅色和 綠色?？梢姲咨膺m綠色。可見白色光適 用于許多場合。用于許多場合。 用于種子包裝袋的用于種子包裝袋的 計數(shù)測量計數(shù)測量 光電傳感器光電傳感器安裝在與卷取車臺共同移動的位置上，經(jīng)電安裝在與卷取車臺共同移動的位置上，經(jīng)電 機絲杠或液壓缸驅(qū)動修

23、正，使所卷之材料相對傳感器或探機絲杠或液壓缸驅(qū)動修正，使所卷之材料相對傳感器或探 頭不偏不倚，使所收之卷整齊。頭不偏不倚，使所收之卷整齊。 光電傳感器固定，而且接光電傳感器固定，而且接 近于放料車臺之位置，經(jīng)電機近于放料車臺之位置，經(jīng)電機 絲杠或液壓缸驅(qū)動修正放料調(diào)絲杠或液壓缸驅(qū)動修正放料調(diào) 整棍，使所卷之材料相對傳感整棍，使所卷之材料相對傳感 器或探頭不偏不倚的行走。器或探頭不偏不倚的行走。 光電傳感器安光電傳感器安 裝在輸出面邊緣。裝在輸出面邊緣。 執(zhí)行機構(gòu)控制工作執(zhí)行機構(gòu)控制工作 平臺沿物料輸入平平臺沿物料輸入平 面作平面扭轉(zhuǎn)。面作平面扭轉(zhuǎn)。 用于精確地檢測用于精確地檢測 塑料外包裝的光塑料外包裝的光 電傳感器電傳感器 可應(yīng)用于安全可應(yīng)用于安全 地識別刀具的地識別刀具的 斷鉆。