光電式傳感器及應用

1、2021-6-271 光電式傳感器是以光電元件作為轉(zhuǎn)化元件，將被測非電量 通過光量的變化再轉(zhuǎn)化成電量的傳感器。 光電式傳感器一般由光源、光學元件和光電元件3部分組 成。 光電元件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。 光電器件響應快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且有較高的可 靠性，因此在自動檢測，計算機和控制系統(tǒng)中，應用非常 廣泛。 光電式傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應。 2 6.1光電效應及光電元器件 6.2光電式傳感器的實用電路 6.3光纖傳感器 6.4紅外傳感器 3 光電式傳感器的工作原理是基于不同形式的光電效 應。根據(jù)光的波粒二象性，光是一種以光速運動的 粒子流，這種粒子稱為光子。具有的能量h正比于

2、光的頻率（h普朗克常數(shù)）。每個光子具有的能量 為 E= h 4 6.1.1 光電效應及分類光電效應及分類 對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，頻率越 高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作 物體受到一連串能量為h的光子所轟擊，組成該物 體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現(xiàn) 象稱為光電效應。 5 （1）外光電效應。真空管元件 （2）內(nèi)光電效應。 （3）光生伏特效應。 （2）、（3）類屬于半導體元件。 6 流明（lm）和勒克斯（lx）兩個光學單位。所謂流 明是光通量的單位，所有的燈都以流明表征輸出光 通量的大小。勒克斯是照度的單位，它表征受照物 體被照程度的物理量。 7 （1）結(jié)構(gòu)

3、與工作原理。它們是利用外光電效應制 成的光電元件。 8 1光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管 光電管的結(jié)構(gòu) 當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，自 由電子就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成逸出 電子。這種逸出的電子稱為光電子，光電子逸出金 屬表面的初速度可由愛因斯坦光電效應方程確定。 （1/2）m2= hA 9 當陰極金屬材料選定后，要使陰極金屬表面有電子 逸出，入射光的頻率要大于某一最低限度，否則 當h小于A時，不管光通量有多大，都不可能有電 子逸出，這個最低限度的頻率稱為紅限。當h大于 A時，光通量越大，逸出的電子數(shù)目也越多，光電 流I就越大。 10 光電管正常工作時，陽極電位高于

4、陰極電位。 在入射光頻率大于“紅限”的前提下，當光電管陽極 加上適當電壓（幾十伏）時，從陰極表面逸出的電 子被具有正電壓的陽極所吸引，在光電管中形成電 流，稱為光電流。 11 光電倍增管是把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成電子，并使電 子獲得倍增的電真空器件。 它有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大， 線性好，多用于微光測量。光電倍增管由兩個主要 部分構(gòu)成：陰極室和若干光電倍增極組成的二次發(fā) 射倍增系統(tǒng) 12 在它的陰極與陽極之間設(shè)置許 多二次倍增極D1、D2、 D3、，它們又稱為第1倍 增極、第2倍增極，相鄰 電極之間通常加上100V左右 的電壓，其電位逐級提高，陰 極電位最低，陽極電位最高， 兩者

5、之差一般在。600 1 200V左右。 13 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖 14 當微光照射陰極K時，從陰極K上逸出的光電子在D1的電 場作用下，以高速向倍增極D1射去，產(chǎn)生二次發(fā)射，于 是更多的二次發(fā)射的電子又在D2電場作用下，射向第二 倍增極，激發(fā)更多的二次發(fā)射電子，如此下去，一個光電 子將激發(fā)更多的二次發(fā)射電子，最后被陽極所收集。若每 級的二次發(fā)射倍增率為m，共有n級（通?？蛇_911 級），則光電倍增管陽極得到的光電流比普通光電管大 mn倍，因此光電倍增管的靈敏度極高。 15 各倍增極的電壓是用分壓電阻R1、R2、Rn獲得的， 陽極電流流經(jīng)電阻RL得到輸出電壓Uo。當用于測量穩(wěn)定 的輻射通量時，

6、圖中虛線連接的電容C1、C2、Cn 和輸出隔離電容C0都可以省去。這時電路往往將電源正 端接地，并且輸出可以直接與放大器輸入端連接。當入射 光通量為脈沖量時，則應將電源的負端接地，因為光電倍 增管的陰極接地比陽極接地有更低的噪聲，此時輸出端應 接入隔離電容，同時各倍增極的并聯(lián)電容亦應接入，以穩(wěn) 定脈沖工作時的各級工作電壓，穩(wěn)定增益并防止飽和。 16 光電特性。 17 光電管光電特性曲線光電管光電特性曲線 伏安特性。 18 光譜特性。 19 光電管尚有溫度特性、疲勞特性、慣性特性，暗電 流和衰老特性等，使用時應根據(jù)產(chǎn)品說明書和有關(guān) 手冊合理選用。 20 光敏電阻又稱光導管，是一種均質(zhì)半導體光電元

7、件。 它具有靈敏度高、光譜響應范圍寬、體積小、重量 輕、機械強度高、耐沖擊、耐振動、抗過載能力強 和壽命長等特點 21 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應。 22 當光敏電阻受到 光照時， 阻值減小。 23 暗電阻和暗電流。 亮電阻和亮電流。 伏安特性。 24 光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性 光電特性。 光譜特性。 25 某光敏電阻的光電特性 光敏電阻的光譜特性 響應時間。 溫度特性。 26 光電導器件材料光電導器件材料禁帶寬度禁帶寬度/eV光譜響應范圍光譜響應范圍/nm峰值波長峰值波長/nm 硫化鎘（硫化鎘（CdS）2.45400800515550 硒化鎘（硒化鎘（CdSe）1.746

8、80750720730 硫化鉛（硫化鉛（PbS）0.405003 0002 000 碲化鉛（碲化鉛（PbTe）0.316004 5002 200 硒化鉛（硒化鉛（PbSe）0.257005 8004 000 硅（硅（Si）1.124501 100850 鍺（鍺（Ge）0.665501 8001 540 銻化銦（銻化銦（InSb）0.166007 0005 500 砷化銦（砷化銦（InAs）0.331 0004 0003 500 27 光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極管、光敏晶 閘管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應。光敏三 極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差， 目前廣泛應用于光纖通信、

9、紅外線遙控器、光電耦 合器、控制伺服電機轉(zhuǎn)速的檢測、光電讀出裝置等 場合。光敏晶閘管主要應用于光控開關(guān)電路 28 光敏二極管。 通常處于反向偏 置狀態(tài) 。當沒有 光照射時，其反 向電阻很大，反 向電流很小，這 種反向電流稱為 暗電流。 29 1負極引腳 2管芯 3外殼 4玻璃聚光鏡 5正極引腳 6N型襯底 7SiO2保護圈 8SiO2透明保護層 9鋁引出電極 10P型擴散層 11PN結(jié) 12金屬引出線 30 光敏二極管陣列光敏二極管陣列 包含包含1024個個InGaAs元件元件 的線性光電二極管陣列，可用的線性光電二極管陣列，可用 于分光鏡。于分光鏡。 31 紅外發(fā)射管紅外發(fā)射管 紅外接收管紅

10、外接收管 集電極電流是原始 光電電流的倍。因 此，光敏三極管比 光敏二極管的靈敏 度高許多倍。 32 光敏三極管光敏三極管 33 光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管 光敏晶閘管的特點是工作電壓很高，有的可達數(shù)百 伏，導通電流比光敏三極管大得多，因此輸出功率 很大，在自動檢測控制和日常生活中應用會越來越 廣泛。 34 光敏面 35 光譜特性。 36 圖6-16 光敏晶體管的光譜特性 1硅光敏晶體管 2鍺光敏晶體管 伏安特性 37 光電特性 38 圖6-18 光敏晶體管的光電特性 1光敏二極管的光電特性 2光電三極管的光電特性 溫度特性 頻率特性 響應時間 39 光電池的工作原理是基于光生伏特效

11、應，當光照射 到光電池上時，可以直接輸出光電流。常用的光電 池有兩種，一種是金屬半導體型，另一種是PN結(jié) 型，如硒光電池、硅光電池、鍺光電池等。 40 用導線連接P區(qū)和N 區(qū)，電路中就有電 流流過 41 42 光敏面光敏面 43 44 光電池在人造衛(wèi)星上的應用光電池在人造衛(wèi)星上的應用 光譜特性 光電特性 溫度特性 頻率特性 45 光電池和光譜特性曲線 1硅光電池 2硒光電池 硅光電池的光電特性 1開路電壓特性曲線 2短路電流特性曲線 光電池的溫度特性 光電池的頻率特性 Uo= -UR f = -I Rf 該電路的輸出電壓Uo與光電流I 成正比，從而達到電流/ 電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系。 47 光電池短路電

12、流測量電路 由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并 使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。 發(fā)光元件通常是半導體的發(fā)光二極管，光電接收元 件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控 硅等。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離 的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。 48 光電耦合器實際上是一個電量隔離轉(zhuǎn)換器，它具有 抗干擾性能和單向信號傳輸功能，廣泛應用在電路 隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點開關(guān)及固態(tài)繼 電器等場合。 49 光電耦合器組合形式 光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以 接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大 和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”

13、、“關(guān)”信號的 器件。 光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，而且與 TTL、MOS等電路容易結(jié)合。 50 51 1發(fā)光元件 2接收元件 3殼體 4導線 5反射物 6窗體 52 用光電開關(guān)檢測物體時，大部分只要求其輸出信號 有“高低”之分即可。 53 光電開關(guān)廣泛應用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安 全裝置中作光控制和光探測裝置。可在自控系統(tǒng)中 用作物體檢測、產(chǎn)品計數(shù)、料位檢測、尺寸控制、 安全報警及計算機輸入接口等用途。 54 工作原理與光電開關(guān)的相同，但其光電發(fā)射器、接 收器放置于一個體積很小的塑料殼體中，所以兩者 能可靠地對準。 分為遮斷型和反射型2種。 55 56 1發(fā)光二極管發(fā)光二極管 2

14、紅外光紅外光 3光電元件光電元件 4槽槽 5被測物被測物 57 58 紅色紅色 光柱光柱 59 齒 盤 每齒 盤 每 轉(zhuǎn)過一個齒，轉(zhuǎn)過一個齒， 光電斷續(xù)器就光電斷續(xù)器就 輸出一個脈沖。輸出一個脈沖。 通過脈沖頻率通過脈沖頻率 的測量或脈沖的測量或脈沖 計數(shù)，即可獲計數(shù)，即可獲 得齒盤轉(zhuǎn)速和得齒盤轉(zhuǎn)速和 角位移。角位移。 請寫出轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式請寫出轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式 n= ？ n 非接觸式測量，由光源、光學通路和光電元件3部 分組成。 按照被測物、光源、光電元件三者之間的關(guān)系 4種類型 60 61 1被測物 2光電元件 3恒光源 根據(jù)有關(guān)的輻射定律，物體在兩個特定波長1、2上 的輻射強度之比

15、與該物體的溫度成指數(shù)關(guān)系，即 K1、K2是與1、2及物體的黑度有關(guān)的常數(shù)。 TK eKII / 1 2 21 / 62 63 1高溫物體 2物鏡 3半反半透鏡 4反射鏡 5目鏡 6觀察者眼睛 7光闌 8光導棒 9鏡 10、12濾光鏡 11、13硅光電池 14、15電流/電壓轉(zhuǎn)換器 化學分析儀器 使用公共光源，不管光線強弱如何，光源光通量不 穩(wěn)定帶來的變化可以被抵消，故其測量精度高。但 兩光電池的性能不可能完全一樣，由此會帶來一定 誤差。 64 65 1光源 2光透鏡 3濾色鏡 4標準樣品 5被檢 測樣品 6、7光電池 8差動放大電路 9指示儀表 帶材跑偏檢測裝置是用來檢測帶型材料在加工過程 中

16、偏離正確位置的大小與方向，從而為糾偏控制電 路提供糾偏信號。 66 67 1被測帶材 2光源 3、4光透鏡 5光敏電阻 6遮光罩 光電元件檢測運動物體的速度 68 1光源A 2光敏元件VA 3運動物體 4光源B 5光敏元件VB 6RS觸發(fā)器 69 6.3.1 光纖傳感器概述光纖傳感器概述 優(yōu)點，如不受電磁干擾、體積小、重量輕、可撓曲、靈優(yōu)點，如不受電磁干擾、體積小、重量輕、可撓曲、靈 敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、易與微機連接、敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、易與微機連接、 便于遙測等。它能用于溫度、壓力、應變、位移、速度、便于遙測等。它能用于溫度、壓力、應變、位移、速度、 加速度、磁、

17、電、聲和加速度、磁、電、聲和pH值等各種物理量的測量，具有值等各種物理量的測量，具有 極為廣泛的應用前景。極為廣泛的應用前景。 光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳 感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器。 單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為212 m，很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度，僅能維持 一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感 器采用單模光纖；光強度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采 用多模光纖。 70 71 發(fā)光 二極管產(chǎn)生 多種顏色的 光線，通過 光導纖維傳 導到東方明 珠球體的表 面。在計算 機控制下， 可產(chǎn)生動態(tài) 圖案。 72 光導纖維簡稱為光纖

18、，目前基本上還是采用石英玻 璃，其結(jié)構(gòu)如圖6-36所示。中心的圓柱體叫做纖 芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層 主要由不同摻雜的石英玻璃制成。 73 1光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 74 75 76 光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。 77 只要滿足全反射條件，光線仍繼續(xù)前進?？梢娺@里 的光線“轉(zhuǎn)彎”實際上是由光的全反射所形成的 光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA NA= sinc= 數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。 78 22 12 nn 一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束 光，透射光作為參考光束，反射光作為測量光束。當傳感 器感受加速度時，由于質(zhì)量塊M對光纖的作用，從而使光 纖

19、被拉伸，引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模 光纖射出后與參考光束會合產(chǎn)生干涉效應。激光干涉儀的 干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過處 理電路處理后便可正確地測出加速度值。 79 1光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器 80 在球狀對折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射回 來，由光纖的另一端導向探測器。反射光強的大小取決于 被測介質(zhì)的折射率。被測介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接 近，反射光強度越小。顯然，傳感器處于空氣中時比處于 液體中時的反射光強要大。因此，該傳感器可用于液位報 警。若以探頭在空氣中時的反光強度為基準，則當接觸水 時反射光強變化6dB7dB，接觸油時變化25dB

20、 30dB。 81 （1）球面光纖液位傳感器）球面光纖液位傳感器 82 當傳感器接觸液面時，將引起反射回另一根光纖的 光強減小。這種形式的探頭在空氣中和水中時，反 射光強度差在20dB以上。 83 1、2光纖 3棱鏡 將光纖的端部拋光成45的圓錐面。當光纖處于空 氣中時，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而 返回光纖。當傳感器接觸液體時，由于液體的折射 率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折 射入液體中，返回光纖的光強就減小。利用X形耦 合器即可構(gòu)成具有兩個探頭的液位報警傳感器。 84 85 光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時，兩者的軸心 必須嚴格對準并固定，可使用專用的連接頭及 光纖插座來完成。

21、 86 87 標志孔標志孔 電路板標志檢測電路板標志檢測 當光纖發(fā)出當光纖發(fā)出 的光穿過標志孔的光穿過標志孔 時，若無反射，時，若無反射， 說明電路板方向說明電路板方向 放置正確。放置正確。 光纖光纖 耦合器耦合器 傳輸光纖傳輸光纖 出射光纖出射光纖 88 遮斷型光纖遮斷型光纖 光電開關(guān)光電開關(guān) 出射光纖出射光纖 接收光纖接收光纖 軍用光纖陀螺： 將激光射入繞成線圈的 光纖，當線圈的底座隨運動 物體旋轉(zhuǎn)時，可以測得出射 光的相位發(fā)生變化，它的靈 敏度比機械陀螺高，無機械 磨擦力。 89 光纖內(nèi)窺鏡光纖內(nèi)窺鏡 （1）紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量； （2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目

22、標，確定 其空間位置并對它的運動進行跟蹤； （3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像， 如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等； （4）紅外測距和通信系統(tǒng)； （5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的組 合。 90 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是 位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線 波長范圍大致在0.761 000 m 紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射 以波的形式在空間直線傳播的 是22.6 m、35 m和814 m，統(tǒng)稱它們 為“大氣窗口”。 91 92 紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電 路及顯示系統(tǒng)等組成。紅外探測器是紅外傳感器的 核心。紅外探測器種類很多，

23、常見的有兩大類：熱 探測器和光子探測器。 93 熱探測器是利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感 元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關(guān)物理 參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化，便 可確定探測器所吸收的紅外輻射。 94 熱探測器主要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電 偶型和氣體型探測器。 95 具有極化現(xiàn)象的熱晶體或被稱為“鐵電體”的材料制成的。 “鐵電體”的極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當 紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時，引起薄片溫 度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當于釋放一 部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。 96 97 熱釋電傳感器 紅外探測報器主要用

24、于防盜報警和安全報警。 采用熱釋電紅外傳感器，加濾波器（濾光片） 以適應人體輻射（7.514m）。 98 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸 出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應探測 紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效 應的研究和對熱釋電晶體的應用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜 儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。 99 熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組 成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角，當人體在 透鏡的監(jiān)視視野范圍中運動運動時，順次地進入第一、第二單元透鏡的 視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將

25、輸出一串交變脈沖信 號。當然，如果人體靜止不動靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而 不見”的。 兩塊反向串聯(lián)兩塊反向串聯(lián) 的熱釋電晶片的熱釋電晶片 場效應管場效應管 菲涅爾透菲涅爾透 鏡鏡 熱釋電晶片熱釋電晶片 10 0 熱釋電紅外傳感器除在樓道燈自動開關(guān)、防盜報警上得到應用外，在更多的領(lǐng) 域得到應用。如在房間無人時會自動停機的空調(diào)、飲水機；電視機能判斷無人觀看 或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機；開啟監(jiān)視器或自動門鈴；攝影機或數(shù)碼照相機自動記 錄動物或人的活動及自動門控制等。 自動亮燈、防盜自動亮燈、防盜 在智能空調(diào)中的應用在智能空調(diào)中的應用 10 1 有效檢測區(qū)域有效檢測區(qū)域 自動門控制 主要用

26、于公共場所自動 門人員進出的自動開關(guān)控制。 熱釋電傳感器熱釋電傳感器 10 2 自動門控制電路如圖所示，、部分為熱釋電人體探測電路， 當有人靠近門時輸出一串脈沖。兩部分的傳感器分別安裝在門的里、 外兩邊。D1、D2組成一個或門，無論、哪部分或兩者都有信號 輸出，都會使VT導通，輸出低電平，觸發(fā)由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器，使3腳輸出高電平，繼電器吸合，驅(qū)動電機使門打開。暫態(tài)時 間由R3、C3決定，暫態(tài)結(jié)束后3腳輸出低電平，繼電器釋放，使電機 反轉(zhuǎn)，門自動關(guān)上。 10 3 耳溫儀耳溫儀 人體額溫測量人體額溫測量 集成集成IC 溫度測量溫度測量 10 4 冷藏牛奶和食品測溫冷藏牛奶和食品測溫 電控柜、天花板內(nèi)的布線層測溫電控柜、天花板內(nèi)的布線層測溫 光子探測器利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中電 子的相互作用來改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象。 利用光子效應制成的紅外探測器，統(tǒng)稱光子探測