第五章 光電式傳感器

1、傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校1第五章第五章 光傳感器光傳感器w 光電效應(yīng)光電效應(yīng)w 光電式傳感器光電式傳感器w 光纖式傳感器光纖式傳感器w CCD傳感器傳感器w 趣味小制作報(bào)警器趣味小制作報(bào)警器傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校2光電效應(yīng)光電效應(yīng)-外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) w 光線照射在某些物體上，引起電子從這些光線照射在某些物體上，引起電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射。稱光電發(fā)射。 w 光的頻率必須高于某一限值，這個(gè)光的頻率必須高于某一限值，這個(gè)能使物能使物體發(fā)射光電子的最低光頻率稱為紅限頻率體發(fā)射

2、光電子的最低光頻率稱為紅限頻率。 w 小于紅限頻率的入射光，光再?gòu)?qiáng)也不會(huì)激小于紅限頻率的入射光，光再?gòu)?qiáng)也不會(huì)激發(fā)光電子；大于紅限頻率的入射光，光再發(fā)光電子；大于紅限頻率的入射光，光再弱也會(huì)激發(fā)光電子。弱也會(huì)激發(fā)光電子。 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校3光電效應(yīng)光電效應(yīng)-內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) w 物體受物體受光照射后光照射后，其內(nèi)部的原子釋放出電，其內(nèi)部的原子釋放出電子，這些電子仍留在物體內(nèi)部，使子，這些電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的物體的電阻率發(fā)生變化電阻率發(fā)生變化或或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。為內(nèi)光電效應(yīng)。 w 內(nèi)光電效應(yīng)又細(xì)分為內(nèi)光電效應(yīng)又細(xì)分

3、為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光電伏光電伏生效應(yīng)生效應(yīng)。 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校4光電導(dǎo)光電導(dǎo)效應(yīng)效應(yīng) w 入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)電導(dǎo)效應(yīng) w 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有電器件有光敏電阻光敏電阻 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校5光電伏生效應(yīng)光電伏生效應(yīng) w 光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。 w 處于反偏的處于反偏的PN結(jié)結(jié) ，當(dāng)有光當(dāng)有光照時(shí)，形成光電流照時(shí)，形成光電流I，并且，并且光

4、照越大，光電流越大。光照越大，光電流越大。 w 基于此效應(yīng)的光電元件有光基于此效應(yīng)的光電元件有光敏二極管敏二極管、光敏三極管光敏三極管。電子空穴IPNE光照傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校6光電管光電管 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校7光電管結(jié)構(gòu)光電管結(jié)構(gòu) w 光電管由一個(gè)光電管由一個(gè)光電陰光電陰極極和和陽(yáng)極陽(yáng)極封裝在封裝在玻璃玻璃殼內(nèi)殼內(nèi)組成，光電陰極組成，光電陰極涂有涂有光敏材料光敏材料。 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校8原理原理 w 無(wú)光無(wú)光照射照射時(shí)時(shí)，電路不通電路不通w 有光線有光線照射照射時(shí)時(shí)，如果光子，如果光子能量大于電子

5、的逸出功，能量大于電子的逸出功，會(huì)有電子逸出，產(chǎn)生電子會(huì)有電子逸出，產(chǎn)生電子發(fā)射發(fā)射w 電子被帶有正電的陽(yáng)極吸電子被帶有正電的陽(yáng)極吸引，引，在光電管內(nèi)形成光電在光電管內(nèi)形成光電流流w 根據(jù)電流大小可知光量的根據(jù)電流大小可知光量的大小大小光A（陽(yáng)極）K（陰極）REU0I傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校9光電倍增管光電倍增管 w 在光電管的陰極與陽(yáng)極之間（光電子飛躍在光電管的陰極與陽(yáng)極之間（光電子飛躍的路程上）安裝若干個(gè)倍增極，就構(gòu)成了的路程上）安裝若干個(gè)倍增極，就構(gòu)成了光電倍增管，光電倍增管， 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校10光敏電阻光敏電阻 w 光敏電阻

6、的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，由摻雜的由摻雜的光導(dǎo)體薄膜光導(dǎo)體薄膜（光導(dǎo)體）（光導(dǎo)體）沉積在絕沉積在絕緣基片上緣基片上而成，純粹是個(gè)電阻，沒(méi)有極性而成，純粹是個(gè)電阻，沒(méi)有極性 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校11光敏電阻演示光敏電阻演示 當(dāng)光敏電當(dāng)光敏電阻受到光照阻受到光照時(shí)，光生電時(shí)，光生電子子空穴對(duì)空穴對(duì)增加，阻值增加，阻值減小，電流減小，電流增大。增大。傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校12測(cè)量電路測(cè)量電路 w 當(dāng)當(dāng)無(wú)光照時(shí)無(wú)光照時(shí)，由于光敏電，由于光敏電阻的阻值太大，阻的阻值太大，電路中電電路中電流很小流很小；w 當(dāng)當(dāng)

7、有有適當(dāng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的適當(dāng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光光線照射時(shí)線照射時(shí)，因其阻值變得，因其阻值變得很小，很小，電路中電流增加電路中電流增加w 根據(jù)電流表測(cè)出的電流值根據(jù)電流表測(cè)出的電流值的變化，即可推算出照射的變化，即可推算出照射光強(qiáng)的大小光強(qiáng)的大小 A電極光E傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校13光敏二極管光敏二極管 w 光敏二極管封裝在透光敏二極管封裝在透明玻璃外殼中，明玻璃外殼中，PN結(jié)結(jié)在管子的頂部，可以在管子的頂部，可以直接受到光照，為了直接受到光照，為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，受光，PN結(jié)面積比一結(jié)面積比一般二極管大。般二極管大。 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-

8、30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校14光敏二極管光敏二極管 w 當(dāng)當(dāng)無(wú)光照射無(wú)光照射時(shí)，與普通二極管一時(shí)，與普通二極管一樣，樣，電路電路中僅中僅有很小的有很小的暗暗電流電流，此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止w 當(dāng)當(dāng)有光照射時(shí)有光照射時(shí)，在反向電壓作用，在反向電壓作用下，反向飽和電流大大增加，下，反向飽和電流大大增加，形形成光電流成光電流，這時(shí)相當(dāng)于光敏二極，這時(shí)相當(dāng)于光敏二極管導(dǎo)通。管導(dǎo)通。傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校15光敏三極管光敏三極管 NPNce基區(qū)光Ece光基區(qū)發(fā)射區(qū)PNNNPNceERL光結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 平面和剖平面和剖面結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu) 電路電路 傳感器原理及應(yīng)用20

9、22-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校16應(yīng)用應(yīng)用 光電轉(zhuǎn)速傳感器光電轉(zhuǎn)速傳感器 w 當(dāng)被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)起來(lái)，當(dāng)被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)起來(lái)，每相鄰一對(duì)黑、白標(biāo)每相鄰一對(duì)黑、白標(biāo)志，使光電元件由導(dǎo)志，使光電元件由導(dǎo)通變?yōu)椴粚?dǎo)通，對(duì)應(yīng)通變?yōu)椴粚?dǎo)通，對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)電脈沖。輸出一個(gè)電脈沖。w 被測(cè)體每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)被測(cè)體每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生生6個(gè)電脈沖，通過(guò)頻個(gè)電脈沖，通過(guò)頻率計(jì)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，即率計(jì)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，即可得到旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速。可得到旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速。 1-光源光源 2-透鏡透鏡 3-半透半透明膜明膜 4-透鏡透鏡 5-轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)盤(pán) 6-透鏡透鏡 7-光電元件光電元件 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校17表面缺陷光電傳感器

10、表面缺陷光電傳感器 表面光滑表面光滑 表面有缺陷表面有缺陷 1-光源光源 2-透鏡透鏡 3-被測(cè)物被測(cè)物 4-透鏡透鏡 5-光電元件光電元件 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校18燃?xì)鉄崴髅}沖點(diǎn)火控制器燃?xì)鉄崴髅}沖點(diǎn)火控制器 w 打火確認(rèn)針產(chǎn)生火花，才可打開(kāi)燃?xì)忾y門；否則燃?xì)忾y打火確認(rèn)針產(chǎn)生火花，才可打開(kāi)燃?xì)忾y門；否則燃?xì)忾y門關(guān)閉，保證使用燃?xì)馄骶叩陌踩蚤T關(guān)閉，保證使用燃?xì)馄骶叩陌踩?傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校19紅外光電開(kāi)關(guān)紅外光電開(kāi)關(guān) 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校20紅外光電開(kāi)關(guān)紅外光電開(kāi)關(guān)w 紅外光電開(kāi)關(guān)是用來(lái)檢測(cè)物體

11、的靠近、通紅外光電開(kāi)關(guān)是用來(lái)檢測(cè)物體的靠近、通過(guò)等狀態(tài)的光電傳感器，也有人稱其為紅過(guò)等狀態(tài)的光電傳感器，也有人稱其為紅外傳感器，簡(jiǎn)稱光電開(kāi)關(guān)外傳感器，簡(jiǎn)稱光電開(kāi)關(guān)w 光電開(kāi)關(guān)可分為光電開(kāi)關(guān)可分為透射式透射式和和反射式反射式兩種兩種 w 反射型又分為兩種情況：反射型又分為兩種情況：反射鏡反射型反射鏡反射型和和被測(cè)體反射型被測(cè)體反射型傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校21紅外光電開(kāi)關(guān)紅外光電開(kāi)關(guān)w 透射型透射型 w 發(fā)光二極管和光敏三極發(fā)光二極管和光敏三極管管相對(duì)安放相對(duì)安放，軸線嚴(yán)格軸線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)有不透明物體當(dāng)有不透明物體在兩者中間在兩者中間通過(guò)時(shí)通過(guò)時(shí)，紅，紅外光束會(huì)被阻

12、斷，光敏外光束會(huì)被阻斷，光敏三極管因收不到紅外線三極管因收不到紅外線而而產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào) 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校22紅外光電開(kāi)關(guān)紅外光電開(kāi)關(guān)w 反射鏡反射型傳感器單側(cè)安反射鏡反射型傳感器單側(cè)安裝裝 w 需要調(diào)整反射鏡的角度以取需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳反射效果得最佳反射效果 w 當(dāng)當(dāng)有物體通過(guò)時(shí)有物體通過(guò)時(shí)，紅外光束，紅外光束被隔斷，光敏三極管收不到被隔斷，光敏三極管收不到紅外線而紅外線而產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)號(hào)，其檢測(cè)距離不如透射型，其檢測(cè)距離不如透射型 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校23紅外光電開(kāi)關(guān)紅外光電

13、開(kāi)關(guān)w 被測(cè)體反射型被測(cè)體反射型 w 發(fā)光二極管與光敏三極管光發(fā)光二極管與光敏三極管光軸在同一平面上，以某一角軸在同一平面上，以某一角度相交，交點(diǎn)處為待測(cè)點(diǎn)，度相交，交點(diǎn)處為待測(cè)點(diǎn)，當(dāng)當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)待測(cè)點(diǎn)時(shí)有物體經(jīng)過(guò)待測(cè)點(diǎn)時(shí)，發(fā)，發(fā)光二極管的紅外線經(jīng)被測(cè)體光二極管的紅外線經(jīng)被測(cè)體上的標(biāo)記反射，被光敏三極上的標(biāo)記反射，被光敏三極管接收，從而使光敏三極管管接收，從而使光敏三極管產(chǎn)生電脈沖信號(hào)產(chǎn)生電脈沖信號(hào) 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校24應(yīng)用應(yīng)用 自動(dòng)扶梯自動(dòng)自動(dòng)扶梯自動(dòng)起停起停 產(chǎn)品計(jì)數(shù)產(chǎn)品計(jì)數(shù) 煙霧檢測(cè)煙霧檢測(cè) 高度辨認(rèn)高度辨認(rèn) 倉(cāng)庫(kù)門警衛(wèi)倉(cāng)庫(kù)門警衛(wèi) 自動(dòng)注料自動(dòng)注料 傳感

14、器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校25光電鼠標(biāo)光電鼠標(biāo) 機(jī)械鼠標(biāo)機(jī)械鼠標(biāo) 機(jī)械鼠標(biāo)機(jī)械鼠標(biāo) 第一代光第一代光電鼠標(biāo)電鼠標(biāo) 第二代光第二代光電鼠標(biāo)電鼠標(biāo) 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校26光纖傳感器光纖傳感器 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校27光纖光纖的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)w 中心纖芯、外層包層、護(hù)套尼龍塑中心纖芯、外層包層、護(hù)套尼龍塑料料 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校28光纖的傳光原理光纖的傳光原理 w 光被全反射時(shí)的入射角光被全反射時(shí)的入射角c稱臨界角稱臨界角w 只要只要c，光在纖芯和包層界面上，經(jīng)若干次，光在纖芯和包層界面上，

15、經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出全反射向前傳播，最后從另一端面射出 )1arcsin(22210NNNc傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校29光纖的類型光纖的類型 w 功能型功能型 ：光纖不僅起到光纖不僅起到傳光作用，而且是傳感傳光作用，而且是傳感元件元件 光纖光源光敏元件調(diào)制波空載波傳感元件被測(cè)對(duì)象光纖光源光敏元件調(diào)制波空載波傳感元件被測(cè)對(duì)象w傳光型：傳光型：光纖僅作為光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)光的傳播媒質(zhì) 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校30光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用 光敏元件發(fā)光元件X光纖d發(fā)射接收發(fā)射發(fā)射式光式光纖位纖位移傳移傳感器感器光纖

16、光纖溫度溫度傳感傳感器器 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校31光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器光光譜譜型型折折光光型型傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校32光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用 光纖流速光纖流速傳感器傳感器 光纖壓力光纖壓力傳感器傳感器 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校33CCD傳感器傳感器 指紋機(jī) 數(shù)碼相機(jī) 攝像頭 數(shù)碼攝像機(jī) 掃描儀 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校34CCD傳感器的種類傳感器的種類w 種類種類 w CCD有面陣和線陣之分有面陣和線陣之分 w 面陣是把面陣是把CCD像素排成像素排成1個(gè)平面的器件；

17、個(gè)平面的器件；而線陣是把而線陣是把CCD像素排成像素排成1直線的器件直線的器件 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校35CCD傳感器的工作原理傳感器的工作原理 w 當(dāng)物體通過(guò)物鏡成像，這些光敏元就產(chǎn)生與照當(dāng)物體通過(guò)物鏡成像，這些光敏元就產(chǎn)生與照在它們上面的光強(qiáng)成正比的光生電荷（光生電在它們上面的光強(qiáng)成正比的光生電荷（光生電子空穴對(duì)），同一面積上子空穴對(duì)），同一面積上光敏元越多分辨率光敏元越多分辨率越高越高，得到的圖象越清楚，得到的圖象越清楚 傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校36CCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 w 管徑測(cè)量管徑測(cè)量 CCD物鏡玻璃管CCD視頻輸出外徑尺寸上臂厚下臂厚平行光線傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校37CCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 w 工業(yè)尺寸檢測(cè)工業(yè)尺寸檢測(cè) 視頻微機(jī)工件光源傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校38CCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 w 高度自動(dòng)檢測(cè)高度自動(dòng)檢測(cè) 被測(cè)體CCD攝像機(jī)光源成像hL傳感器原理及應(yīng)用2022-5-30沈陽(yáng)鐵路機(jī)械學(xué)校39趣味小制作：報(bào)警器趣味小制作：報(bào)警器 89 10 11 12 13 14vv110V220V76543215432 154321透射式光電開(kāi)關(guān)220光電開(kāi)關(guān) 放大器電鈴1314傳感器原理及應(yīng)用