傳感與檢測技術傳感器原理光電式課件

1、光電式傳感器Photoelectric sensor第1頁，共33頁。光電式傳感器Photoelectric sensor光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量。光電傳感器的組成：光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等優(yōu)點。第2頁，共33頁。8/5/20222光電式傳感器主要內容1 光電效應及其器件2 光電式傳感器的應用附1：光學基礎概述附2：光源附3：光電器件的特性光電式傳感器Photoelectric sensor第3頁，共33頁。8/5/20223光電式傳感器光是電磁波譜中的一員，光的頻率（波長）各

2、不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質。附1：光學基礎概述Summary of optics第4頁，共33頁。8/5/20224光電式傳感器附2：光源Light source對光源的要求：光源必須具有足夠的照度光源應保證均勻、無遮攔或陰影光源的照射方式應符合傳感器的測量要求光源的發(fā)熱量應盡可能小光源發(fā)出的光必須具有合適的光譜范圍第5頁，共33頁。8/5/20225光電式傳感器附2：光源Light source2. 常用光源：熱輻射光源，如白熾光源。特點：光譜線較豐富，包含可見光與紅外光；發(fā)光效率低；發(fā)熱大；壽命短；易碎，電壓高，使用有一定的危險。氣體放電光源：原子輻射光譜呈現

3、許多分離的明線條，稱為線光譜；分子輻射光譜是一段段的帶，稱為帶光譜。線光譜和帶光譜的結構與氣體成分有關。特點：效率高，省電，功率大；含有豐富的紫外線和頻譜；容易污染環(huán)境，玻璃易碎，發(fā)光調制頻率較低。第6頁，共33頁。8/5/20226光電式傳感器發(fā)光二極管：發(fā)光二極管是一種電致發(fā)光的半導體器件（LED，Light-Emitting Diode）。特點：體積小，屬固體光源，耐振動；無輻射，無污染；功耗低；壽命長；響應快；供電電壓低；成本低。激光器：激光是新穎的高亮度光，它是由各類氣體、固體或半導體激光器產生的頻率單純的光。激光是相干光源，它具有單色性和方向性，能量高度集中。特點：方向性好；亮度高

4、；單色性好；相干性好。附2：光源Light source第7頁，共33頁。8/5/20227光電式傳感器光源特性：光源輻射特性光譜特性:輻射的中心波長和譜寬。光電轉換特性：光源的電偏置與光源輻射的光學特性之間的關系。光源的環(huán)境特性：熱系數、時間漂移和老化等。噪聲附2：光源Light source第8頁，共33頁。8/5/20228光電式傳感器1 光電效應及其器件Photoemission and apparatus光電效應(Photoemission)：物體吸收了光能后所產生的電效應。光電效應的分類：光電效應外光電效應內光電效應光電導效應光生伏特效應第9頁，共33頁。8/5/20229光電式傳

5、感器1 光電效應及器件Photoemission and apparatus光電效應的分類：外光電效應：在光照作用下能使電子逸出物體表面的現象。內光電效應：光電導效應：在光照作用下，其電阻率發(fā)生變化的現象。光生伏特效應：因光照而產生電動勢的現象。第10頁，共33頁。8/5/202210光電式傳感器外光電效應及器件外光電效應：在光的照射下，使電子逸出物體表面而產生光電子發(fā)射的現象。“紅限”：基于外光電效應的器件：光電倍增管。光電管第11頁，共33頁。8/5/202211光電式傳感器內光電效應及器件分類：光電導效應和光生伏特效應。光電導效應光照后電阻率變化的現象稱為光電導效應?；诠怆妼钠骷?/p>

6、：光敏電阻光敏二極管：反向偏置的PN結。光敏三極管第12頁，共33頁。8/5/202212光電式傳感器光敏電阻 當光敏電阻受到光照時， 阻值減小。第13頁，共33頁。8/5/202213光電式傳感器光敏電阻演示 當光敏電阻受到光照時，光生電子空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）第14頁，共33頁。8/5/202214光電式傳感器光敏三極管外形 第15頁，共33頁。8/5/202215光電式傳感器光生伏特效應光照引起PN結兩端產生電動勢的現象。基于光生伏特效應的典型器件是光電池。內光電效應及器件光電池與外電路的兩種連接方式：開路電壓輸出：開路電壓與光照度之間呈非線性關系，靈敏度高，

7、宜作開關元件。短路電流輸出：短路電流大小與光照成正比，可作線性檢測元件使用。第16頁，共33頁。8/5/202216光電式傳感器光電池外形光敏面第17頁，共33頁。8/5/202217光電式傳感器能提供較大電流的大面積光電池外形第18頁，共33頁。8/5/202218光電式傳感器光電池在動力方面的應用太陽能賽車太陽能電動機模型太陽能 硅光電池板第19頁，共33頁。8/5/202219光電式傳感器光電池在動力方面的應用（續(xù)）太陽能發(fā)電第20頁，共33頁。8/5/202220光電式傳感器光電池在動力方面的應用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應用第21頁，共33頁。8/5/202221光電式傳感器總結：光

8、電效應分類及其典型應用第22頁，共33頁。8/5/202222光電式傳感器附3：光電器件的特性光照特性光譜特性響應時間峰值探測率溫度特性伏安特性第23頁，共33頁。8/5/202223光電式傳感器光照特性Illumination characteristic光電器件的靈敏度可用光照特性來表征。它反映了光電器件的輸入光量與輸出光電流（光電壓）之間的關系。光照特性常用響應率（Response rate）R來描述：第24頁，共33頁。8/5/202224光電式傳感器光電器件的光照特性：光敏電阻的光照特性呈非線性，宜作開關元件。光敏晶體管的靈敏度和線性度均好，既可作線性轉換元件，也可作開關元件。光電池

9、的短路電流在很大范圍內與光照度呈線性關系，宜作線性轉換元件；開路電壓與光照度的關系呈非線性，宜作開關元件。第25頁，共33頁。8/5/202225光電式傳感器光譜特性spectrum characteristic光電器件的光譜特性是指相對靈敏度K與入射光波長之間的關系，又稱光譜響應。為了提高光電傳感器的靈敏度，對于包含光源和光電器件的傳感器，應根據光電器件的光譜特性合理選擇相匹配的光源和光電器件；對于被測體本身可作為光源的傳感器，則應按被測體輻射的光波波長選擇光電器件。第26頁，共33頁。8/5/202226光電式傳感器響應時間Response time光電器件的響應時間反映了它的動態(tài)特性，響

10、應時間小，表示動態(tài)特性好。對于采用調制光的傳感器，調制頻率上限受響應時間的限制。第27頁，共33頁。8/5/202227光電式傳感器峰值探測率噪聲等效功率PNE：產生與器件暗電流大小相等的光電流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能產生信號噪聲比為1的輻射功率值。 計算公式：第28頁，共33頁。8/5/202228光電式傳感器暗電流ID：光電二極管的暗電流是反向偏置飽和電流。光敏電阻的暗電流是無光照時偏置電壓與體電阻之比。峰值探測率D*： D*值大，噪聲等效功率小，光電器件性能好。峰值探測率第29頁，共33頁。8/5/202229光電式傳感器溫度特性Temperature characteris

11、tic溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時對光譜特性也有很大影響。光譜響應峰值隨溫度升高而向短波方向移動。因此，可采用降溫措施提高光敏電阻對長波長的響應。第30頁，共33頁。8/5/202230光電式傳感器2 光電式傳感器的應用 Application of photoelectric sensor光電式傳感器的分類：按輸出量性質分類。模擬式光電傳感器吸收式反射式遮光式輻射式開關式光電傳感器第31頁，共33頁。8/5/202231光電式傳感器2 光電式傳感器的應用 Application of photoelectric sensor煙塵濁度監(jiān)測儀光電式傳感器實例光電物位傳感器光電比色高溫計原理：通過測量兩個波長下的光譜輻射亮度之比就可以確定被測物溫度。分類：單通道型-通過調制盤由一個檢測元件接收信號；雙通