傳感器-第2章(光電式)

第2章光電式傳感器1

1、什么是外光電效應(yīng)、光電管？對不同頻率的光，其光子能量是不同的，頻率越高，光子能量越大。用光照射某物體，可以看作物體受到連串能量為hν的光子所轟擊，組成該物體的材料吸收光子能量發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱光電效應(yīng)。在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、光電倍增管等。

第2章光電式傳感器1

紫外管外形當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。紫外線第2章光電式傳感器1

外光電效應(yīng)光電管的外形如圖8-1所示，光電陰極K和光電陽極A封裝在真空玻璃管內(nèi)。當(dāng)入射光線穿過光窗照到光電陰極上時，由于外光電效應(yīng)，光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空。在電場的作用下，光電子在極間作加速運(yùn)動，最后被高電位的陽極接收，在陽極電路內(nèi)就可測出光電流，其大小取決于光照強(qiáng)度和光陰極的靈敏度等因素。如果在外電路中串入一只適當(dāng)阻值的電阻，則電路中的電流便轉(zhuǎn)換為電阻上的電壓。電流或電壓的變化與光成一定函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換，如圖8-2所示。

第2章光電式傳感器1

圖8-1光電管的結(jié)構(gòu)圖8-2符號和測量電路電子逸出金屬表面的速度可由能量守恒定律定義式中——電子質(zhì)量；

——金屬材料(光電陰極)逸出功。第2章光電式傳感器2

2、什么是光電倍增管？光電管的靈敏度較低，在微光測量中通常采用光電倍增管，如圖8-3所示。光電倍增管由真空管殼內(nèi)的光電陰極、陽極以及位于其間的若干個倍增極構(gòu)成。工作時在各電極之間加上規(guī)定的電壓。當(dāng)光或輻射照射陰極時，陰極發(fā)射光電子，光電子在電場的作用下逐級轟擊次級發(fā)射倍增極，在末級倍增極形成數(shù)量為光電子的106～108倍的次級電子。眾多的次級電子最后為陽極收集，在陽極電路中產(chǎn)生可觀的輸出電流。光電倍增管主要應(yīng)用于紫外/可見/近紅外光光度計

，旋光儀、糖度計

，發(fā)光分光光度計等。

第2章光電式傳感器2

光電倍增管3、什么是內(nèi)光電效應(yīng)、光敏電阻？在光線作用下能使物體電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)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2章光電式傳感器3

光敏電阻光敏電阻是一種利用光敏感材料的內(nèi)光電效應(yīng)(光導(dǎo)效應(yīng))制成的光電元件。它具有精度高、體積小、性能穩(wěn)定和價格低等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用在自動化技術(shù)中作為開關(guān)式光電信號傳感元件。第2章光電式傳感器

3第2章光電式傳感器3

在無光照射時，光敏電阻呈高阻，回路中僅有微弱的暗電流通過。在有光照射時，光敏材料吸收光能，使電阻率變小，呈低阻態(tài)，從而在回路中有較強(qiáng)的亮電流通過。光照越強(qiáng)，阻值越小，亮電流越大。如果將該亮電流取出，經(jīng)放大后即可作為其他電路的控制電流。當(dāng)光照射停止時，光敏電阻又逐漸恢復(fù)原值呈高阻態(tài)，電路又只有微弱的暗電流通過。圖8-44、光電二極管、光電三極管的結(jié)構(gòu)？光電特性？

將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。

第2章光電式傳感器4

光敏二極管光敏二極管在電路中的符號如圖8-5所示。光敏二極管的PN結(jié)裝在透明管殼的頂部，可以直接受到光的照射。使用時要反向接入電路中，即正極接電源負(fù)極，負(fù)極接電源正極。即光敏二極管在電路中處于反向偏置狀態(tài)。無光照時，與普通二極管一樣，反向電阻很大，電路中僅有很小的反向飽和漏電流，稱暗電流。(a)結(jié)構(gòu)模型和符號(b)基本電路圖8-5光敏二極管第2章光電式傳感器4

光敏三極管外形

第2章光電式傳感器4

伏安特性曲線圖8-6紫外線光電管的伏安特性1—低照度時的曲線；2—紫外線增強(qiáng)時的曲線指當(dāng)入射光的頻譜及光通量一定時，光電流與陽極電壓之間的關(guān)系稱伏安特性。如圖8-6所示當(dāng)陽極電壓UA小于Umin時，光電流I∮隨UA的增高而增大；當(dāng)UA大于Uz時，I∮將急劇增加。只有當(dāng)UA在中間范圍時，光電流I∮才比較穩(wěn)定。故光電管的陽極電壓應(yīng)選擇在UQ附近。第2章光電式傳感器4

光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)a)

內(nèi)部組成b)管芯結(jié)構(gòu)c）結(jié)構(gòu)簡化圖

1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡

5—發(fā)射極引腳6—N+襯底7—N型集電區(qū)8—SiO2保護(hù)圈9—集電結(jié)10—P型基區(qū)11—N型發(fā)射區(qū)12—發(fā)射結(jié)

第2章光電式傳感器4

光電特性

0光照

光電流光敏三極管光敏二極管3000lx4mA請判斷靈敏度的高低0.3mAIΦE第2章光電式傳感器4

光電器件的應(yīng)用

(a)被測物是光源(b)被測物吸收光通量

(c)被測物是有反射能力的表面(d)被測物遮蔽光通量圖8-41模擬式光電傳感器幾種常見形式第2章光電式傳感器5

5、請舉光源本身是被測物的光電傳感器應(yīng)用實(shí)例。光電池（外加柔光罩）被測物是光源，它可以直接照射在光電元器件上，也可以經(jīng)過一定的光路后作用到光電元器件上，光電元器件的輸出反映了光源本身的某些物理參數(shù)。如照度計。第2章光電式傳感器5

6、請舉被測物吸收光通量的光電傳感器應(yīng)用實(shí)例。恒定光源發(fā)射的光通量穿過被測物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，吸收量取決于被測物的某些參數(shù)，如下圖所示。如測量透明度和渾濁度等。第2章光電式傳感器6

光電式濁度計工作原理

1—恒流源2—半導(dǎo)體激光器3—半反半透鏡4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池7、10—電流/電壓轉(zhuǎn)換器8—標(biāo)準(zhǔn)水樣

第2章光電式傳感器6

煙霧報警器外形

無煙霧時，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時，煙霧進(jìn)入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報警信號。

煙霧報警第2章光電式傳感器6

無線煙霧報警器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器第2章光電式傳感器6

（1）光電式轉(zhuǎn)速表

n=60(f/z)

光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體反射到光電元器件上。反射光通量取決于反射表面的性質(zhì)、狀態(tài)和與光源之間的距離。

光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉(zhuǎn)速。7、請列舉被測物體反射光通量的光電傳感器實(shí)例。第2章光電式傳感器7

（2）.反射式煙霧報警器

在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。第2章光電式傳感器7

光電自動門自動門光電傳感器放大圖有效檢測區(qū)域第2章光電式傳感器7

8、請舉被測物遮擋光通量的光電傳感器應(yīng)用實(shí)例。從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達(dá)光電元件的途中受到被測物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸或位置。應(yīng)用實(shí)例如帶材跑偏檢測、工件尺寸測量和振動測量等。第2章光電式傳感器8

（1）.光電式帶材跑偏檢測器

光電傳感器帶材走偏時，邊緣經(jīng)常與傳送機(jī)械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成廢品。

當(dāng)帶材處于正確位置（中間位置）時，放大器輸出電壓Uo為零；當(dāng)帶材左偏時，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。

第2章光電式傳感器8

帶材糾偏系統(tǒng)第2章光電式傳感器8

9、分別用圖片介紹對射式、鏡反射式、漫反射式、槽式、光纖式光電傳感器的用法。光電開關(guān)是用來檢測物體的靠近和通過等狀態(tài)的光電傳感器。它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測的目的。由于光電開關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的(即電緣絕)，即“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)，所以它可以在許多場合得到應(yīng)用。第2章光電式傳感器9

第2章光電式傳感器9

第2章光電式傳感器9

第2章光電式傳感器9

光電開關(guān)外形：對射式第2章光電式傳感器9

光電開關(guān)外形：槽式第2章光電式傳感器9

典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)

1—發(fā)光元件2—接收元件3—?dú)んw

4—導(dǎo)線5—反射物6—窗體第2章光電式傳感器9

齒盤每轉(zhuǎn)過一個齒，光電斷續(xù)器就輸出一個脈沖。通過脈沖頻率的測量或脈沖計數(shù)，即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移。光電開關(guān)的應(yīng)用請寫出轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式n=？n第2章光電式傳感器9

光電開關(guān)外形：鏡反射式第2章光電式傳感器9

光電開關(guān)外形：漫反射式第2章光電式傳感器9

光電開關(guān)外形：光纖式第2章光電式傳感器9

10、什么是計量光柵？莫爾條紋工作原理？舉例？計量光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列成的光電器件。光柵傳感器是利用光柵莫爾條紋原理制成的一種脈沖輸出數(shù)字式傳感器。由于光柵具有結(jié)構(gòu)原理簡單、計量精度高和分辨力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的位置檢測，以及高精度機(jī)床和儀器的精密定位或長度、速度、加速度和振動等方面。第2章光電式傳感器10

莫爾條紋第2章光電式傳感器10

（1）莫爾條紋移動方向與兩光柵相對移動方向垂直。（2）莫爾條紋有位移的放大作用。

第2章光電式傳感器10

第2章光電式傳感器10

光柵產(chǎn)生位移時，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移，若用光電器件記錄莫爾條紋通過某點(diǎn)的數(shù)目，便可知主光柵移動的距離，也就測得了被測物體的位移量。第2章光電式傳感器10

第2章光電式傳感器10

尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長磁柵第2章光電式傳感器10

掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）第2章光電式傳感器10

第2章光電式傳感器11

11、什么是光纖傳感器？其在檢測液位、溫度方面怎么應(yīng)用？第2章光電式傳感器11

光纖傳感器

光纖傳感器就是將光纖自身作為敏感元件（也稱作測量臂），直接接收外界的被測量。被測量可引起光纖的長度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獗徽{(diào)制。若將光看成簡諧振動的電磁波，則光可以被調(diào)制的參數(shù)有四個，即振幅（強(qiáng)度）、相位、波長和偏振方向。

第2章光電式傳感器11

發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。東方明珠第2章光電式傳感器11

光纖傳感器外形第2章光電式傳感器11

光的反射、折射當(dāng)一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。

第2章光電式傳感器11

光的全反射

當(dāng)減小入射角時，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角θc。當(dāng)入射角小于θc時，入射光線將發(fā)生全反射。第2章光電式傳感器11

光在光纖中的全反射第2章光電式傳感器11

光纖的結(jié)構(gòu)

第2章光電式傳感器11

光纜的外形及光纖的拉制第2章光電式傳感器11

與光纖耦合的電光與光電轉(zhuǎn)換器件

實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二極管或激光二極管。

第2章光電式傳感器11

激光二極管的外形

激光二極管芯片第2章光電式傳感器11

專用的光纖連接頭及光纖插座

光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時，兩者的軸心必須嚴(yán)格對準(zhǔn)并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。

第2章光電式傳感器11

光纖液位傳感器

傳感器處于空氣中比處于液體中的反射光強(qiáng)要大。第2章光電式傳感器

11光纖溫度傳感器

輻射溫度傳感器屬于被動式溫度測量，即無需光源。被測輻射熱能由探頭中物鏡會聚，經(jīng)濾色鏡限制工作光譜范圍后，將光經(jīng)光纖送到探測器，由探測器把光強(qiáng)信號變換成電信號，就可由數(shù)字儀器讀出溫度。第2章光電式傳感器11

光纖加速度傳感器

激光束通過分光板后分為參考光束與測量光束。當(dāng)傳感器受加速度時，由于質(zhì)量塊對光纖的作用使光纖被拉伸，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(yīng)。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。第2章光電式傳感器11

反射型遮斷型反射鏡反射型第2章光電式傳感器11

遮斷型光纖光電開關(guān)出射光纖接收光纖光纖式光電開關(guān)應(yīng)用第2章光電式傳感器11

光纖的其他應(yīng)用

軍用光纖陀螺：將激光射入繞成線圈的光纖，當(dāng)線圈的底座隨運(yùn)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(jī)械陀螺高，無機(jī)械磨擦力。光纖內(nèi)窺鏡第2章光電式傳感器12

12、什么是紅外線傳感器？有什么應(yīng)用？紅外輻射俗稱紅外線，紅外線是位于可見光中紅光以外的人眼看不見的光線。但實(shí)際上它和其他任何光線一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度，就有紅外線向周圍空間輻射。它的波長范圍大致在0.75～1

000μm的頻譜范圍之內(nèi)。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強(qiáng)。第2章光電式傳感器12

紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計用于溫度測量第2章光電式傳感器12

紅外線輻射溫度計外形第2章光電式傳感器12

光幕第2章光電式傳感器12

光幕第2章光電式傳感器12

編碼器第2章光電式傳感器12

耳溫儀紅外線傳感器利用紅外輻射的熱效應(yīng)，傳感器吸收輻射能后引起溫度升高，使其他物理量變化。熱釋電元件基于物體的熱效應(yīng)，首先將光輻射能變成材料自身的溫度，利用器件溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號，包括了光—熱—電兩次信息變換過程。第2章光電式傳感器12

比色式溫度傳感器比色式溫度傳感器采用比色式（雙波段）測溫原理實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)的非接觸測溫，用戶不需知道物質(zhì)的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強(qiáng)，不受窗口玻璃影響，能瞄準(zhǔn),測量小目標(biāo)，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標(biāo)充滿，不需調(diào)焦就可準(zhǔn)確測量。比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴(yán)重的鋼鐵、焦化和爐窯等應(yīng)用現(xiàn)場。

第2章光電式傳感器12

熱釋電傳感器

熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。

熱釋電元件外形第2章光電式傳感器12

熱釋電傳感器工作原理

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(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動時，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。

第2章光電式傳感器12

菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片第2章光電式傳感器12

菲涅爾透鏡外形

傳感器不加菲涅爾透鏡時，其檢測距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測距離可增加3倍以上。第2章光電式傳感器12

熱釋電套件第2章光電式傳感器12

熱釋電報警器（續(xù)）

吸頂式熱釋電報警器第2章光電式傳感器12

熱釋電傳感器應(yīng)用

熱釋電傳感器用于自動亮燈，當(dāng)然也可以用于防盜熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍第2章光電式傳感器12

熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。

空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。上下范圍左右范圍標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測

當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過標(biāo)志孔時，若無反射，說明電路板方向放置正確。光纖耦合器傳輸光纖出射光纖第2章光電式傳感器設(shè)計題1

采用遮斷型光纖光電開關(guān)對IC

芯片引腳進(jìn)行檢測第2章光電式傳感