光電傳感器上

機(jī)械工業(yè)出版社

中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材

《自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)》

第十章

光電傳感器

2014－11－52/4/20231第十章光電傳感器在這一章里，卡卡要給大家簡(jiǎn)單介紹光電效應(yīng)，著重講解光電元件的原理、分類、特性、電路接線以及光電傳感器的應(yīng)用。光電傳感器的最大特點(diǎn)是非接觸測(cè)量。2/4/202321860年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋建立了電磁理論，認(rèn)識(shí)到光是一種電磁波。1905年，德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2/4/20233

第一節(jié)光電效應(yīng)及光電元件

用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf

的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

外光電效應(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、光電攝像管等。

2/4/20234

紫外光電管外形當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)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(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。

紫外線2/4/20235光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。2/4/20236光敏電阻原理演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子-空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）光照變化產(chǎn)生的電流稱為暗電流2/4/20237光敏二極管

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(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。2/4/20238光敏二極管外形

光敏二極管陣列包含1024個(gè)InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。2/4/20239紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管2/4/202310光敏二極管的反向偏置接法

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

2/4/202311光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁(yè)圖）及光電特性演示

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照2/4/202312光敏三極管

光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線，只有正負(fù)（C、E）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

2/4/202313光敏三極管外形

2/4/202314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(jiǎn)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)

2/4/202315硅光敏晶體管的光譜特性

電磁波頻譜2/4/202316光敏二極管、三極管的光電特性比較

0光照光電流光敏三極管光敏二極管3000lx4mA請(qǐng)判斷光敏二極管、三極管的靈敏度孰高孰低0.3mAIΦE2/4/202317基于光生伏特效應(yīng)的光電元件

——光電池在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子-空穴對(duì)，光生電子-空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。

2/4/202318基于光生伏特效應(yīng)的光電元件

——光電池新型的硅光電池是在P型襯底上制造一薄層N型層作為光照敏感面，效率更高。N型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子-空穴對(duì)?？昭ㄍㄟ^(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到P型區(qū)，帶正電；電子留在N區(qū)，帶負(fù)電。2/4/202319光電池外形光敏面2/4/202320能提供較大電流的大面積光電池外形2/4/202321光電池串聯(lián)，能提高電壓；

并聯(lián)，可以提高輸處電流每一片光電池的最大輸出電壓約為0.6V，每平方米，晴天的輸出電流約為10A。2/4/202322太陽(yáng)能組件2/4/202323其他光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池2/4/202324光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用太陽(yáng)能賽車太陽(yáng)能電風(fēng)扇太陽(yáng)能硅光電池板2/4/202325光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）住宅太陽(yáng)能供電2/4/202326光電池在動(dòng)力方面的

應(yīng)用（續(xù)）嫦娥一號(hào)上的光電池板2/4/202327光電池的光電特性

一個(gè)典型的硅光電池的光電特性

1—開(kāi)路電壓曲線2—短路電流曲線

開(kāi)路電壓為對(duì)數(shù)特性短路電流為線性特性2/4/202328第二節(jié)光電元件的基本應(yīng)用電路

一、光敏電阻的基本應(yīng)用電路

a）UＯ與光照變化趨勢(shì)相同的電路b）UＯ與光照變化趨勢(shì)相反的電路

2/4/202329二、光敏二極管應(yīng)用電路

利用反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。

當(dāng)光照增加，Ui<（1/2）VDD時(shí)，反相器翻轉(zhuǎn),輸出變?yōu)槭裁措娖剑?/p>

2/4/202330光敏三極管光控繼電器電路

當(dāng)無(wú)光照時(shí)，V1截止，IΦ=0，則V2處于什么狀態(tài)？繼電器KA吸合還是釋放？如果將V1與Rb2位置上下對(duì)調(diào)，請(qǐng)畫(huà)出電路，并分析工作過(guò)程。

2/4/202331五、光電池的應(yīng)用電路

——光電池短路電流測(cè)量電路

I/U轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Uo與光電流IΦ成正比。若光電池用于微光測(cè)量時(shí)，IΦ可能較小，則應(yīng)增加一級(jí)放大電路，并在第二級(jí)使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。2/4/202332第三節(jié)光電傳感器的應(yīng)用

—、光源本身是被測(cè)物的應(yīng)用實(shí)例

光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學(xué)單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計(jì)來(lái)測(cè)量。

光電池（外加柔光罩）2/4/2023331.紅外線輻射溫度計(jì)：紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測(cè)量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測(cè)量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度范圍可以從-30℃～3000℃，中間分成若干個(gè)不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號(hào)。2/4/202334紅外線輻射溫度計(jì)外形激光僅用于瞄準(zhǔn)2/4/202335紅外線輻射溫度計(jì)外形紅外線輻射溫度計(jì)用于食品溫度測(cè)量2/4/202336紅外線輻射溫度計(jì)的使用2/4/202337紅外線輻射溫度計(jì)

在非接觸體溫測(cè)量中的應(yīng)用（續(xù)）2/4/202338紅外線輻射溫度計(jì)

在非接觸體溫測(cè)量中的應(yīng)用耳溫儀2/4/202339紅外線輻射溫度計(jì)用于人體額溫測(cè)量2/4/202340紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用IC的溫度測(cè)量2/4/202341紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測(cè)物（冷藏牛奶和面食）2/4/202342紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用（續(xù)）溫度采集系統(tǒng)利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測(cè)物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）2/4/202343紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測(cè)物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）2/4/202344紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用（續(xù)）2/4/202345紅外線輻射溫度計(jì)的使用距離與目標(biāo)直徑、面積的關(guān)系mmm2/4/202346紅外線輻射溫度計(jì)的特性參數(shù)2/4/202347比色計(jì)在高溫非接觸測(cè)量中的應(yīng)用

比色式溫度傳感器抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強(qiáng)，不受窗口玻璃影響，能瞄準(zhǔn),測(cè)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(cè)量。

比色溫度計(jì)適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)。紅色黃色2/4/2023482.熱釋電傳感器在人體檢測(cè)、報(bào)警中的應(yīng)用

熱釋電元件在紅外線檢測(cè)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(cè)，如防盜門、賓館大廳自動(dòng)門、自動(dòng)燈的控制等。

熱釋電元件外形2/4/202349熱釋電傳感器簡(jiǎn)介

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。熱釋電晶體廣泛用于紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器。除了在樓道自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。比如：在房間無(wú)人時(shí)能自動(dòng)減小空調(diào)機(jī)的功率；電視機(jī)能判斷無(wú)人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)機(jī)的電路；開(kāi)啟監(jiān)視器或自動(dòng)門鈴上的應(yīng)用；攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)……

您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結(jié)合其他電路開(kāi)發(fā)出更加優(yōu)秀的新產(chǎn)品?；蜃詣?dòng)化控制裝置。2/4/202350熱釋電傳感器的內(nèi)部電路兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片場(chǎng)效應(yīng)管2/4/202351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(gè)不大的視場(chǎng)角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動(dòng)時(shí)，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場(chǎng)，晶片上的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號(hào)。當(dāng)然，如果人體靜止不動(dòng)地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見(jiàn)”的。

2/4/202352菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片2/4/202353菲涅爾透鏡外形

傳感器不加菲涅爾透鏡時(shí)，其檢測(cè)距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測(cè)距離可增加3倍以上。2/4/202354熱釋電套件2/4/202355熱釋電報(bào)警器菲涅爾透鏡設(shè)定按鈕高分貝喇叭2/4/202356熱釋電報(bào)警器（續(xù)）菲涅爾透鏡Φ5mm接插件2/4/202357熱釋電報(bào)警器（續(xù)）吸頂式熱釋電報(bào)警器2/4/202358熱釋電報(bào)警器（續(xù)）無(wú)線報(bào)警式熱釋電報(bào)警器2/4/202359熱釋電傳感器應(yīng)用熱釋電傳感器用于自動(dòng)亮燈，當(dāng)然也可以用于防盜。熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍2/4/202360熱釋電感應(yīng)燈熱釋電傳感器2/4/202361自動(dòng)感應(yīng)燈

（參考施特朗公司資料）2/4/202362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(cè)出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動(dòng)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(dòng)著。上下范圍左右范圍2/4/202363二、被測(cè)物吸收光通量的應(yīng)用實(shí)例光電式濁度計(jì)和含沙量測(cè)量將裝有濁水的試管插入儀器中2/4/202364光電式濁度計(jì)工作原理

1—恒流源2—半導(dǎo)體激光器3—半反半透

4—反射鏡5—被測(cè)水樣6、9—光電池

7、10—電流/電壓轉(zhuǎn)換器8—標(biāo)準(zhǔn)水樣

參比通道（抵消外界影響）

2/4/202365

2.煙霧報(bào)警器外形

（參考南京千里通公司無(wú)線煙霧報(bào)警器資料）

無(wú)煙霧時(shí)，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(shí)，煙霧進(jìn)入檢測(cè)室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號(hào)減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

煙霧報(bào)警2/4/202366無(wú)線煙霧報(bào)警器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器2/4/202367無(wú)線火災(zāi)煙霧傳感器無(wú)線火災(zāi)煙霧傳感器可以固定在墻體或者天花板上。它內(nèi)部使用一節(jié)9伏層疊電池供電，工作在警戒狀態(tài)時(shí)，工作電流僅為15微安，報(bào)警發(fā)射時(shí)工作電流為20毫安。當(dāng)探測(cè)到初期明火或者煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)，傳感器的報(bào)警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的連續(xù)報(bào)警，工作指示燈快速連續(xù)閃爍，無(wú)線發(fā)射器發(fā)出無(wú)線報(bào)警信號(hào)，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)，將報(bào)警信息傳遞出去。無(wú)線發(fā)射器的報(bào)警距離在空曠地可以達(dá)到200米，在有阻擋的普通家庭環(huán)境中可以達(dá)到20米。2/4/202368三、被測(cè)物體反射光通量的應(yīng)用實(shí)例

1.反射式煙霧報(bào)警器

在沒(méi)有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)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(wú)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(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫(huà)出幾個(gè)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。2/4/202369

2.光電式轉(zhuǎn)速表

光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測(cè)物數(shù)十毫米外非接觸地測(cè)量其轉(zhuǎn)速。

n=60(f/z)

2/4/202370水泵轉(zhuǎn)速測(cè)量2/4/202371光電式轉(zhuǎn)速表外形

2/4/2023723.色標(biāo)傳感器

色飽和圖色標(biāo)傳感器常用于檢測(cè)特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過(guò)與非色標(biāo)區(qū)相比較來(lái)實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測(cè)，而不是直接測(cè)量顏色。人眼對(duì)各色光的敏感程度2/4/202373色標(biāo)傳感器的用途

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，顏色檢測(cè)和顏色識(shí)別等的應(yīng)用越來(lái)越多。例如，在包裝生產(chǎn)中機(jī)器要確定哪種