第九章光電式傳感器課件

第一節(jié)光電式傳感器的基本知識第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性本章小結(jié)?第九章光電式傳感器第三節(jié)光電式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)光電式傳感器的基本知識第二節(jié)光電式傳感器及其基一、光電傳感器的基本概念、主要特點和工作原理第一節(jié)光電式傳感器的基本知識二、常用光源及光電式傳感器種類一、光電傳感器的基本概念、主要特點和工作原理第一節(jié)光電式一、光電傳感器的基本概念、主要特點和工作原理常見的光電元件有真空光電元件和半導體光電元件兩大類。作為光電式傳感器的檢測對象有可見光、不可見光，其中，不可見光有紫外線、近紅外線等。另外，光的不同波長對光電式傳感器的影響也各不相同。因此要根據(jù)被檢測光的性質(zhì)，即光的波長和響應(yīng)速度來選用相應(yīng)的光電式傳感器。第一節(jié)光電式傳感器的基本知識一、光電傳感器的基本概念、主要特點和工作原理常見的光電元光電效應(yīng)：光電材料（或物質(zhì)）在吸收了光能后而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象。光能的計算公式為E=h

式中：h——為普朗克常數(shù)（h=6.63×10–34J?s）

——光波（或光波群）頻率（Hz）

光電效應(yīng)通常分為三類：第一節(jié)光電式傳感器的基本知識光電效應(yīng)：光電材料（或物質(zhì)）在吸收了光能后而發(fā)生相應(yīng)電效流明：光通量的單位，所有的燈都以流明表征輸出光通量的大小。勒克司：照度的單位，照度表征受照物體被照程度的物理量。若受照面積為A，它所接受到的光通量為

，則照度被定義為：E=d

/dA，所以1lx=1lm/m2。第一節(jié)光電式傳感器的基本知識流明：光通量的單位，所有的燈都以流明表征輸出光通量的大小

1．常用光源二、常用光源及光電式傳感器種類（1）自然光源太陽光、月光等自然界存在的光線。（2）熱輻射光源熱物體都會向空間發(fā)出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。（3）電致發(fā)光器件——發(fā)光二極管固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，它是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過程。第一節(jié)光電式傳感器的基本知識1．常用光源二、常用光源及光電式傳感器種類（1）自然

2．常用光電式傳感器種類（4）氣體放電光源電流通過氣體會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈等是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱光譜燈。（5）激光器激光器是“光受激輻射放大器”的縮寫。它能量高度集中，方向性好，頻率單純，相干性好，是很理想的光源。主要有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管、集成光電傳感器、光電池、圖像傳感器等。第一節(jié)光電式傳感器的基本知識2．常用光電式傳感器種類（4）氣體放電光源電流通一、光電管、光電倍增管第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性二、光敏電阻三、光敏晶體管四、光電池一、光電管、光電倍增管第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性二一、光電管、光電倍增管

1．光電管光電管的外形如圖所示。當入射光照射到陰極K上時，每個光子就把它的能量傳遞到陰極表面的一個自由電子，使電子的能量增加到h

。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，形成電子發(fā)射。這種逸出的電子成為光電子。1——陽極A，2——陰極K，3——石英玻璃外殼，4——抽氣管蒂，5——陽極引腳，6——陰極引腳。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性一、光電管、光電倍增管1．光電管光電管的外形如圖所示光電子的逸出金屬表面的初速度

由能量守恒定律得式中，m——電子質(zhì)量，

A——陰極金屬材料的逸出功，

——入射光頻率。

紅限：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這個最低限度的頻率稱為紅限。當h

A時，光通量

逸出的電子數(shù)目

光電流IΦ

。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性光電子的逸出金屬表面的初速度由能量守恒定律得式中，光電管正常工作時，陽極電位高于陰極電位，光電管符號及測量電路如右圖所示。

光電流：

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V）時，從陰極表面逸出的電子被具有正電壓的陽極所吸引，在光電管中形成的電流。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性光電管正常工作時，陽極電位高于陰極電位，光電管符號及測量

2．光電倍增管

（1）光電倍增管陰極室和若干發(fā)射極組成的二次發(fā)射倍增系統(tǒng)。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。

（2）光電倍增管的構(gòu)成第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性2．光電倍增管（1）光電倍增管陰極室和若干發(fā)射極

（3）結(jié)構(gòu)如上圖所示的光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。與光電管不同的是，在它的陰極與陽極之間設(shè)置許多二次發(fā)射電極D1，D2，D3，…，它們又稱為第一倍增極、第二倍增極……第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（3）結(jié)構(gòu)如上圖所示的光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。與光電管

（4）工作原理

光電子激發(fā)二次發(fā)射電子，被陽極所收集。若每級的二次發(fā)射倍增率為m，共有n級（9~11級），則光電倍增管陽極得到的光電流比普通光電管大mn倍。右圖所示為光電倍增管的基本電路。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（4）工作原理光電子激發(fā)二次發(fā)射電子，被陽極所收集。

①當用于測量穩(wěn)定的輻射通量時，電路往往將電源正端接地，電容C1，C2，…，Cn

和輸出隔離電容Co都可以省去，輸出可以直接與放大器輸入端連接。

②當入射光通量為脈沖量時，則應(yīng)將電源的負端接地，輸出端應(yīng)接入隔離電容，同時各倍增極的并聯(lián)電容亦應(yīng)接入。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性①當用于測量穩(wěn)定的輻射通量時，電路往往將電源正端接地，二、光敏電阻

1．工作原理和結(jié)構(gòu)又稱光導管，均質(zhì)半導體光電元件。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶透明窗的管殼內(nèi)就構(gòu)成光敏電阻，如圖（a）所示。為了增加靈敏度，常將兩電極做成梳狀，如圖（b）所示，圖形符號如圖（c）所示。

①結(jié)構(gòu)第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性二、光敏電阻1．工作原理和結(jié)構(gòu)又稱光導管，均質(zhì)半導體

②工作原理構(gòu)成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導體。當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，光導材料價帶上的電子將激發(fā)到導帶上去，從而使導帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導體的電導率變大。為實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光導材料的禁帶寬度。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性②工作原理構(gòu)成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物

③抗干擾措施為了避免外來干擾，光敏電阻外殼的入射孔用一種能透過所要求光譜范圍的透明保護窗（例如玻璃）。有時用專門的濾光片作保護窗。為了避免靈敏度受潮濕的影響，因此將電導體嚴密封裝在殼體中。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性③抗干擾措施為了避免外來干擾，光敏電阻外殼的入射孔

2．光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)（1）暗電阻和暗電流置于室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。（2）亮電阻和亮電流置于室溫、在一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性2．光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)（1）暗電阻和暗電流

（3）伏安特性光照度不變時，光敏電阻兩端所加電壓與流過電阻的光電流關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。如下圖所示。從圖中可知，伏安特性近似直線。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（3）伏安特性光照度不變時，光敏電阻兩端所加電壓與流

（4）光電特性在光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關(guān)系稱為光電特性，如下圖所示。光敏電阻的光電特性呈非線性。（a）光照/電阻特性（b）光照/電流特性第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（4）光電特性在光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度

（5）光譜特性光敏電阻對不同波長的入射光，其對應(yīng)光譜靈敏度不相同，而且各種光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值波長也不相同。光敏電阻受光照后，光電流并不立刻升到最大值，而要經(jīng)歷一段時間（上升時間）才能達到最大值。同樣，光照停止后，光電流也需要經(jīng)過一段時間（下降時間）才能恢復到其暗電流值，這段時間稱為響應(yīng)時間。（6）響應(yīng)時間（7）溫度特性

溫度

，暗電阻和靈敏度

。

第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（5）光譜特性光敏電阻對不同波長的入射光，其對應(yīng)光譜三、光敏晶體管

1．光敏二極管光敏二極管的PN結(jié)裝在管殼的頂部，可以直接受到光的照射。當有光照射時，形成與光照度成正比的比無光時大得多的反向電流即光電流。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性三、光敏晶體管1．光敏二極管光敏二極管的PN結(jié)裝其結(jié)構(gòu)和工作原理如右圖所示。（a）外形圖，（b）內(nèi)部組成，（c）管芯結(jié)構(gòu)，（d）結(jié)構(gòu)簡化圖，（e）圖形符號。1——負極引腳2——管芯3——外殼4——玻璃聚光鏡5——正極引腳6——

N型襯底7——

SiO2保護圈8——

SiO2透明保護層9——鋁引出電極10——

P型擴散層11——

PN結(jié)12——金引出線第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性其結(jié)構(gòu)和工作原理如右圖所示。（a）外形圖，（b）內(nèi)部光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，如右圖所示。2．光敏三極管光敏三極管有兩個PN結(jié)，從而可以獲得電流增益。它具有比光敏二極管更高的靈敏度，第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，如右圖所示。其結(jié)構(gòu)、等效電路圖形符號及應(yīng)用電路分別如下圖（a）、（b）、（c）、（d）所示。光線通過透明窗口照射在集電結(jié)上，當電路按圖（d）連接時，集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。有光照射時其工作過程與普通三極管的放大作用相類似，集電極電流原始光電電流的

倍。

第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性其結(jié)構(gòu)、等效電路圖形符號及應(yīng)用電路分別如下圖（a）、（b光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管，如右圖所示。其頂部有一個透明玻璃透鏡，能把光線集中照射到J2上。

3．光敏晶閘管

應(yīng)用時光敏晶閘管的陽極接正極，陰極接負極，控制極通過電阻RG

與陰極相接。在光照射下，J2

產(chǎn)生控制電流使晶閘管導通，調(diào)節(jié)RG

可使晶閘管在設(shè)定的照度下導通。

第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管，如右圖所示。其頂部（1）光譜特性

4．光敏晶體管的基本特性光敏晶體管在入射光照度一定時，輸出的光電流（或相對靈敏度）隨光波波長的變化而變化。一種晶體管只對一定波長的入射光敏感。如圖所示。不管是硅管還是鍺管，當入射光波長超過一定值時，波長

，相對靈敏度

。

不同材料的光敏晶體管，其光譜響應(yīng)峰值波長也不相同。硅管：1.0

m左右，鍺管：1.5

m左右。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（1）光譜特性4．光敏晶體管的基本特性光敏晶體管

（2）伏安特性光敏三極管在不同照度下的伏安特性，就像普通三極管在不同基極電流下的輸出特性一樣，如圖所示。改變光照就相當于改變普通三極管的基極電流。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（2）伏安特性光敏三極管在不同照度下的伏安特性，就像

（3）光電特性指外加偏置電壓一定時，光敏晶體管的輸出電流和光照度的關(guān)系。光敏二極管光電特性的線性通常較好，光敏三極管的電流放大倍數(shù)在小電流和大電流時都會下降的。如圖下所示，曲線1、曲線2分別是某種型號的光敏二極管、光敏三極管的光電特性。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（3）光電特性指外加偏置電壓一定時，光敏晶體管的輸出

（4）溫度特性溫度變化對亮電流的影響較小，但對暗電流的影響相當大，并且是非線性的，這將給微光測量帶來誤差，如下圖所示。1——輸出電流，2——暗電流。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（4）溫度特性溫度變化對亮電流的影響較小，但對暗電流（5）頻率特性光敏晶體管受調(diào)制光照射時，相對靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特性。如右圖所示。減少負載電阻能提高響應(yīng)頻率，但輸出降低。工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時間為10-7~10-5s左右，光敏三極管的響應(yīng)時間比相應(yīng)的二極管約慢一個數(shù)量級。（6）響應(yīng)時間第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（5）頻率特性光敏晶體管受調(diào)制光照射時，相對靈敏度與四、光電池光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)，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。現(xiàn)以硅光電池為例說明光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性四、光電池光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)，當光照射到

1．光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理在N型襯底上滲入P型雜質(zhì)形成一個大面積的PN結(jié)，作為光照敏感面。光子能量大于硅的禁帶寬度，P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子-空穴對，并形成由表及里擴散的自然趨勢。PN結(jié)內(nèi)電場使擴散到PN結(jié)附近的電子-空穴對分離，光生電子被推向N區(qū)，光生空穴被留在P區(qū)，從而使N區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電，形成光生電動勢。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性1．光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理在N型襯底上滲入P

2．光電池的基本特性光電池對不同波長的光有不同的靈敏度。右圖1——硅光電池，2——硒光電池。硅光電池的負載電阻不同，輸出電壓和電流也不同。1——負載開路時的特性曲線，2——負載短路時的特性曲線。（1）光譜特性（2）光電池的光電特性第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性2．光電池的基本特性光電池對不同波長的光有不同的靈敏

（3）光電池的溫度特性光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系稱為溫度特性。從右圖中可以看出，光電池的光電壓隨溫度變化有較大變化，溫度

電壓

，而光電流隨溫度變化很小。

（4）光電池的頻率特性頻率特性是指輸出電流與入射光的調(diào)制頻率之間的關(guān)系。當入射光的調(diào)制頻率太高時，光電池的輸出光電流將下降。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性（3）光電池的溫度特性光電池的開路電壓和短路電流隨溫

3．短路電流的測量運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)Aod→∞，所以UAB→0，A點為0電位（虛地）。光電池的負載電阻值為0，產(chǎn)生的光電流為短路電流。根據(jù)運算放大器的“虛斷”性質(zhì)，則輸出電壓Uo為從上式可知，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。第二節(jié)光電式傳感器及其基本特性3．短路電流的測量運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)Ao第三節(jié)光電式傳感器的應(yīng)用二、光電比色計一、高溫比色溫度儀三、光電式帶材跑偏檢測裝置四、物體長度及運動速度的檢測第三節(jié)光電式傳感器的應(yīng)用二、光電比色計一、高溫比色溫度光電式傳感器屬于非接觸式測量，通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成。按照被測物、光源、光電元件三者之間的關(guān)系，通常有如下圖4種類型。（a）被測物為光源（b）被測物吸收光通量（c）被測物為可反射表面（d）被測物遮蔽光通量1—被測物2—光電元件3—恒光源第三節(jié)光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器屬于非接觸式測量，通常由光源、光學通路和光電一、高溫比色溫度儀式中，K1，K2為與

1、

2及物體的溫度有關(guān)的常數(shù)。物體在兩個特定波長

1、

2上的輻射強度、之比與該物體的溫度成指數(shù)關(guān)系只要測出與之比，就可算得出物體的溫度T。

理論基礎(chǔ)：

第三節(jié)光電式傳感器的應(yīng)用一、高溫比色溫度儀式中，K1，K2為與1、2可以使用光電池制作非接觸測溫的高溫比色溫度儀。下圖為高溫比色溫度儀的原理圖。1—高溫物體2—物鏡3—半反半透鏡4—反射鏡5—目鏡6—觀察者的眼睛7—光闌8—光導棒9—分光鏡10、12—濾光片11、13—硅光電池14、15—電流/電壓轉(zhuǎn)換器

測溫原理：

第三節(jié)光電式傳感器的應(yīng)用可以使用光電池制作非接觸測溫的高溫比色溫度儀。下圖為高溫二、光電比色計光電比色計原理圖如下圖所示，1——光源，2——透鏡，3——濾色片，4——標準樣品，5——被測樣品，6、7——光電池，8——差動放大器，9——指示儀表。第三節(jié)光電式傳感器的應(yīng)用二、光電比色計光電比色計原理圖如下圖所示，1——光源，2三、光電式帶材跑偏檢測裝置帶材跑偏檢測裝置是用來檢測帶型材料在加工過程中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。

工作原理：

帶材走偏時，其邊沿與傳送機械發(fā)生接觸摩擦，造成帶材卷邊、撕邊或斷裂，出現(xiàn)廢品，同時也可能損壞傳送機械。因此，在生產(chǎn)過程中必須有帶材跑偏糾正裝置。光電式帶材跑偏檢測裝置由光電式邊沿位置傳感器、測量電橋和放大電路組成。第三節(jié)光電式傳感器的應(yīng)用三、光電式帶材跑偏檢測裝置帶材跑偏檢測裝置是用來檢測帶型