光電傳感器上課件

機械工業(yè)出版社

中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材

《自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》

第十章

光電傳感器

2014－11－510/4/20231.機械工業(yè)出版社

中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材

《自動檢測與轉(zhuǎn)第十章光電傳感器在這一章里，卡卡要給大家簡單介紹光電效應(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是非接觸測量。10/4/20232.第十章光電傳感器在這一章里，卡卡要給大家簡單介紹光電效應(yīng)1860年，英國物理學(xué)家麥克斯韋建立了電磁理論，認(rèn)識到光是一種電磁波。1905年，德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。10/4/20233.1860年，英國物理學(xué)家麥克斯韋建立了電磁理論，認(rèn)識到光是一

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。

10/4/20234.第一節(jié)光電效應(yīng)及光電元件用光照射某一物紫外光電管外形當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，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10/4/20235.紫外光電管外形當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到光照時，阻值減小。10/4/20236.光敏電阻當(dāng)光敏電阻受到光照時，阻值減小。7光敏電阻原理演示

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）光照變化產(chǎn)生的電流稱為暗電流10/4/20237.光敏電阻原理演示當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電光敏二極管

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，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。10/4/20238.光敏二極管將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在光敏二極管外形

光敏二極管陣列包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。10/4/20239.光敏二極管外形光敏二極管陣列包含1024個紅外發(fā)射、接收對管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管10/4/202310.紅外發(fā)射、接收對管外形紅外發(fā)射管紅外接收管7/25/202光敏二極管的反向偏置接法

在沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時的電流稱為暗電流，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，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(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。

10/4/202311.光敏二極管的反向偏置接法

在沒有光照時，由于二極管光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁圖）及光電特性演示

在沒有光照時，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，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10/4/202312.光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁圖）及光電特性演示光敏三極管

光敏三極管有兩個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有引出線，只有正負(fù)（C、E）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

10/4/202313.光敏三極管光敏三極管有兩個PN結(jié)。與普通三極管光敏三極管外形

10/4/202314.光敏三極管外形7/25/202314.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)

10/4/202315.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)硅光敏晶體管的光譜特性

電磁波頻譜10/4/202316.硅光敏晶體管的光譜特性電磁波頻譜7/25/202316.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請判斷光敏二極管、三極管的靈敏度孰高孰低0.3mAIΦE10/4/202317.光敏二極管、三極管的光電特性比較0光照光電流光敏基于光生伏特效應(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)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子-空穴對，光生電子-空穴對的的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到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)短暫的時間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。

10/4/202318.基于光生伏特效應(yīng)的光電元件

——光電池基于光生伏特效應(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)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子-空穴對?？昭ㄍㄟ^漂移運動被拉到P型區(qū)，帶正電；電子留在N區(qū)，帶負(fù)電。10/4/202319.基于光生伏特效應(yīng)的光電元件

——光電池新型光電池外形光敏面10/4/202320.光電池外形光敏面7/25/202320.能提供較大電流的大面積光電池外形10/4/202321.能提供較大電流的大面積光電池外形7/25/202321.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。10/4/202322.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太陽能組件10/4/202323.太陽能組件7/25/202323.其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池10/4/202324.其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池7/25光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能電風(fēng)扇太陽能硅光電池板10/4/202325.光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能電風(fēng)扇太陽能光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）住宅太陽能供電10/4/202326.光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）住宅太陽能供電7/25/2023光電池在動力方面的

應(yīng)用（續(xù)）嫦娥一號上的光電池板10/4/202327.光電池在動力方面的

應(yīng)用（續(xù)）嫦娥一號上的光電池板7/25/光電池的光電特性

一個典型的硅光電池的光電特性1—開路電壓曲線2—短路電流曲線

開路電壓為對數(shù)特性短路電流為線性特性10/4/202328.光電池的光電特性一個典型的硅光電池的光電特性開第二節(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與光照變化趨勢相同的電路b）UＯ與光照變化趨勢相反的電路

10/4/202329.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，反相器翻轉(zhuǎn),輸出變?yōu)槭裁措娖剑?/p>

10/4/202330.二、光敏二極管應(yīng)用電路利用反相器可將光敏二極管光敏三極管光控繼電器電路

當(dāng)無光照時，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位置上下對調(diào)，請畫出電路，并分析工作過程。

10/4/202331.光敏三極管光控繼電器電路當(dāng)無光照五、光電池的應(yīng)用電路

——光電池短路電流測量電路

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量時，IΦ可能較小，則應(yīng)增加一級放大電路，并在第二級使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。10/4/202332.五、光電池的應(yīng)用電路

——光第三節(jié)光電傳感器的應(yīng)用

—、光源本身是被測物的應(yīng)用實例

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，可以用照度計來測量。

光電池（外加柔光罩）10/4/202333.第三節(jié)光電傳感器的應(yīng)用—、光源本身是被測物的應(yīng)用實1.紅外線輻射溫度計：紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-30℃～3000℃，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。10/4/202334.1.紅外線輻射溫度計：紅外輻射溫度計既可用于高溫紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準(zhǔn)10/4/202335.紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準(zhǔn)7/2紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量10/4/202336.紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量7/紅外線輻射溫度計的使用10/4/202337.紅外線輻射溫度計的使用7/25/202337.紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應(yīng)用（續(xù)）10/4/202338.紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應(yīng)用（續(xù)）7/25/2紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應(yīng)用耳溫儀10/4/202339.紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應(yīng)用耳溫儀7/25/2紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量10/4/202340.紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量7/25/202340.紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用IC的溫度測量10/4/202341.紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用IC的溫度測紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（冷藏牛奶和面食）10/4/202342.紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）溫度采集系統(tǒng)利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）10/4/202343.紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）溫度紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）10/4/202344.紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）10/4/202345.紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）7/2紅外線輻射溫度計的使用距離與目標(biāo)直徑、面積的關(guān)系mmm10/4/202346.紅外線輻射溫度計的使用距離與目標(biāo)直徑、面積的關(guān)系m紅外線輻射溫度計的特性參數(shù)10/4/202347.紅外線輻射溫度計的特性參數(shù)7/25/202347.比色計在高溫非接觸測量中的應(yīng)用

比色式溫度傳感器抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，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。紅色黃色10/4/202348.比色計在高溫非接觸測量中的應(yīng)用比色式溫2.熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應(yīng)用

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10/4/202349.2.熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應(yīng)用熱釋電傳感器簡介

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。熱釋電晶體廣泛用于紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關(guān)、防盜報警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。比如：在房間無人時能自動減小空調(diào)機的功率；電視機能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應(yīng)用；攝影機或數(shù)碼照相機自動記錄動物或人的活動……

您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結(jié)合其他電路開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產(chǎn)品?；蜃詣踊刂蒲b置。10/4/202350.熱釋電傳感器簡介熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動熱釋電傳感器的內(nèi)部電路兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片場效應(yīng)管10/4/202351.熱釋電傳感器的內(nèi)部電路兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片場效應(yīng)管7/2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)視視野范圍中運動時，順次地進入第一、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。

10/4/202352.熱釋電傳感器工作原理熱釋電晶片表面菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片10/4/202353.菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片7/25/202353.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。10/4/202354.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2熱釋電套件10/4/202355.熱釋電套件7/25/202355.熱釋電報警器菲涅爾透鏡設(shè)定按鈕高分貝喇叭10/4/202356.熱釋電報警器菲涅爾透鏡設(shè)定按鈕高分貝喇叭7/25/20235熱釋電報警器（續(xù)）菲涅爾透鏡Φ5mm接插件10/4/202357.熱釋電報警器（續(xù)）菲涅爾透鏡Φ5mm接插件7/25/202熱釋電報警器（續(xù)）吸頂式熱釋電報警器10/4/202358.熱釋電報警器（續(xù)）吸頂式熱釋電報警器（續(xù)）無線報警式熱釋電報警器10/4/202359.熱釋電報警器（續(xù)）無線報警式7/25/202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10/4/202360.熱釋電傳感器應(yīng)用熱釋電傳感器用于自動亮燈，當(dāng)熱釋電感應(yīng)燈熱釋電傳感器10/4/202361.熱釋電感應(yīng)燈熱釋電傳感器7/25/202361.自動感應(yīng)燈

（參考施特朗公司資料）10/4/202362.自動感應(yīng)燈

（參考施特朗公司資料）7/25/202362.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10/4/202363.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)是二、被測物吸收光通量的應(yīng)用實例光電式濁度計和含沙量測量將裝有濁水的試管插入儀器中10/4/202364.二、被測物吸收光通量的應(yīng)用實例光電式濁度計和含沙量測量將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

參比通道（抵消外界影響）

10/4/202365.光電式濁度計工作原理1—恒流源2—半導(dǎo)體激光器

2.煙霧報警器外形

（參考南京千里通公司無線煙霧報警器資料）

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10/4/202366.2.煙霧報警器外形（參考南京千里通公司無線煙霧報警器無線煙霧報警器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器10/4/202367.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7無線火災(zāi)煙霧傳感器無線火災(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，工作電流僅為15微安，報警發(fā)射時工作電流為20毫安。當(dāng)探測到初期明火或者煙霧達到一定濃度時，傳感器的報警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的連續(xù)報警，工作指示燈快速連續(xù)閃爍，無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號，通知遠(yuǎn)方的接收主機，將報警信息傳遞出去。無線發(fā)射器的報警距離在空曠地可以達到200米，在有阻擋的普通家庭環(huán)境中可以達到20米。10/4/202368.無線火災(zāi)煙霧傳感器無線火災(zāi)煙霧傳感三、被測物體反射光通量的應(yīng)用實例

1.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紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進入煙霧室后，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），使部分紅外光到達光敏三極管，有光電流輸出。10/4/202369.三、被測物體反射光通量的應(yīng)用實例1.反射式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，它可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉(zhuǎn)速。

n=60(f/z)

10/4/202370.2.光電式轉(zhuǎn)速表光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳水泵轉(zhuǎn)速測量10/4/202371.水泵轉(zhuǎn)速測量7/25/202371.光電式轉(zhuǎn)速表外形

10/4/202372.光電式轉(zhuǎn)速表外形7/25/202372.3.色標(biāo)傳感器

色飽和圖色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色。人眼對各色光的敏感程度10/4/202373.3.色標(biāo)傳感器色飽和圖色標(biāo)傳感器常用于檢測色標(biāo)傳感器的用途

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，顏色檢測和顏色識別等的應(yīng)用越來越多。例如，在包裝生產(chǎn)中機器要確定哪種產(chǎn)品放在什么顏色的包裝中、如何保證產(chǎn)品的正面朝向包裝盒的玻璃紙窗口等等。色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色。10/4/202374.色標(biāo)傳感器的