第10章 上 光電傳感器

第十章（上）光電傳感器第十章（上）介紹光電效應、光電元件的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、應用電路，以及光電傳感器的四種類型的應用實例。還簡單介紹了光輻射的基本知識。第十章（下）介紹光電開關及光電斷續(xù)器的原理及應用見。第十章（參考閱讀）介紹CCD圖像傳感器、熱成像技術、光導纖維傳感器的原理及應用。現(xiàn)在時間是：*2023/10/172第一節(jié)光電效應與光電元件第二節(jié)光電元件的基本應用電路第三節(jié)光電傳感器的應用

第十章（上）光電傳感器目錄進入進入進入有一些頁面的文字較多，

請教師根據(jù)自己的專業(yè)方向做減法。1905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發(fā)射效應，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。

用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf（或hν）的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現(xiàn)象稱為光電效應。第一節(jié)光電效應及光電元件光電效應的分類第一類：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，基于外光電效應的光電元件有光電管、光電倍增管等。第二類：在光線的作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應，也稱為光電導效應?；趦?nèi)光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管及光敏晶閘管等。第三類：在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，基于光生伏特效應的光電元件有光電池等。第一類光電元件屬于玻璃真空管元件，第二、三類屬于半導體元件。一、基于外光電效應

的光電元件a)光電管b)外光電效應示意1－陽極a2－陰極k3－石英玻璃外殼4－抽氣管蒂5－陽極引腳6－陰極引腳7－金屬表面8－光子9－光致發(fā)射電子金屬板“光電子”電磁波頻譜（光是一種電磁波）

光電管電路及特性

當電子獲得的能量足夠大時,電子就可以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，光電流IΦ正比于光電子數(shù)和光照度。1－低照度時的曲線

2－紫外線增強時的曲線石英玻璃殼高職資料咨詢電話外光電管當入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，形成電子發(fā)射。用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等?？梢姽廨^難引起光電子的發(fā)射。火焰的輻射光中包含了較大比例的紫外光，有別于燈光，以及純粹的高溫紅外輻射。紫外線玻殼用對紫外線透光率較好的石英材料制造二、基于內(nèi)光電效應的光電元件

（一）光敏電阻為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。

光敏電阻的圖形符號：

構(gòu)成光敏電阻的材料有：

金屬的硫化物(如CdS)、硒化物、碲化物等半導體。

1.光敏電阻工作原理當光敏電阻受到光照時，半導體材料中的電子吸收光子能量后，成為自由電子，同時產(chǎn)生空穴，電阻率變小。

光照越強，光生電子-空穴對就越多，阻值就越低。入射光消失，電子-空穴對經(jīng)幾毫秒時間逐漸復合，電阻也逐漸恢復原值。光敏電阻外形及結(jié)構(gòu)當光敏電阻受到光照時，左右電極之間的阻值減小。光敏電阻原理演示

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（溫度升高，暗電增大）光照產(chǎn)生的電流稱為亮電流2.光敏電阻的特性和參數(shù)（1）暗電阻：置于室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，通常大于1MΩ。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點。（2）光電特性：在光敏電阻兩極電壓固定不變時,光照度與電阻及電流間的關系稱為光電特性(非線性嚴重)（3）響應時間：光敏電阻受光照后，光電流需要經(jīng)過一段時間（上升時間）才能達到其穩(wěn)定值。同樣，在停止光照后，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，（時延特性）。光敏電阻的上升響應時間和下降響應時間約為10–2～10–3s，光敏電阻不能用在要求快速響應的場合。部分光敏電阻的特性參數(shù)3．發(fā)光強度、光通量、照度簡介發(fā)光強度的單位是國際單位制中七個基本單位之一，540×1012Hz（約0.55μm）的單色光是對人眼最敏感的黃綠色光。按此規(guī)定，40W和60W的白熾燈在標準條件下的發(fā)光強度約為28cd（坎德拉）和50cd，并不與瓦數(shù)成正比。光源在單位時間內(nèi)向周圍空間輻射并引起視覺的能量，稱為光通量，用符號Φ表示，單位為流明（lm）。一個l00W白熾燈約可產(chǎn)生l700lm的光通量，而一支40W白色日光燈管則可產(chǎn)生約3000lm的光通量。照度是用來表示被照物體被照亮的程度。受照物體表面每單位面積（1m2）上接收到的光通量稱為照度，符號為E，單位為勒克司（lx）。照度E照度是用來表示被照面（點）上光的強弱。受照物體表面每單位面積（1m2）上接收到的光通量稱為照度，符號為E，單位為勒克司（lx）。被測光均勻并垂直照射平面時的照度E=Φ/A。上式中，Φ為物體表面單位面積上接收到的總光通量，A為被照面積，所以1lx等效于1lm/m2。150lx是教育部門要求所有學校課堂桌面所必須達到的標準照度。環(huán)境照度

環(huán)境狀態(tài)照度E/lx滿月時的地面0.220cm遠處的燭光10～15黃昏室內(nèi)1040W熒光燈正下方1.3米9040W白熾燈下1米30晚上教室桌面＞150晴天中午室內(nèi)的窗口桌面2000~4000陰天中午室外6000晴天中午室外10000～80000常用光度學的名稱、符號、單位及說明

名稱符號單位說明光通量Φ流明lm發(fā)光體每秒所發(fā)出的光量總和光強I坎德拉cd發(fā)光體在特定方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量照度E勒克斯lm/m2

發(fā)光體照射在被照物體單位面積上的光通量亮度L尼脫cd/m2發(fā)光體在視線方向單位投影面上的發(fā)光強度（二）光敏二極管、光敏晶體管

光敏二極管、光敏晶體管、光敏晶閘管等統(tǒng)稱為光敏管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應。光敏晶體管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，暗電流也較大。光敏晶閘管經(jīng)強光照后，觸發(fā)導通，工作電流可達安培數(shù)量級，工作電壓有的可達數(shù)百伏，因此輸出功率大，主要用于光耦合器（俗稱光電耦合器）中。光敏二極管的PN結(jié)被設置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射。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－耗盡層12－金絲引出線1.光敏二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏二極管的工作原理

沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，稱為暗電流，相當于普通二極管的反向飽和漏電流。當合適波長的光照射在光敏二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時，原子中的電子吸收光子的能量，變成自由光子。相應地，產(chǎn)生同樣數(shù)量的空穴。

光照增強，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，在外加的反向電壓的作用下，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，從而產(chǎn)生反向電流電流（稱為光電流），光電流在很大的范圍內(nèi)與照度成正比。部分光敏二極管特性參數(shù).光敏二極管實物照片

將光敏二極管的PN結(jié)設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。透鏡+-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，可用于分光鏡等。光敏二極管伏安特性及紅外發(fā)射、接收對管

紅外接收管紅外發(fā)射管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，相當于普通二極管的反向飽和漏電流。當光照射在二極管的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，光電流也相應增大，光電流與照度成正比。

電路的輸出電壓Uo與光電流ID成正比，在一定范圍內(nèi)，與光照度E成正比。

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。

當光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照特殊光敏二極管——PIN二極管PIN光敏二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層較厚的I本征半導體層，從而使PN結(jié)的間距加寬，結(jié)電容變小(幾個pF)。因此，PIN光敏二極管的頻帶較寬，可達GHz數(shù)量級。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）只需十幾伏，光電轉(zhuǎn)換效率較高，靈敏度比普通的光敏二極管高上百倍。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管可用于測量紫外線。PIN光敏二極管的缺點是I層電阻較大，輸出電流較小，一般多為微安數(shù)量級。目前已可將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上，并封裝于一個管殼內(nèi)，用于光纖通信。PIN二極管.2023/10/1730PIN二極管的PN結(jié).特殊光敏二極管——APD二極管APD光敏二極管(雪崩光敏二極管)是一種具有內(nèi)部倍增放大作用的光敏二極管,靈敏度比PIN大幾百倍。當有一個光子從外部射入到其PN結(jié)上時,將產(chǎn)生一個電子空穴對。由于PN結(jié)上施加了較高的工作電壓(約100V),接近于反向擊穿電壓。PN結(jié)中的電場強度可達104V/mm數(shù)量級，因此能將光子所產(chǎn)生的光電子加速到具有很高的動能,撞擊其他原子,產(chǎn)生新的電子空穴對,如此多次碰撞,以致最終造成載流子按幾何級數(shù)劇增的“雪崩”效應,形成對原始光電流的放大作用,增益可達幾千倍,而雪崩產(chǎn)生和恢復所需的時間可小于1ns,適用于微光信號檢測。APD光敏二極管的主要缺點：噪聲大。若有用光電信號很小，就會被噪聲淹沒。APD光敏二極管的PN結(jié)、內(nèi)部電場分布

及電子倍增效應APD載流子雪崩式倍增示意圖APD光敏二極管的

外形及用途APD二極管適用于微光測量和遠程光纖通信。2.光敏晶體管

光敏晶體管又稱“光敏三極管”，它有兩個PN結(jié)。與普通晶體管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏晶體管的基極沒有引出線，只有正負（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。

光敏晶體管的結(jié)構(gòu)a）管芯結(jié)構(gòu)b)結(jié)構(gòu)簡化圖c）光敏晶體管圖形符號1－N+襯底2－N型集電區(qū)3－透光SiO2保護圈4－集電結(jié)JC5－P型基區(qū)6－發(fā)射結(jié)JE7－N型發(fā)射區(qū)光敏三極管的外形

多數(shù)只有C、E

兩個電極CEBCE（三）光敏二極管和光敏晶體管的特性

1.硅光敏晶體管的光譜特性

電磁波頻譜光的輻射基礎2023/10/1738幾種光敏材料的光譜峰值波長.材料名稱GaAsPGaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSbGaInAsInSb峰值波長/μm0.60.650.81～21.31.31.41.655.02.光敏二極管和光敏晶體管的伏安特性伏安特性曲線：描述器件的電流與電壓的關系。常用縱坐標表示電流I、橫坐標表示電壓U，以此畫出的I-U圖像叫做導體的伏安特性曲線圖。施加在光敏二極管的PN結(jié)兩端的電壓和流過光敏二極管的電流之間的關系曲線稱為光敏二極管的伏安特性曲線。正向特性：u>0的部分稱為正向特性。反向特性：u<0的部分稱為反向。反向擊穿：當反向電壓超過一定數(shù)值后，反向電流急劇增加，稱之反向擊穿。流過硅光敏二極管的電流與光照度成正比，而基本上與反向偏置電壓

Uo無關。正常使用時要施加1.5V以上的反向工作電壓來減小暗電流。光敏晶體管的伏安特性光敏晶體管在不同照度下的伏安特性與一般晶體管在不同基極電流下的輸出特性相似。光敏晶體管的工作電壓一般應大于3V。若在伏安特性曲線上作負載線，便可求得某光強下的輸出電壓UCE。光敏二極管、光敏晶體管的光電特性比較

0光照

光電流光敏晶體管光敏二極管3000lx4mA請分析光敏二極管、光敏晶體管的靈敏度曲線差異0.3mA請作圖、計算當E=1000lx時，光敏二極管的光電流IΦ

IΦEICE0光敏管的溫度特性和響應時間4.溫度特性：溫度變化對亮電流影響不大，但對暗電流的影響非常大，并且是非線性的，將給微光測量帶來誤差。硅光敏晶體管的溫漂比光敏二極管大許多，雖然硅光敏晶體管的靈敏度較高，但在要求準確度測量中卻必須選用硅光敏二極管，并采用低溫漂、高準確度的運算放大器來提高檢測靈敏度。5.響應時間：工業(yè)級硅光敏二極管的響應時間為10-5～10-7s左右，光敏晶體管的響應時間比相應的二極管約慢一個數(shù)量級，因此在要求快速響應或入射光調(diào)制頻率（明暗交替頻率）較高時，應選用硅光敏二極管。光敏管的頻率特性當光脈沖的重復頻率提高時，光敏二極管的輸出電流的變化無法立即跟上光脈沖的變化，輸出波形產(chǎn)生失真。當光敏二極管的輸出電流或電壓脈沖幅度減小到低頻時的1/（0.707倍）時,該光脈沖的調(diào)制頻率就是光敏二極管的最高工作頻率fH，又稱截止頻率。tr為上升時間，tf為下降時間。a）輸入調(diào)制光脈沖b）光敏二極管脈沖響應3DU光敏三極管特性參數(shù)三、基于光生伏特效應的光電元件——光電池在P型襯底上制造一很薄、透明的N型層作為光照敏感面，再在上面覆蓋柵狀透明電極,就構(gòu)成最簡單的光電池。當入射光子的能量足夠大時，PN結(jié)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)，空穴漂移到P區(qū)，所以N區(qū)帶負電，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，這就是光生伏特效應。

回目錄太陽能電池的種類非晶硅可撓式（一）光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理注：也有一些不同工藝的光電池的結(jié)構(gòu)，是將光線照射到P區(qū)的。光電池內(nèi)部載流子的漂移示意圖入射光線光電池外形光敏面（二）光電池的基本特性1.光電池的光譜特性硅光電池對近紅外敏感（峰值波長0.8μm）。硒光電池對可見光敏感。隨著制造技術的進步,硅光電池已具有從藍紫到近紅外的寬光譜特性。目前許多廠商已生產(chǎn)出峰值波長為0.7μm(可見光)的硅光電池,在紫光(0.4μm)附近仍有40%～60%的相對靈敏度。2.光電池的光電特性

光電池的負載電阻不同，輸出電壓和電流也不同。開路電壓Uo與光照度的關系呈非線性，近似于對數(shù)關系，在2000lx照度以上就趨于飽和。負載電阻越小，光電流與照度之間的線性關系就愈好。當負載短路時，光電流在很大范圍內(nèi)與照度成線性關系，當希望光電池的輸出與光照度成正比時.應把光電池作為電流源來使用。

當被測非電量是開關量時，也可以把光電池作為電壓源來使用。開路電壓對數(shù)特性短路電流光電池的光電特性演示0光照請作圖計算當E=1000lx時，光電池的電流IΦ和電壓Uoc開路輸出電壓10000lx0.6V開路電壓

UocE8mA5000lx短路輸出電流短路電流Isc4mA0.55V結(jié)論？3.光電池的伏安特性當RL很?。ɡ鐖D中所示的500Ω）時，照度E每變化100lx，其輸出電流IΦ的間隔基本相等，說明此時IΦ與E成正比。當RL增大時，輸出電流與輸出電壓的非線性越來越大。所以在精密測量時，必須設法使RL=0，必須采用電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。

硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，高頻轉(zhuǎn)折頻率就越高，硅光電池的頻率響應可達數(shù)兆赫。4.光電池的溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓Uo及短路電流Io隨溫度變化的特性。開路電壓隨溫度增加而下降，開路電壓的溫度系數(shù)約為-0.34%/℃；短路電流溫度系數(shù)：+0.017%/℃。工作溫度范圍：-40～+90℃。當光電池作為檢測元件時,應考慮溫度漂移的影響,采取相應措施進行溫度補償。硅光電池溫度特性5.光電池的頻率特性頻率特性是描述入射光的調(diào)制頻率與光電池輸出電流間的關系。由于光電池受照射產(chǎn)生電子-空穴對需要一定的時間，因此當入射光的調(diào)制頻率太高時，光電池的輸出光電流將下降。

硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，高頻轉(zhuǎn)折頻率就越高，硅光電池的頻率響應可達數(shù)兆赫。能提供較大電流的

大面積光電池外形

（頻率特性很差）光電池

組件2023/10/1758太陽能電池在動力方面的應用陽光動力2號太陽能飛機太陽能電風扇組件光電池在動力方面的應用（續(xù)）沙漠住宅太陽能供電光電池在動力方面的

應用（續(xù)）嫦娥飛船上的光電池板各種光電池柔光罩下面為圓形光電池

四象限探測器：完全對稱的4個光敏元件置于光學系統(tǒng)焦平面上。當目標成像不在光軸上時，四個象限上探測器輸出的光電信號幅度不相同。常用于激光制導、跟蹤等。第二節(jié)光電元件的基本應用電路一、光敏電阻的基本應用電路圖a中，當無光照時，光敏電阻RΦ很大，IΦ在RL上的壓降Uo很小。隨著入射光增大，RΦ減小，Uo隨之增大。圖中，入射光增大，Uo反而減小。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回目錄二、光敏二極管的應用電路光敏二極管在應用電路中必須反向偏置。利用施密特反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。Ui=5V-URL=5V-

IΦRL三、光敏晶體管應用電路a）射極輸出電路b）集電極輸出電路表10-2光敏晶體管的輸出狀態(tài)比較電路形式無光照時強光照時晶體管狀態(tài)ICUo晶體管狀態(tài)ICUo射極輸出截止00（低電平）飽和(VCC-0.３)/RLVCC-UCES(高電平)集電極輸出截止0VCC（高電平）飽和(VCC-0.３)/RLUCES(0.3V低電平)例：光控繼電器電路如下圖，請分析工作過程。

設：V2的β足夠大，求：在強光照時，繼電器的狀態(tài)。解：

1）當無光照時，V1截止，IB=0，V2也截止，繼電器KA處于失電（釋放）狀態(tài)。2）當有強光照時，V1產(chǎn)生較大的光電流IΦ，IΦ一部分流過下偏流電阻RB2（起穩(wěn)定工作點作用），另一部分流經(jīng)RB1及V2的發(fā)射結(jié)。當IB>IBS(IBS=ICS/β)時，V2飽和，產(chǎn)生較大的集電極飽和電流ICS（與IB基本無關），ICS=(VCC－0.3V)/RKA。若ICS大于繼電器KA的額定動作距離，則KA吸合。

思考：若將V1與RB2的位置上下對調(diào)，其結(jié)果如何？四、光電池的應用電路

——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，則應增加二級放大電路，并在第二級使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。

該電路的輸出電壓Uo與光電流IΦ成正比，從而達到電流/電壓轉(zhuǎn)換的目的。

若希望Uo為正值，可將光電池極性調(diào)換。若光電池用于微光測量時，IΦ可能較小，則可增加一級放大電路A2，并使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。.第三節(jié)光電傳感器的應用a）被測物是光源b）被測物吸收部分光c）被測物是有反射能力的表面d）被測物遮蔽部分光1－被測物2－光電元件3－恒光源光電傳感器的幾種應用形式的演示回目錄一、光源本身是被測物的應用實例

——照度計光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計（也稱勒克斯計）來測量。

光電池(外加柔光罩）照度計的技術指標

照度計又稱勒克斯計是一種專門測量光度、亮度的儀器儀表,用于測量光照度(物體被照明的程度)，也即物體表面所得到的光通量與被照面積之比。照度計通常是由硒光電池或硅光電池和數(shù)字微安表電路、色彩補償、余弦補償、微處理器、三位半數(shù)字液晶顯示器等組成。技術指標：示值切換范圍：1.999×10nlx（n=1~5）取樣率：2.5次/秒操作環(huán)境：0~50℃相對濕度<70%RH1.紅外線輻射溫度計紅外線的波長在0.76～100μm之間，位于微波與紅光之間。任何物體，只要它的溫度比零下273度高，就無一例外地發(fā)射出紅外線。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?？捎糜阼F路機車軸溫檢測，冶金、化工、高壓輸變電設備、熱加工流水線表面溫度測量，但不適合測量表面亮麗的鋁、不銹鋼等物體的表面溫度。紅外線輻射溫度計外形

激光僅用于瞄準紅外線輻射溫度計原理紅外輻射測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學透鏡及儀器與被測物的距離確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娦盘?。該信號?jīng)過放大器和信號處理電路，并按照設計的算法和目標發(fā)射率校正后，顯示出被測目標的溫度值。除此之外，還應考慮目標的黑度、測溫儀所在的環(huán)境條件，如氣溫、污染等因素對性能指標的影響，并作適合的修正。紅外輻射溫度計原理（續(xù)）測試時，按下手槍形測量儀的開關，將槍口射出的低功率紅色激光瞄準到被測物中央部位（瞄準用），這樣，被測物發(fā)出的紅外輻射能量就能準確地聚焦在紅外輻射溫度計“槍口”里面的光電池上。CPU根據(jù)距離、被測物表面黑度輻射系數(shù)、水蒸氣及粉塵吸收修正系數(shù)、環(huán)境溫度以及被測物輻射出來的紅外光強度等諸多參數(shù)，計算出被測物體的表面溫度。當被測物不是絕對黑體時，在相同溫度下，輻射能量將減小。比如十分光亮的物體只能發(fā)射或接收很少一部分光的輻射能量，因此必須根據(jù)預先標定過的溫度，輸入光譜黑度修正系數(shù)ελ（或稱發(fā)射本領系數(shù)）。測量時，必須保證被測物體的“熱像”充滿光電池的整個視場。因此與被測物距離不能太遠。紅外輻射溫度計原理框圖1－槍形外殼2－紅色激光瞄準系統(tǒng)3－濾光片4－聚焦透鏡紅外線輻射溫度計在菜肴保溫中的應用

紅外線輻射溫度計在非接觸測量食物溫度中的應用（續(xù)）紅色激光僅用于瞄準被測物測量冷藏牛奶溫度測量飯食溫度紅外線輻射溫度計非接觸測量管道的溫度紅外線輻射溫度計

在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀紅外線輻射溫度計用于人體額溫快速測量

紅外線輻射溫度計

測量電路板溫度IC的溫度測量紅外線輻射溫度計在非接觸測量功率電路設備溫度中的應用用于高壓電路的安全測量

紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）紅外線輻射溫度計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝修內(nèi)部的布線溫度升高可能引燃天花板

紅外線輻射溫度計非接觸測量鋼水的溫度

高溫比色計在高溫非接觸測量

中的應用

高溫比色溫度計能抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，不受窗口玻璃影響，能瞄準,測量小目標，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標充滿，不需調(diào)焦就可準確測量。

高溫比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴重的鋼鐵、焦化和爐窯等應用現(xiàn)場。紅色黃色2.熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應用

熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應用。它可用于能產(chǎn)生遠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

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)射出的紅外線，而輸出電壓信號的傳感器。可以用于樓道自動開關、防盜報警、人體檢測等。例如：在房間無人時能自動減小空調(diào)機的功率；能判斷無人觀看電視或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關機；有人活動時開啟監(jiān)視器；自動門鈴；攝影機或數(shù)碼照相機自動記錄動物或人的活動，以避免長時間空白畫面而浪費計算機的硬盤空間。熱釋電效應某些電介質(zhì)如鋯鈦酸鉛（PZT，見第六章），表面溫度發(fā)生變化時，在電介質(zhì)的表面就會產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。紅外熱釋電傳感器由濾光片、熱釋電紅外敏感元件，高輸入阻抗放大器等組成。制作熱釋電敏感元件時，先把熱釋電材料制成很小的薄片，在薄片兩側(cè)鍍上電極，把兩個極性相反的熱釋電敏感元件并排，再反向串聯(lián)。紅外熱釋電

傳感器的

內(nèi)部結(jié)構(gòu)a）外形b）分體結(jié)構(gòu)c）內(nèi)部電氣接線圖d)濾光片的光譜特性1－濾光片2－管帽3－左、右敏感元件4－放大器5－管座6－引腳7－高阻值電阻R熱釋電傳感器的放大電路兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片場效應管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。菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡能將透鏡前面的一個物體，在其后面成像為水平方向的n個物體。當發(fā)光物體水平移動時，能產(chǎn)生閃爍效果。菲涅爾透鏡后面為熱釋電晶片菲涅爾透鏡外形

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。電路原理框圖及帶寬簡介在正常行走速度下，由菲涅爾透鏡產(chǎn)生的光脈沖調(diào)制頻率約為6Hz左右；當人體快速奔跑通過傳感器面前時，可能達到20Hz。再考慮到熒光燈、節(jié)能燈、LED燈的脈動頻閃為100Hz，所以信號調(diào)理電路中的放大器帶寬不應太寬,以0.1～20Hz為宜。帶寬窄,則干擾小,誤判率低；帶寬大,噪聲電壓大,可能引起誤報警。低頻段對應于慢速移動;展寬高頻段,有利于快速移動響應?，F(xiàn)已將點畫線框中的所有電路集成到一片厚膜電路中。熱釋電組件熱釋電報警器菲涅爾透鏡設定按鈕高分貝喇叭熱釋電報警器（續(xù)）菲涅爾透鏡Φ5mm接插件熱釋電報警器（續(xù)）

吸頂式熱釋電報警器熱釋電報警器（續(xù)）

無線報警式熱釋電報警器熱釋電傳感器的應用

熱釋電傳感器用于自動亮燈，當然也可以用于防盜。熱釋電傳感器的感應范圍熱釋電感應燈熱釋電傳感器自動感應燈熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應用

智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，單片機據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風量，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。上下范圍左右范圍色標傳感器

色飽和圖

色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色。人眼對各色光的敏感程度三基色合成色彩傳感器及信號處理示意圖1—紅、綠、藍濾色片2—玻璃基板3—α-Si4—透明導電膜5—公共電極6—背面引出電極7—遮光保護樹脂8—電流/電壓轉(zhuǎn)換器色彩傳感器的原理無定型硅（α-Si）制成的色彩傳感器能得到三色信號。在玻璃基板上按順序粘貼紅、綠、藍濾色鏡，分別與R、G、B三個輸出電極處于同一軸線上。α-Si本身的光譜靈敏度與人眼十分接近，峰值波長約為0.5~0.6

m。當光線透過紅、綠、藍濾光片后，就可以分別得到R、G、B三根光譜特性。色標傳感器的用途

色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色?？捎糜诎b、印刷、制藥、紡織、煙草等機械，以檢測色標。還可用于彩色材料的定位、定長、分切、糾偏、計數(shù)等功能。各種色標傳感器外形色標傳感器能識別紅、綠、藍等顏色色標傳感器外形（續(xù)）色標傳感器在流水線上檢測產(chǎn)品的顏色

用多個色標傳感器測量薄板的顏色產(chǎn)品包裝色彩檢測、分選二、被測物吸收部分光的應用實例1.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光電式濁度計工作原理1—恒流源2—半導體激光器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—標準水樣參比通道（抵消外界影響）

光電式濁度計工作原理光源發(fā)出的光線經(jīng)過半反半透鏡分成兩束強度相等的光線：一路光線穿過標準水樣8，到達光電池9，產(chǎn)生作為被測水樣濁度的參比信號；另一路光線穿過被測水樣品5到達光電池6，其中一部分光線被樣品介質(zhì)吸收，樣品水樣越混濁，光線衰減量越大，到達光電池6的光通量就越小。兩路光信號均轉(zhuǎn)換成電壓信號Uo1、Uo2，由運算器計算出Uo1、Uo2的比值，并進一步算出被測水樣的濁度。參比通道目的：當光源的光通量由于種種原因有所變化，或環(huán)境溫度變化引起光電池靈敏度發(fā)生改變時，由于兩個通道的結(jié)構(gòu)完全一樣，所以在最后運算：Uo1/Uo2值（其值的范圍是0～1）時，上述誤差可自動抵消，減小了測量誤差。類似結(jié)構(gòu)還可以制成光電比色計、血色素濃度測量、化學分析等。2．煙霧報警器

無煙霧時，光敏晶體管接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災發(fā)生時，煙霧進入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏晶體管的輸出信號減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報警信號。1－紅外發(fā)光二極管2－煙霧檢測室3－透煙孔4－紅外光敏晶體管5－煙霧三、被測物體反射光的應用實例

1.反射式煙霧報警器

賓館等場所強制安裝火災報警器：火災發(fā)生時伴隨有光和熱的化學反應。物質(zhì)在燃燒過程中一般有下列現(xiàn)象發(fā)生：（1）產(chǎn)生熱量：使環(huán)境溫度升高，可以用各種溫度傳感器來測量。但是在燃燒速度非常緩慢的情況下，火災初期的環(huán)境溫度上升不易鑒別的。（2）產(chǎn)生可燃性氣體：有機物在燃燒的初始階段,首先釋放出來的是可燃性氣體,如CO等?？梢杂脷饷魴z測。（3）產(chǎn)生煙霧:煙霧是人們?nèi)庋勰芤姷降奈⑿腋☆w粒。煙霧有很大的流動性,可潛入煙霧傳感器中,是檢測比較有效的火災的手段,可以用反射式光電傳感器檢測。（4）產(chǎn)生火焰：可利用紫外管檢測,但需設計帶通濾波器,只讓檢測紫外線的抖動信號通過,避開太陽光的照射.反射式煙霧報警器原理示意圖1－紅外發(fā)光二極管2－煙霧檢測室3－透煙孔4－紅外光敏晶體管5－黑色吸光絨布6－煙霧煙霧報警器外形在沒有煙霧時，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晶體管。當煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射，使部分紅外光到達光敏晶體管。煙霧報警無線煙霧報警器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器無線火災煙霧傳感器無線火災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分貝的斷續(xù)報警聲，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，通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去。無線發(fā)