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1、电气工程学院电气工程学院电气工程学院电气工程学院17光电式传感器光电式传感器光电式传感器是以光电式传感器是以光电效应光电效应为基础，将光信号转换成电信为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。
2、领域中。工业生产和现实生活中光电传感器的应用工业生产和现实生活中光电传感器的应用非常广泛非常广泛，现，现举几个常见的实例。举几个常见的实例。27光电式传感器光电式传感器照相机自动测光工业测光亮度传感器通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。37光电式传感器光电式传感器光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移与光敏晶体管组合来测量位移47光电式传感器光电式传感器57光电式传感器光电式传感器7.1光电效应及光电器件光电效应及光电器件光光照照射射在在物物体体上上可可以以看看成成是是一一连连串串的的具具有有一一定
3、定能能量量的的光光子子轰轰击击这这些些物物体体的的表表面面。所所谓谓光光电电效效应应是是指指物物体体吸吸收收了了光光能能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应一般分为光电效应一般分为外光电效应、内光电效应和光生伏特外光电效应、内光电效应和光生伏特效应效应三类。后两类又称为三类。后两类又称为内光电效应内光电效应，根据这些效应可制成，根据这些效应可制成不同的光电转换器件不同的光电转换器件(或称光敏元件或称光敏元件)。67光电式传感器光电式传感器19051905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说
4、解释了光电年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得发射效应，并为此而获得发射效应，并为此而获得发射效应，并为此而获得19211921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。77光电式传感器光电式传感器7.1.1.外光电效应外光电效应在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应外光电效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。电效应的物质称为光电材料。根据爱因斯坦假设
5、：一个电子只能接受一个光子的能量。因根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量E 大于该物大于该物体的表面逸出功体的表面逸出功A0。h h_普朗克常数普朗克常数 f_光的频率光的频率;每个光子具有的能量：每个光子具有的能量：光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。物体。87光电式传感器光电式传感器1当光子能量大于逸出功时，才会有光电子发射出来，才会产生外光电效当光子能量大于逸出功时，才会有光电子发射出来，才会产生外光电效应。
6、各种不同的材料具有不同的逸出功应。各种不同的材料具有不同的逸出功A0，因此对某特定材料而言，将有一，因此对某特定材料而言，将有一个频率限个频率限f0(或波长限或波长限0)，称为，称为“红限红限”。显然，如果入射光的频率低与于。显然，如果入射光的频率低与于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。当入射频红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。当入射频率高于率高于fo时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。出的电子数目越多。2当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强
7、度成正比。当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。3由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需加反向电压才能使其截止。加反向电压才能使其截止。也就是单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使也就是单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使自由电子的能量增加自由电子的能量增加hf。这些能量一部分用作电子逸出物体表。这些能量一部分用作电子逸出物体表面的逸出功面的逸出功A0，另一部分变电子的初动能，另一部分变电子的初动能EK。即。即97光电式传感器光电式传感器7.1.2.7.1.2.内光电效应内光
8、电效应在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电阻率发生变化的效应称为内光电效应。阻率发生变化的效应称为内光电效应。内光电效应分为：光电导效应、光生伏特效应内光电效应分为：光电导效应、光生伏特效应光生电子光生电子光生电子光生电子-空穴对空穴对空穴对空穴对1.1.光电导效应：光电导效应：半导体材料受到光照时会产半导体材料受到光照时会产生电子生电子-空穴对，使其导电性空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的这种光照后电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。基于现象，称为光
9、电导效应。基于这种效应的光电器件有这种效应的光电器件有光敏电光敏电阻和光敏二、三极管阻和光敏二、三极管 。107光电式传感器光电式传感器7.1.3.7.1.3.光生伏特效应：光生伏特效应：半导体材料受到光照后，在半导体材料受到光照后，在PN结上产生一定方向电结上产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应型器件是自发电式的，是有源器件。光生伏特效应型器件是自发电式的，是有源器件。常用的光生伏特器件有光电池。常用的光生伏特器件有光电池。117光电式传感器光电式传感器7.2光电器件及其特性光电器件及其特性|光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管|光敏电阻光敏电阻
10、|光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管|光电池光电池|半导体光电元件的特性半导体光电元件的特性127光电式传感器光电式传感器基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电光电管、光电倍增管倍增管等。光电管有等。光电管有真空光电管和充气光电管真空光电管和充气光电管。1.1.光光电电管管 光电光电管受管受光照光照发射发射电子电子 光电管的阴极光电管的阴极K受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻用下被具有一定电位的阳极
11、吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻RL上产上产生的电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极生的电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极K上的光成函数关系。上的光成函数关系。如果在玻璃管内充入惰性气体如果在玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等如氩、氖等)即构成即构成充气光电管充气光电管。由于光电子。由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵敏度。换的灵敏度。图7-2(a)光电管结构示意图图(b)光电管电路7.2.1光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管137光电式传感器光电式传感器 紫外
12、光电管外形紫外光电管外形 当当入入射射紫紫外外线线照照射射在在紫紫外外管管阴阴极极板板上上时时，电电子子克克服服金金属属表表面面对对它它的的束束缚缚而而逸逸出出金金属属表表面面，形形成成电电子子发发射射。紫紫外外管管多多用用于于紫紫外外线线测测量量、火火焰焰监测等。监测等。紫外线紫外线147光电式传感器光电式传感器2.2.光电倍增管光电倍增管当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，不易检测，这时常用当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，不易检测，这时常用光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度。如下图所示。在光电管的阴极光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度。如下图所示。在光电管的阴极与阳极之间安
13、装若干个倍增极与阳极之间安装若干个倍增极D1、D2、Dn，就构成了光电倍增管。，就构成了光电倍增管。光电倍增管的工作原理建立在光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础光电发射和二次发射的基础之上。工作时倍增极电位是之上。工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射逐级增高的，当入射光照射光电阴极光电阴极K时，立刻有电子时，立刻有电子逸出，逸出的电子受到第一逸出，逸出的电子受到第一倍增极倍增极D1正电位作用，使之正电位作用，使之加速打在加速打在D1倍增极上，产生倍增极上，产生二次电子发射。二次电子发射。157光电式传感器光电式传感器同同理理D1发发射射的的电电子子在在D2更更高高正正电电
14、位位作作用用下下，再再次次被被加加速速打打在在D2极极上上，D2又又会会产产生生二二次次电电子子发发射射，这这样样逐逐级级前前进进，直直到到电电子子被被阳阳极极A收收集集为为止止。通通常常光光电电倍倍增增管管的的阳阳极极与与阴阴极极间间的的电电压压为为1000 2500V，两两个个相相邻邻倍增电极的电位差为倍增电极的电位差为50 100V，其其灵灵敏敏度度比比普普通通真真空空光光电电管管高高几几万万到到几几百百万万倍倍，因因此此在在很很微微弱弱的的光光照照下下也也能能产产生很大的光电流。生很大的光电流。167光电式传感器光电式传感器u光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度光电阴极灵敏度和光电倍增管
15、总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。敏度很高，所以不能受强光照射，否则将
16、会损坏。177光电式传感器光电式传感器(1)(1)光电管光电管（2 2）光电倍增管）光电倍增管187光电式传感器光电式传感器1.光电管的光电特性光电管的光电特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量量与光电流与光电流I之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。如图所示。左图表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流左图表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量与光通量成线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量成线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电
17、管的灵敏度。之间比）称为光电管的灵敏度。图图4光电管的光照特性光电管的光照特性197光电式传感器光电式传感器图7-4 光电管的特性207光电式传感器光电式传感器2.光电管的伏安特性光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。（光电管的工光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的区域内）作点应选在光电流与阳极电压无关的区域内
18、）图图3a真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性图图3b充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性 217光电式传感器光电式传感器3.光电管光谱特性光电管光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的极限频一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的极限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴率，因此它们可用于不同的光
19、谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于极限频，并且强度相同，随着入射光频极上的入射光的频率高于极限频，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。227光电式传感器光电式传感器光敏电阻光敏电阻光敏电阻是一种用光导材料制成的光敏电阻是一种用光导材料制成的没有极性的光电元件，也称
20、光导管。没有极性的光电元件，也称光导管。纯粹是一个电阻器件。无光照时，纯粹是一个电阻器件。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，越大越好，亮电阻越小越好，此此时光敏电阻的灵敏度高。根据电流时光敏电阻的灵敏度高。根据电流值的变化，即可推算出照射光强的值的变化，即可推算出照射光强的大小。大小。237光电式
21、传感器光电式传感器如果把光敏电阻连接到外电路中，在如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：变电路中电流的大小：247光电式传感器光电式传感器257光电式传感器光电式传感器光敏电阻演示光敏电阻演示光敏电阻演示光敏电阻演示当光敏电阻当光敏电阻受到光照时，光受到光照时，光生电子生电子空穴对空穴对增加，阻值减小，增加，阻值减小，电流增大。电流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）267光电式传感器光电式传感器2)2)光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极光敏晶体管通常指光敏二极管和
22、光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体半导体PN结上，结上，PN结参与了光电转换过程。将光敏二结参与了光电转换过程。将光敏二极管的极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光照射。光照射到光敏二极管的可以直接受到光照射。光照射到光敏二极管的PN结时，电子结时，电子-空穴对数量增加，光电流与光空穴对数量增加，光电流与光照成正比。照成正比。277光电式传感器光电式传感器 光敏二极管光敏二极管的结构和普通二极管的结构和普通二极管相似，只是它的相似
23、，只是它的PNPN结装在管壳顶部，结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在照射在PNPN结上，光敏二极管在电路中结上，光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。处于反向偏通常处于反向偏置状态。处于反向偏置的置的PNPN结，在无光照时具有高阻特性，结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子空穴对，在结电场作用下，生电子空穴对，在结电场作用下，电子向电子向N N区运动，空穴向区运动，空穴向P P区运动，形区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大
24、。由于无光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此量级，因此光照时的反向电流基本上光照时的反向电流基本上与光强成正比与光强成正比。光光敏敏二二极极管管287光电式传感器光电式传感器297光电式传感器光电式传感器 光敏三极管光敏三极管有两个有两个PNPN结，因而结，因而可以获得电流增益，它比光敏二可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其结构极管具有更高的灵敏度。其结构如图所示。如图所示。光敏三极管光敏三极管 多数光敏三极管的基极没有多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（引出线，只有正负（c c、e e）两个）两个引
25、脚，所以其外形与光敏二极管引脚，所以其外形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。相似，从外观上很难区别。307光电式传感器光电式传感器光敏三极管外形光敏三极管外形317光电式传感器光电式传感器327光电式传感器光电式传感器光电池是基于光生伏特效应制成的。光电池是基于光生伏特效应制成的。由于它可以由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属池。因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的有源器件。以可见光作光源的光电池光电池是常用的光是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也生
26、伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。可以使用锗。PN结光生伏特效应原理图结光生伏特效应原理图 7.2.4光电池光电池337光电式传感器光电式传感器也称硅太阳能电池，它是也称硅太阳能电池，它是用单晶硅制成，在一块用单晶硅制成，在一块N型硅型硅片上用扩散的方法掺入一些片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的型杂质而形成一个大面积的P-N结，结，P层做得很薄层做得很薄,从而使光从而使光线能穿透到线能穿透到P-N结上。硅太阳结上。硅太阳能电池具有轻便、简单，不会能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应产生气体或热污染，易于适应环境。因此凡是不能铺设电缆环境。因此凡
27、是不能铺设电缆的地方都可采用太阳能电池，的地方都可采用太阳能电池，尤其适用于为宇宙飞行器的各尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。种仪表提供电源。硅光电池硅光电池347光电式传感器光电式传感器光电池光电池外形外形光敏面光敏面357光电式传感器光电式传感器能提供较大电流的大面积光电池外形能提供较大电流的大面积光电池外形367光电式传感器光电式传感器光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能硅光电池板太阳能硅光电池板377光电式传感器光电式传感器光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电太阳能发电387光电式传
28、感器光电式传感器光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用397光电式传感器光电式传感器太阳能广告屏太阳能广告屏/太阳能广告牌太阳能广告牌/太阳能广告灯箱太阳能广告灯箱407光电式传感器光电式传感器主要用于道路十字路口、道路变窄、路面障碍、事故易主要用于道路十字路口、道路变窄、路面障碍、事故易发路口等危险路段，通过发路口等危险路段，通过LED的闪烁发光，提醒司机行车的闪烁发光，提醒司机行车注意，控制车速行驶。注意，控制车速行驶。工作原理是利用太阳能电池白天将太阳能转化为电能储工作原理是利用太阳能电池白天将太阳能转化为电能储存在可充电
29、电池中，发光时存在可充电电池中，发光时LED将电能转化为光能，实现将电能转化为光能，实现太阳能黄闪灯的闪烁发光，从而起到引导交通的作用。太阳能黄闪灯的闪烁发光，从而起到引导交通的作用。417光电式传感器光电式传感器7.3光电式传感器的测量电路光电式传感器的测量电路7.3.1光电式传感器的常用光源光电式传感器的常用光源 光光源源是是许许多多光光电电传传感感器器的的重重要要组组成成部部分分，要要使使光光电电传传感感器器很很好好地地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。u发光二极管发光二极管 发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器
30、件。它具有体积小、功发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。u钨丝灯泡钨丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这
31、样，可有效防止其他光线的干扰。的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。u激光激光 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。好等优点，是很理想的光源。427光电式传感器光电式传感器测量电路测量电路光电管的测量电路光电管的测量电路437光电式传感器光电式传感器光电倍增管的测量电路光电倍增管的测量电路图图7-15光电倍增管的测量电路光电倍增管的测量电路447光电式传感器光电式传感器光敏电阻的测量电路光敏电阻的测量电路图图7-16光敏电阻开关电路光敏电阻开关电路457光电式传感器光电式
32、传感器图图7-16光敏电阻开关电路光敏电阻开关电路467光电式传感器光电式传感器光敏晶体管的测量电路光敏晶体管的测量电路光电池的测量电路光电池的测量电路同学们自己分析图7-17和图7-19的电路477光电式传感器光电式传感器7.4 7.4 光电传感器及其应用光电传感器及其应用工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。分类：按其接收状态可分为分类：按其接收状态可分为模拟式模拟式光电传感器和光电传感器和脉冲式脉冲式光电传感器光电传感器。487光电式传感器光电式传感器1.1.模拟
33、式光电传感器模拟式光电传感器模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性,其光通量是其光通量是随被测量而变随被测量而变,光电流就成为被测量的函数光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。被测物体位于恒定光源与光电元件之间被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透
34、明度、混浊度气体的透明度、混浊度,对气体进行成对气体进行成分分析分分析,测定液体中某种物质的含量等。测定液体中某种物质的含量等。恒定光源发出的光投射到被测物体上恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件被测物体把部分光通量反射到光电元件上上,根据反射的光通量多少测定被测物根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。粗糙度、表面缺陷、表面位移等。497光电式传感器光电式传感器被测物体位于恒定光源与光电元件之间被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部光源发出的
35、光通量经被测物遮去其一部分分,使作用在光电元件上的光通量减弱使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。厚度、线位移、角位移、振动等。被测物体本身就是辐射源，它可以直接被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火属
36、于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。报警和构成光照度计等。507光电式传感器光电式传感器 光电传感器在工业上的应用可归纳为光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式辐射式(直射式直射式)、吸收、吸收式、遮光式、反射式式、遮光式、反射式四种基本形式。四种基本形式。517光电式传感器光电式传感器遮光式527光电式传感器光电式传感器反射式反射式537光电式传感器光电式传感器透射式光电开关示意图透射式光电开关示意图547光电式传感器光电式传感器透射式光电开关原理透射式光电开关原理ObjectReceiver 透射式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射
37、器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。被检测物体光发射器光接收器557光电式传感器光电式传感器光电开关在光电开关在流水线上的应用流水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口透射式光电开关（计数）透射式光电开关（计数）567光电式传感器光电式传感器光幕光幕接收器接收器两个柱形结构两个柱形结构相对而立，每相对而立，每隔数十毫米安隔数十毫米安装一对发光二装一对发光二极管和光敏接极管和光敏接收管，形成光收管，形成光幕，当有物体幕，当有物体遮挡住光线时，遮挡住光线时，传感器发出报传
38、感器发出报警信号。警信号。577光电式传感器光电式传感器光幕应用光幕应用光线被遮断（报警）光线被遮断（报警）当有物体遮挡住光当有物体遮挡住光线时，传感器发出线时，传感器发出报警信号，起保护、报警信号，起保护、预警等作用。预警等作用。587光电式传感器光电式传感器 光幕应用（续）光幕应用（续）产品高度测量产品高度测量597光电式传感器光电式传感器三维尺寸检测三维尺寸检测宽度测量宽度测量长度测量长度测量高度测量高度测量 光幕应用（续）光幕应用（续）607光电式传感器光电式传感器 光幕应用（续）光幕应用（续）木材外形截面积检测木材外形截面积检测617光电式传感器光电式传感器光幕应用（续）光幕应用（续
39、）纠偏纠偏光光幕幕可可检检测测出出带带材材在在卷卷曲曲过过程程中中的的偏偏移移，经经控控制制器器和和执执行行机机构构使使带带材材向向正正确确的的方方向运动（纠偏）。向运动（纠偏）。627光电式传感器光电式传感器光幕用于自动收费系统光幕用于自动收费系统的车辆检测的车辆检测红外线车辆分离器红外线车辆分离器:专为公路自动收费系专为公路自动收费系统的车辆分离检测和统的车辆分离检测和分类检测而设计分类检测而设计；用于判断车辆的结束用于判断车辆的结束从而计算整车重量；从而计算整车重量；完全消除跟车现象，完全消除跟车现象，将半挂车、全挂车、将半挂车、全挂车、单车可靠分离，保证单车可靠分离，保证检测数据与车辆
40、的一检测数据与车辆的一一对应关系。一对应关系。光幕应用（续）光幕应用（续）637光电式传感器光电式传感器光幕应用（续）光幕应用（续）锻压机床的锻压机床的安全区域安全区域设置设置 及入侵报警及入侵报警647光电式传感器光电式传感器光幕应用（续）光幕应用（续）安全区示警安全区示警657光电式传感器光电式传感器反射型光电开关反射型光电开关 反反射射型型光光电电开开关关分分为为两两种种情情况况：反反射射镜镜反反射射型型及及被被测物漫反射型（简称散射型）。测物漫反射型（简称散射型）。反反射射镜镜反反射射型型光光电电开开关关采采用用较较为为方方便便的的单单侧侧安安装装方方式式，但但需需要要调调整整反反射射
41、镜镜的的角角度度以以取取得得最最佳佳的的反反射射效效果果。反反射射镜镜通通常常使使用用三三角角棱棱镜镜，它它对对安安装装角角度度的的变变化化不不太太敏敏感感，有有的的还还采采用用偏偏光光镜镜，它它能能将将光光源源发发出出的的光光转转变变成成偏偏振振光光（波波动动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。667光电式传感器光电式传感器定区域反射式光电开关原理定区域反射式光电开关原理 定定区区域域式式光光电电开开关关有有一一个个非非常常确确定定的的检检测测区区域域，不不经经过过该该区区域域的的被被测测物物体体不不会会引引起起光光电电开关产生开关信号。开
42、关产生开关信号。检测距离检测距离677光电式传感器光电式传感器反射型光电开关及反射镜外形反射型光电开关及反射镜外形 三角反射镜三角反射镜集发射、接收器于一身集发射、接收器于一身687光电式传感器光电式传感器反射镜反射型光电开关工作原理反射镜反射型光电开关工作原理 反反射射镜镜反反射射型型光光电电开开关关集集光光发发射射器器和和光光接接受受器器于于一一体体，与与反反射射镜镜相相对对安安装装配配合合使使用用。反反射射镜镜使使用用偏偏光光三三角角棱棱镜镜，能能将将发发射射器器发发出出的的光光转转变变成成偏偏振振光光反反射射回回去去，光光接接收收器器表表面面覆覆盖盖一一层层偏偏光光透透镜镜，只只能能接
43、接受受反反射射镜镜反反射射回回来来的的偏偏振振光。光。反射板反射镜反射镜被测物体偏振光偏振光发射光发射光697光电式传感器光电式传感器被测物漫反射型光电开关原理被测物漫反射型光电开关原理 漫漫反反射射型型光光电电开开关关集集光光发发射射器器和和光光接接受受器器于于一一体体。当当被被测测物物体体经经过过该该光光电电开开关关时时，发发射射器器发发出出的的光光线线经经被被测测物物体体表表面面反反射射由由接接受受器器接接受受，于于是是产产生生开关信号。开关信号。漫反射光线反射光线光发射器和光接受器发射光线额定距离额定距离被检测物体707光电式传感器光电式传感器漫反射型光电开关的应用漫反射型光电开关的应
44、用717光电式传感器光电式传感器反射型光电开关外形反射型光电开关外形电源指示电源指示信号指示信号指示727光电式传感器光电式传感器反射型光电开关外形（续）反射型光电开关外形（续）灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器737光电式传感器光电式传感器光电开关应用光电开关应用透明度测量、控制透明度测量、控制质量检测质量检测747光电式传感器光电式传感器光电开关应用（续）光电开关应用（续）加工控制加工控制757光电式传感器光电式传感器光电开关应用（续）光电开关应用（续）机械手定位机械手定位767光电式传感器光电式传感器光电开关应用（续）光电开关应用（续）商标方向检测商标方向检测777光电式传感器光电式传感器
45、光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。7.5常见光电传感器及应用常见光电传感器及应用1 1：光电测速模型：光电测速模型原理：在被测转速的电原理：在被测转速的电机上固定一个调制盘，机上固定一个调制盘，将光源发出的恒定光调将光源发出的恒定光调制成随时间变化的调制制成随时间变化的调制光。光线每照射到光电光。光线每照
46、射到光电器件上一次，光电器件器件上一次，光电器件就产生一个电信号脉冲，就产生一个电信号脉冲，经放大器整形后记录。经放大器整形后记录。787光电式传感器光电式传感器光电测速模型的两种形式光电测速模型的两种形式797光电式传感器光电式传感器光电式转速表光电式转速表n=60(f/z)光电式转速表属光电式转速表属于反射式光电传感器，于反射式光电传感器，它可以在距被测物数它可以在距被测物数十毫米外非接触地测十毫米外非接触地测量其转速。量其转速。807光电式传感器光电式传感器水泵转速测量水泵转速测量817光电式传感器光电式传感器2.2.透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用透射式光电传感器及在烟尘浊度监
47、测上的应用透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支架上。当槽内无物体时，发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从而产架上。当槽内无物体时，发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从而产生大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别生大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面。向、转速等方面
48、。透射型透射型BYD3M.TDT光电传感器使用示意图光电传感器使用示意图 827光电式传感器光电式传感器防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的
49、吸收和折射增加，到达光检测器的光减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。吸收式烟尘浊度监测系统组成框图吸收式烟尘浊度监测系统组成框图 837光电式传感器光电式传感器光电式浊度计和含沙量测量光电式浊度计和含沙量测量将装有浊水的试管插入仪器中将装有浊水的试管插入仪器中847光电式传感器光电式传感器3.3.光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测器带材跑偏检测器用来检测带带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向的大小及方向,从而为纠偏控制从而为纠偏控制电路提供纠偏信号电路提供纠偏信号
50、,主要用于印主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过染、送纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑偏检测器程中。光电式带材跑偏检测器原理如图所示。光源发出的光原理如图所示。光源发出的光线经过透镜线经过透镜1会聚为平行光束会聚为平行光束,投向透镜投向透镜2,随后被会聚到光敏随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜电阻上。在平行光束到达透镜2的途中的途中,有部分光线受到被测带有部分光线受到被测带材的遮挡材的遮挡,使传到光敏电阻的光使传到光敏电阻的光通量减少。通量减少。带材跑偏检测器工作原理带材跑偏检测器工作原理857光电式传感器光电式传感器带材纠偏系统带材纠偏系统 带带材材走走偏偏时时，边边缘缘经经常