《光电传感器的原理以及应用.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电传感器的原理以及应用.ppt（68页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第7章 光电传感器 7.1 7.1 光电传感器引入光电传感器引入 以数码相机为例以数码相机为例 7.2 光电效应和光电器件外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应:在在光光线线作作用用下下使使物物体体的的电电子子逸逸出出表表面面的的现现象象。如如光光电电管、光电倍增管管、光电倍增管内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应:在在光光线线作作用用下下能能使使物物体体电电阻阻率率改改变变的的现现象象，如如光光敏敏电电阻阻等属于这类光电器件。等属于这类光电器件。阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应(光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应):):在在光光线线作作用用下下能能
2、使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势势的的现现象象。如光电池、光敏晶体管等如光电池、光敏晶体管等7.2.1 光电效应和光电器件外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应:在在光光线线作作用用下下使使物物体体的的电电子子逸逸出出表表面面的的现现象象。如光电管、光电倍增管如光电管、光电倍增管内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应:在在光光线线作作用用下下能能使使物物体体电电阻阻率率改改变变的的现现象象，如如光敏电阻等属于这类光电器件。光敏电阻等属于这类光电器件。阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应(光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应):):在在光光线
3、线作作用用下下能能使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势的现象。如光电池、光敏晶体管等势的现象。如光电池、光敏晶体管等下一页返 回1 光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。子流，在外电路中便产生了电流。上一页下一页返 回真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管:构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅
4、是在玻璃泡内充以少量的惰性气体所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差 上一页下一页返 回6 紫外管外形 当入射紫外线当入射紫外线照射在紫外管阴极照射在紫外管阴极板上时，电子克服板上时，电子克服金属表面对它的束金属表面对它的束缚而逸出金属表面，缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫形成电子发射。紫外管多用于紫外线外管多用于紫外线测量、火焰监测等。测量、火焰监测等。紫外线紫外线2 光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电
5、倍增管：放大光电流光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极组成：光电阴极+若干倍增极若干倍增极+阳极阳极 上一页下一页返 回光电倍增管的结构 与工作原理l光电阴极光电倍增极阳极光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有倍增极上涂有Sb-Cs(锑锑-铯铯)或或Ag-Mg等光敏材等光敏材料，并且电位逐级升高料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射二次电子发射 二次电子发射系数二次电子发射系数 =二次发射电子树入射电子数二次发射电子树入射电子数若倍增极有若倍增极有n，则倍增率为，则倍增率为n上一页下一页返 回3 光敏电阻1.光敏电阻的工作
6、原理及结构光敏电阻的工作原理及结构2光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数3光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性上一页下一页返 回(1)光敏电阻的工作原理及结构光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值当无光照时，光敏电阻值(暗电阻暗电阻)很大，电路中电流很小很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值当有光照时，光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少，电流迅速增加急剧减少，电流迅速增加上一页下一页返 回光敏电阻的结构 1.玻璃玻璃 2.光电导层光电导层 3.电极电极 4.绝缘衬底绝缘衬底 5.金属壳金属壳 6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃 7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，光敏电阻的灵敏
7、度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。上一页下一页返 回半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定而且体积小、重量轻、性能稳定 梳梳状状电电极极 上一页下一页返 回2 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流）暗电
8、阻和暗电流 光光敏敏电电阻阻在在室室温温条条件件下下，在在全全暗暗后后经经过过一一定定时时间间测测量量的的电电阻阻值值，称称为为暗暗电电阻阻。此此时时流流过过的的电电流，称为暗电流。流，称为暗电流。（2）亮电阻）亮电阻 光光敏敏电电阻阻在在某某一一光光照照下下的的阻阻值值，称称为为该该光光照照下下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流。上一页下一页返 回3光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性（1）伏安特性伏安特性（2）光照特性光照特性（3）光谱特性光谱特性（4）响应时间和频率特
9、性响应时间和频率特性（5）温度特性温度特性上一页下一页返 回（1）伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。上一页下一页返 回（2）光照特性 l光敏电
10、阻的光电流与光强之间的关系光敏电阻的光电流与光强之间的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。上一页下一页返 回（3）光谱特性 l光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 上一页下一页返 回（4）响应时间和频率特性l光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。光的变化，在时间上有一个滞后。l通常用响应时间通常用响应时间t表示。表示。上
11、一页下一页返 回光敏电阻的频率特性 l不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。所以它们的频率特性也就不尽相同。上一页下一页返 回（5）温度特性 l光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性硫化镉光敏电阻的温度特性 温度系数温度系数:在一定光照下，温度每变化在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均变化率光敏电阻阻值的平均变化率 上一页下一页返 回温度对光谱特性影响 l随随着着温温度度升升高高，光光谱谱响响应应峰
12、峰值值向向短短波波方方向向移移动动。因因此此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 上一页下一页返 回4 光敏二极管和光敏晶体管 l1 工作原理工作原理l2 基本特性基本特性上一页下一页返 回(1)工作原理工作原理l结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态的在电路中一般是处于反向工作状态的 光敏二极管光敏二极管上一页下一页返 回24光敏二极管的反向偏置接线（参光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示考上
13、页图）及光电特性演示 在没有光照时，由于二在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。流（暗电流）很小。当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比关系。比关系。光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照光敏晶体管 l与一般晶体管很相似，具有两个与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。上一页下一页返 回2 基本特性基本特性（1）光谱特性）光谱特性（2）伏安特性）伏安特性（3）光照特性）光照特性（4）温度特性）温度特性（5）
14、频率响应）频率响应上一页下一页返 回（1）光谱特性l入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。上一页下一页返 回（2）伏安特性上一页下一页返 回硅硅光光敏敏管管的的伏伏安安特特性性 （3）光照特性 硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 上一页下一页返 回（4）温度特性l其
15、暗电流及光电流与温度的关系其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。上一页下一页返 回（5）频率响应l具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流光电流(或负载上的电压或负载上的电压)随频率的变化关系随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应 上一页下一页返 回32光敏三极管外形 5 光电池光电池l有有光光线线作作用用下下实实质质上上就就是是电电源源，电电路路中中有了这种器件就不再需要外加电源。有了这种器件就不再需要外加电源。1.工作原理工作原理2基本特性
16、基本特性上一页下一页返 回(1)工作原理工作原理l直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的面积的pn结。当光照射到结。当光照射到pn结上时，便在结上时，便在pn结的两端产生电动势结的两端产生电动势(p区为正，区为正，n区为负区为负)。l用用导导线线将将pn结结两两端端用用导导线线连连接接起起来来，就就有有电电流流流流过过，电电流流的的方方向向由由P区区流流经经外外电电路路至至n区区。若若将电路断开，就可以测出光生电动势。将电路断开，就可以测出光生电动势。上一页下一页返 回(2)基本特性基本特性(1)光谱特性光谱特性(2)光照特性光照特性(3)频率响
17、应频率响应(4)温度特性温度特性(5)稳定性稳定性上一页下一页返 回（1）光谱特性l光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的 上一页下一页返 回(2)光照特性 l不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用 上一页下一页返 回光电池的短路电流 l外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下外接负载电阻相对于它的内阻
18、来说很小情况下的电流值。的电流值。负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽 上一页下一页返 回(3)频率响应 l指输出电流随调制光频率变化的关系指输出电流随调制光频率变化的关系 硅光电池具有较高的频率响应硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换用于高速计数的光电转换 上一页下一页返 回(4)温度特性l开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压和短路电流随温度变化的关系。l关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标测量精度或控制精度等重要指标
19、硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性(照度照度1000lx)上一页下一页返 回(5)稳定性l当光电池密封良好、电极引线可靠、应当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定硅光电池的性能比硒光电池更稳定 l影响性能和寿命因素影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺光电池的材料及制造工艺使用环境条件使用环境条件 上一页下一页返 回42光电池外形光敏面光敏面43能提供较大电流的大面积光电池外形44光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能太阳能 硅光电池板硅光电池板45光电池在动力方面的应用（续）太阳能
20、发电太阳能发电46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6 光电式传感器的应用l模拟式传感器模拟式传感器l脉冲式传感器脉冲式传感器上一页下一页返 回1 模拟式光电传感器模拟式光电传感器l基于光电器件的光电流随光通量而发生基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是变化，是光通量的函数光通量的函数。对对于于光光通通量量的的任任意意一一个个选选定定值值，对对应应的的光光电电流流就就有有一一个个确确定定的的值值，而而光光通通量量又又随随被被测测非非电电量量的的变变化化而而变变化化，这这样样光光电电流就成为被测非电量的函数。流就成为被测非电量的函数。上一页下一页返
21、回49 1.1.光电式浊度计光电式浊度计和含沙量测量和含沙量测量将装有浊水的试管将装有浊水的试管插入仪器中插入仪器中50图 7.1.7 光光电比色比色计的工作原理的工作原理光光电比色比色计：51光电式浊度计工作原理 1 1恒流源恒流源 2 2半导体激光器半导体激光器 3 3半反半透镜半反半透镜 4 4反射镜反射镜 5 5被测水样被测水样 6 6、9 9光电池光电池 7 7、1010电流电流/电压转换器电压转换器 8 8标准水样标准水样 参比通道参比通道 被被测物吸收光通量物吸收光通量522.无线烟雾报警器 可发出高分贝可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器笛鸣声的蜂鸣器53反射式烟雾反射式烟雾报警器报警器
22、 在没有烟雾在没有烟雾时，由于红外对时，由于红外对管相互垂直，烟管相互垂直，烟雾室内又涂有黑雾室内又涂有黑色吸光材料，所色吸光材料，所以红外以红外LED发出发出的红外光无法到的红外光无法到达红外光敏三极达红外光敏三极管。管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。光电流输出。被被测物体反射光通量物体反射光通量54无线烟雾报警器内部结构 可发出高分贝可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器笛鸣声的蜂鸣器2 脉
23、冲式光电传感器脉冲式光电传感器光光电电器器件件的的输输出出仅仅有有两两个个稳稳定定状状态态，也也就是就是“通通”与与“断断”的开关状态。的开关状态。光光电电器器件件受受光光照照时时，有有电电信信号号输输出出，光光电电器器件件不不受受光光照照时时，无无电电信信号号输输出出。属属于于这这一一类类的的大大多多是是作作继继电电器器和和脉脉冲冲发发生生器器应应用用的的光光电电传传感感器器，如如测测量量线线位位移移、线线速速度度、角角位位移移、角角速速度度(转转速速)的的光光电电脉冲传感器等等。脉冲传感器等等。上一页下一页返 回光电式数字转速表 上一页返 回57图7.1.8 光光电转速速计的工作原理的工作
24、原理光电转速计光电转速计分为反射式和透射式两类：分为反射式和透射式两类：58 此光电此光电式转速表属式转速表属于反射式光于反射式光电传感器，电传感器，它可以在距它可以在距被测物数十被测物数十毫米外非接毫米外非接触地测量其触地测量其转速。转速。n=60(f/z)59水泵转速测量604.光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测器 光电传感器光电传感器 带材走偏带材走偏时，边缘经常时，边缘经常与传送机械发与传送机械发生碰撞，易出生碰撞，易出现卷边，造成现卷边，造成废品。废品。当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积
25、减小，输出电压反映了带为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。材跑偏的方向及大小。5.光电电源l光电池组光电池组:若干型号相同的光电池，经串、并联。若干型号相同的光电池，经串、并联。l有光照有光照时光电池组发电，为负载供电，并对蓄电池充电。时光电池组发电，为负载供电，并对蓄电池充电。l无光照无光照时，蓄电池向负载供电。时，蓄电池向负载供电。l二极管二极管的作用的作用:防止无光照时，蓄电池通过光电池组放电防止无光照时，蓄电池通过光电池组放电.l光电池是光电池是航天工业航天工业的重要电源，也可作为的重要电源，也可作为航标灯航标灯、高速公高速公路警示灯路警示灯等野外无人
26、值守设备的电源。等野外无人值守设备的电源。图 7.1.9 光光电池池电源源电路框路框图6.白度计l白度白度:衡量物体表面对可见光全波长辐射反射衡量物体表面对可见光全波长辐射反射率的一个参数，在纺织、丝绸、造纸、化工等率的一个参数，在纺织、丝绸、造纸、化工等行业中有广泛的应用。行业中有广泛的应用。62由于被测物的白度小于由于被测物的白度小于100%100%（度），所（度），所以标准电势总是大于被测电势。以标准电势总是大于被测电势。调节调节使使检检流流计计两端的两端的电电位相等，便可通位相等，便可通过过白白度度计计的指的指针针指示出被指示出被测测物的白物的白度。度。图7.1.10 白度白度计原理原
27、理光电传感器实物介绍 光敏电阻光敏电阻 广泛应用于各种自动控制电路（如自动广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节家用电器（如电视机中的亮度自动调节,照相机的自动曝光控制等）及各种测量照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。仪器中。光敏二极管 广泛应用于光电开关、光电控制检测，广泛应用于光电开关、光电控制检测，自动化控制等领域，使用时，反向接入自动化控制等领域，使用时，反向接入电路中。电路中。光敏三极管 比光敏二极管灵敏度高，用于光电自动比光敏二极管灵敏度高，用于光电自动控制、光电计数、光电传感器
28、中作光电控制、光电计数、光电传感器中作光电信号转换。信号转换。光照度传感器 照度定义为投射到单位面积上的光通量，照度定义为投射到单位面积上的光通量，单位为勒克斯单位为勒克斯lx。适用于农业大棚、城市。适用于农业大棚、城市照明、建筑环境、路灯控制等场所照度照明、建筑环境、路灯控制等场所照度测量。测量。硅光电池 硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的个大面积的PN结，利用光生伏特效应，受结，利用光生伏特效应，受到光照时产生大的电动势和电流。可用在光到光照时产生大的电动势和电流。可用在光电探测器和光通信等领域。电探测器和光通信等领域。环境亮度传感器环境亮度传感器 亮度指光强度亮度指光强度dIv与面元与面元ds在垂直于发光在垂直于发光强度方向上的投影面积之比，单位为每强度方向上的投影面积之比，单位为每平方米面积上的光强度（平方米面积上的光强度（cd/m2）。用）。用于环境亮度测量。于环境亮度测量。