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1、2023/5/22,1,第6章光电式传感器及应用,2023/5/22,2,引言,光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将被测非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件3部分组成。光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此在自动检测，计算机和控制系统中，应用非常广泛。光电式传感器的物理基础是光电效应。,2023/5/22,3,主要内容,6.1光电效应及光电元器件 6.2光电式传感器的实用电路 6.3光纤传感器 6.4红外传感器,2023/5/22,4,6.1光电效应及光电元器件,光电式传感器的工作
2、原理是基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二象性，光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。具有的能量h正比于光的频率（h普朗克常数）。每个光子具有的能量为 E=h,6.1.1 光电效应及分类,2023/5/22,5,特点,对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为h的光子所轰击，组成该物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。,2023/5/22,6,光电响应的类型,（1）外光电效应。真空管元件（2）内光电效应。（3）光生伏特效应。（2）、（3）类属于半导体元件。,2023/5/22,7,光学单位,流明
3、（lm）和勒克斯（lx）两个光学单位。所谓流明是光通量的单位，所有的灯都以流明表征输出光通量的大小。勒克斯是照度的单位，它表征受照物体被照程度的物理量。,2023/5/22,8,6.1.2 光电元器件及基本测量电路,（1）结构与工作原理。它们是利用外光电效应制成的光电元件。,1光电管、光电倍增管,光电管的结构,2023/5/22,9,光电子的能量,当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，自由电子就可以克服金属表面束缚而逸出，形成逸出电子。这种逸出的电子称为光电子，光电子逸出金属表面的初速度可由爱因斯坦光电效应方程确定。（1/2）m2=hA,2023/5/22,10,特点,当阴极金属材料选定后
4、，要使阴极金属表面有电子逸出，入射光的频率要大于某一最低限度，否则当h小于A时，不管光通量有多大，都不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。当h大于A时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流I就越大。,2023/5/22,11,光电管符号及测量电路,光电管正常工作时，阳极电位高于阴极电位。在入射光频率大于“红限”的前提下，当光电管阳极加上适当电压（几十伏）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。,2023/5/22,12,光电倍增管,光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子，并使电子获得倍增的电真空器件。它有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比
5、大，线性好，多用于微光测量。光电倍增管由两个主要部分构成：阴极室和若干光电倍增极组成的二次发射倍增系统,2023/5/22,13,结构示意图,在它的阴极与阳极之间设置许多二次倍增极D1、D2、D3、，它们又称为第1倍增极、第2倍增极，相邻电极之间通常加上100V左右的电压，其电位逐级提高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差一般在。6001200V左右。,光电倍增管结构示意图,2023/5/22,14,光电倍增管的基本电路,2023/5/22,15,原理,当微光照射阴极K时，从阴极K上逸出的光电子在D1的电场作用下，以高速向倍增极D1射去，产生二次发射，于是更多的二次发射的电子又在D2电场作用
6、下，射向第二倍增极，激发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所收集。若每级的二次发射倍增率为m，共有n级（通常可达911级），则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大mn倍，因此光电倍增管的灵敏度极高。,2023/5/22,16,光电倍增管的稳定性,各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、Rn获得的，阳极电流流经电阻RL得到输出电压Uo。当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容C1、C2、Cn和输出隔离电容C0都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接。当入射光通量为脉冲量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴
7、极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接入隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接入，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。,2023/5/22,17,（2）光电管特性,光电特性。,光电管光电特性曲线,2023/5/22,18,伏安特性。,2023/5/22,19,光谱特性。,2023/5/22,20,其他特性,光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性，暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和有关手册合理选用。,2023/5/22,21,2光敏电阻,光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载
8、能力强和寿命长等特点,2023/5/22,22,（1）光敏电阻的工作原理和结构。,光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。,2023/5/22,23,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时，阻值减小。,2023/5/22,24,（2）光敏电阻的基本特性和主要参数。,暗电阻和暗电流。亮电阻和亮电流。伏安特性。,光敏电阻的伏安特性,2023/5/22,25,（2）光敏电阻的基本特性和主要参数（续）,光电特性。光谱特性。,某光敏电阻的光电特性,光敏电阻的光谱特性,2023/5/22,26,（2）光敏电阻的基本特性和主要参数（续）,响应时间。温度特性。,2023/5/22,27,常用光电导材料,2023/5/22
9、,28,3光敏晶体管,光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。光敏晶闸管主要应用于光控开关电路,2023/5/22,29,（1）光敏晶体管结构与工作原理,光敏二极管。通常处于反向偏置状态。当没有光照射时，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。,1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引脚 6N型衬底 7SiO2保护圈8SiO2透明保护层 9铝引出电极 10P型扩散层 11PN结 12金属
10、引出线,2023/5/22,30,光敏二极管外形,光敏二极管阵列,包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。,2023/5/22,31,红外发射、接收对管外形,红外发射管,红外接收管,2023/5/22,32,光敏三极管,集电极电流是原始光电电流的倍。因此，光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高许多倍。,光敏三极管,2023/5/22,33,光敏三极管外形,2023/5/22,34,光敏晶闸管,光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管 光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有的可达数百伏，导通电流比光敏三极管大得多，因此输出功率很大，在自动检测控制和日常生活中应用会越来越广泛。,202
11、3/5/22,35,光敏晶闸管外形,光敏面,2023/5/22,36,（2）光敏晶体管的基本特性。,光谱特性。,图6-16 光敏晶体管的光谱特性 1硅光敏晶体管 2锗光敏晶体管,2023/5/22,37,伏安特性,2023/5/22,38,光电特性,图6-18 光敏晶体管的光电特性 1光敏二极管的光电特性 2光电三极管的光电特性,2023/5/22,39,温度特性 频率特性 响应时间,2023/5/22,40,4.光电池,光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出光电流。常用的光电池有两种，一种是金属半导体型，另一种是PN结型，如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。,2
12、023/5/22,41,硅光电池的结构及工作原理,用导线连接P区和N区，电路中就有电流流过,2023/5/22,42,光电池外形,光敏面,2023/5/22,43,能提供较大电流的大面积光电池外形,2023/5/22,44,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,2023/5/22,45,（2）光电池的基本特性,光谱特性 光电特性 温度特性 频率特性,光电池和光谱特性曲线,1硅光电池 2硒光电池,硅光电池的光电特性,1开路电压特性曲线 2短路电流特性曲线,光电池的温度特性,光电池的频率特性,2023/5/22,47,（3）短路电流的测量,Uo=-UR f=-I Rf该电路的输出
13、电压Uo与光电流I成正比，从而达到电流/电压转换关系。,光电池短路电流测量电路,2023/5/22,48,5.光电耦合器件,由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。,2023/5/22,49,（1）光电耦合器,光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器，它具有抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。,光电耦合器组合形式,2
14、023/5/22,50,（2）光电开关,光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。,2023/5/22,51,典型的光电开关结构,1发光元件 2接收元件 3壳体 4导线 5反射物 6窗体,2023/5/22,52,光电开关外形,2023/5/22,53,应用范围,用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高低”之分即可。,2023/5/22,54,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
15、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。,2023/5/22,55,（3）光电断续器,工作原理与光电开关的相同，但其光电发射器、接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以两者能可靠地对准。分为遮断型和反射型2种。,2023/5/22,56,光电断续器,1发光二极管 2红外光 3光电元件 4槽 5被测物,2023/5/22,57,光电断续器外形,2023/5/22,58,光电断续器外形（续）,红色光柱,2023/5/22,59,齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。,光电断续器的应
16、用,请写出转速与频率的关系式,n=？,n,2023/5/22,60,6.2光电式传感器的实用电路,非接触式测量，由光源、光学通路和光电元件3部分组成。按照被测物、光源、光电元件三者之间的关系4种类型,1被测物 2光电元件 3恒光源,2023/5/22,61,光电式传感器的几种形式,1被测物 2光电元件 3恒光源,2023/5/22,62,1.高温比色温度仪,根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长1、2上的辐射强度、之比与该物体的温度成指数关系，即K1、K2是与1、2及物体的黑度有关的常数。,2023/5/22,63,使用光电池制作非接触测温的高温比色温度仪,1高温物体 2物镜 3半反半透镜 4
17、反射镜 5目镜 6观察者眼睛 7光阑 8光导棒9镜 10、12滤光镜 11、13硅光电池 14、15电流/电压转换器,2023/5/22,64,2.光电比色计,化学分析仪器 使用公共光源，不管光线强弱如何，光源光通量不稳定带来的变化可以被抵消，故其测量精度高。但两光电池的性能不可能完全一样，由此会带来一定误差。,2023/5/22,65,光电比色仪原理图,1光源 2光透镜 3滤色镜 4标准样品 5被检测样品 6、7光电池 8差动放大电路 9指示仪表,2023/5/22,66,3.光电式带材跑偏检测装置,带材跑偏检测装置是用来检测带型材料在加工过程中偏离正确位置的大小与方向，从而为纠偏控制电路提
18、供纠偏信号。,2023/5/22,67,光电式边沿位置检测装置,1被测带材 2光源 3、4光透镜 5光敏电阻 6遮光罩,2023/5/22,68,4.物体长度及运动速度的检测,光电元件检测运动物体的速度,1光源A 2光敏元件VA 3运动物体 4光源B 5光敏元件VB 6RS触发器,2023/5/22,69,6.3光纤传感器,6.3.1 光纤传感器概述,20世纪70年代中期发展起来,优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和pH值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。
19、,2023/5/22,70,分类,光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为212 m，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。,2023/5/22,71,各种装饰性光导纤维,2023/5/22,72,发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。,上海东方明珠,2023/5/22,73,6.3.2 光纤的结构和传输原理,光导纤维简称为
20、光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构如图6-36所示。中心的圆柱体叫做纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。,1光纤的结构,2023/5/22,74,光纤的结构,2023/5/22,75,光纤的结构,2023/5/22,76,光纤传感器外形,2023/5/22,77,2.光纤的传输原理,光纤的传输是基于光的全内反射。,2023/5/22,78,只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的 光纤集光本领的术语叫数值孔径NA NA=sinc=数值孔径反映纤芯接收光量的多少。,2023/5/22,79,6.3.3 光
21、纤传感器,一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。,1光纤加速度传感器,2023/5/22,80,光纤加速度传感器组成结构简图,2023/5/22,81,2.液位的检测技术,在球状对折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射回来，由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折
22、射率与光纤折射率越接近，反射光强度越小。显然，传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。因此，该传感器可用于液位报警。若以探头在空气中时的反光强度为基准，则当接触水时反射光强变化6dB7dB，接触油时变化25dB30dB。,（1）球面光纤液位传感器,2023/5/22,82,球面光纤液位传感器,2023/5/22,83,（2）斜端面光纤液位传感器,当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差在20dB以上。,1、2光纤 3棱镜,2023/5/22,84,（3）单光纤液位传感器,将光纤的端部抛光成45的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光
23、大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。,2023/5/22,85,单光纤液位传感器结构,2023/5/22,86,专用的光纤连接头及光纤插座,光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。,2023/5/22,87,光纤式光电开关应用,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,2023/5/22,88,光纤
24、式光电开关应用,遮断型光纤光电开关,出射光纤,接收光纤,2023/5/22,89,光纤的其他应用,军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。,光纤内窥镜,2023/5/22,90,6.4红外传感器,（1）红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。,2023/5/22
25、,91,6.4.1 红 外 辐 射,红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线 波长范围大致在0.761000 m 红外辐射的物理本质是热辐射 以波的形式在空间直线传播的 是22.6 m、35 m和814 m，统称它们为“大气窗口”。,2023/5/22,92,电磁波谱图,2023/5/22,93,6.4.2 红外探测器,红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器种类很多，常见的有两大类：热探测器和光子探测器。,2023/5/22,94,1.热探测器,热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的
26、敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定探测器所吸收的红外辐射。,2023/5/22,95,类型,热探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型探测器。,2023/5/22,96,热释电红外探测器,具有极化现象的热晶体或被称为“铁电体”的材料制成的。“铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。,2023/5/22,97,2.光子探测器,光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器
27、材料中电子的相互作用来改变电子的能量状态，引起各种电学现象。利用光子效应制成的红外探测器，统称光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等3种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。,2023/5/22,98,6.4.3 红外传感器的应用,利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测温度。,1红外测温仪,2023/5/22,99,红外测温仪,光学系统可以是透射式，也可以是反射式。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、铝、镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。,2023/5/22,100,2.红外线气体分析仪,根据气体对红外线具有选择性的吸收特性来对气体成分进行分析的。不同气体的吸收波段（吸收带）不同，,2023/5/22,101,工业用红外线气体分析仪的结构原理图,1光源 2抛物体反射镜 3同步电动机 4切光片 5滤波气室6参比室 7测量室 8红外探测器 9放大器,2023/5/22,102,课间休息！,
