第6章 光电式传感器及应用

2020/2/101第6章光电式传感器及应用2020/2/102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。2020/2/103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2020/2/1046.1光电效应及光电元器件光电式传感器的工作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hν正比于光的频率ν（h普朗克常数）。每个光子具有的能量为：E=hν6.1.1光电效应及分类2020/2/105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2020/2/106光学单位流明（lm）：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（lx）：表征受照物体被照程度的物理量。2020/2/1076.1.2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（a）光电管的结构2020/2/108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2020/2/109结构示意图2020/2/1010光电倍增管的基本电路2020/2/1011（2）光电管特性①光电特性。2020/2/1012②伏安特性。2020/2/1013③光谱特性。2020/2/1014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。2020/2/10152．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、抗过载能力强和寿命长等特点2020/2/1016（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。金属电极半导体玻璃底板电源检流计RLEI(a)(b)(c)Ra光敏电阻测量电路2020/2/1017光敏电阻当光敏电阻受到光照时，阻值减小。2020/2/1018(2)光敏电阻的基本特性和主要参数①暗电阻和暗电流。②亮电阻和亮电流。③伏安特性。光敏电阻的伏安特性2020/2/1019④光电特性。某光敏电阻的光电特性(2)光敏电阻的基本特性和主要参数2020/2/1020⑤光谱特性。光敏电阻的光谱特性(2)光敏电阻的基本特性和主要参数2020/2/1021⑥响应时间。⑦温度特性。(2)光敏电阻的基本特性和主要参数2020/2/10223．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2020/2/1023（1）光敏晶体管结构与工作原理2020/2/1024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。2020/2/1025红外发射、接收对管外形红外发射管红外接收管2020/2/1026②光敏三极管集电极电流是原始光电电流的β倍。因此，光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高。2020/2/1027光敏三极管外形2020/2/1028③光敏晶闸管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。2020/2/1029光敏晶闸管外形光敏面2020/2/1030（2）光敏晶体管的基本特性。①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2020/2/1031②伏安特性2020/2/1032③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2020/2/1033④温度特性⑤频率特性⑥响应时间2020/2/1034光敏二极管和三极管的主要差别光电流光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。响应时间光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5～10us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。输出特性光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。2020/2/10354.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。2020/2/1036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2020/2/1037光电池外形光敏面2020/2/1038能提供较大电流的大面积光电池外形2020/2/1039光电池在动力方面的应用光电池在人造卫星上的应用2020/2/1040（2）光电池的基本特性①光谱特性2020/2/1041②光电特性2020/2/1042③温度特性2020/2/1043④频率特性2020/2/1044小结光电器件光电效应内光电效应外光电效应：光电管、光电倍增管光生伏特效应：光电池光能电能光电导效应：光敏电阻2020/2/10455.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。2020/2/1046（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2020/2/1047（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。2020/2/1048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2020/2/1049光电开关外形2020/2/1050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、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。应用范围2020/2/1052（3）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2020/2/1053光电断续器外形2020/2/1054光电断续器外形（续）红色光柱2020/2/1055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。光电断续器的应用（1）n2020/2/1056光电断续器的应用（2）2020/2/10576.2光电式传感器的实用电路按照被测物、光源、光电元件三者之间的关系，分为4种类型1—被测物2—光电元件3—恒光源2020/2/10581.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λ1、λ2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λ1、λ2及物体的黑度有关的常数。TKeKII/1221/2020/2/1059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—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2020/2/10602.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。2020/2/1061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2020/2/10623.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供纠偏信号。2020/2/1063光电式边沿位置检测装置2020/2/1064光电式边沿位置检测装置2020/2/10654.物体运动速度的检测2020/2/10666.4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。2020/2/1067电磁波谱图2020/2/10686.4.1红外辐射红外辐射俗称红外线，位于可见光中红色光以外的光线。波长范围大致在0.76～1000μm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2020/2/10696.4.2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。2020/2/10701.热探测器热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的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。2020/2/1071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。2020/2/10726.4.3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2020/2/1073红外测温仪2020/2/10742.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2020/2/1075工业用红外线气体分析仪的结构原理图