第十章 光电式传感器

第十章光电式传感器本章学习的主要内容：1、光电效应及其光电元件2、光电式传感器的应用罐装生产流水线动画演示一、光电效应1.外光电效应§10－1光电效应及其光电元件在光线作用下，物体吸收光能量而产生相应电效应的一种物理现象。在光线作用下，电子从物体表面逸出的物理现象外光电效应动画演示各种光电管外形图2、内光电效应光电导效应光敏晶体管效应光生伏特效应内光电效应动画演示在光线作用下，物体电导性能发生变化或产生一定方向电动势的现象光敏电阻外形图光敏二极管外形图光敏三极管外形图各种光电池外形图二、光电元件1.光电管（1）原理：基于外光电效应真空管、光电阴极K和光电阳极A（2）符号与结构：光电管外形图（3）特点：灵敏度高、光电特性线性较好I0/μAΦ/lm光电管的光电特性2、光敏电阻（1）原理：内光电效应的光电导效应（2）符号与外形（3）特性参数暗电阻:置于室温、全暗条件伏安特性亮电阻:置于室温、一定光照条件光电特性：非线性光谱特性响应时间：温度特性:10-1s～10-3s温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降光敏电阻的光谱特性（5）适用场合：常用于对测量要求不高的场合（4）特点：价格便宜、光电特性非线性、响应时间长、受温度影响大3.光敏晶体管（1）原理：内光电效应的光电晶体管效应光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管（2）种类、符号与外形外形图（3）主要特性：光谱特性：硅管峰值波长为0.9μm锗管峰值波长为1.5μm光电特性：输出电流Ie和光照度Ee呈线性关系伏安特性：温度特性：温度对输出电流影响小，由光照度决定响应时间：二极管10-4s～10-6s、三极管10-3s～10-5s（5）适用场合：适用于模拟量测量及要求快速响应的场合（4）特点：光电特性线性好、受温度影响小、响应时间短4.光电池（1）原理：内光电效应的光生伏特效应（2）符号与外形：（3）主要特性光谱特性：硅光电池0.45μm～1.1μm硒光池0.34μm～0.57μm光电特性：频率特性：硅光电池频率响应高，硒光电池频率响应差温度特性：温度t上升，开路电压U快速下降，短路电流I缓慢上升。（4）特点：（5）适用场合：测量短路电流光电特性线性好、受温度影响小，硅光电池频率响应较好。可用于模拟量测量响应较快的场合光电式传感器的组成：光源、光学元件和光电元件组成光路系统，再经转换电路而构成。§10－2光电式传感器应用常用光源有：白炽灯、发光二极管等常用光学元件有：反射镜、透镜、半透半反镜等提问：1.光电效应有哪些？这些光电效应对应哪些光电元件？2.这些光电元件有哪些特点？分别适用哪些场合？一、光电式传感器的应用类型按其输出量性质可分：模拟输出型光电传感器和数字输出型光电传感器按被测物与光电元件和光源之间的关系，光电式传感器的应用有以下四种：1、光源本身就是被测物。如：光电比色温度计、光照度计等被测物光电元件2、恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物吸收一部分后到达光电元件上。如：测液体透明度、烟尘浓度等被测物光电元件恒光源3、恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部分后照射到光电元件上。如：测元件尺寸、运动状态等被测物光电元件恒光源4、恒定光源发出的光通量经被测物反射后到达光电元件上。如：测纸张白度、零件表面粗糙度、光电转速表等被测物光电元件恒光源特别指出：光源与光电元件在光谱特性上应基本一致，即光源发出的光应该在光电元件接受灵敏度最高的频率范围内。对于模拟量检测，一般要有参比信号，用来消除或削弱背景光及温度等因素的影响。1、光电比色温度计（光源本身是被测物）问题的提出：高温测量，物体辐射出的光波与温度有关。二、光电式传感器的应用举例扫描式光电比色温度计原理：根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温。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Iλ1、Iλ2之比与该物体的温度成指数关系。TKeKII/1212光电比色温度计光路原理图被测对象物镜半透半反镜光阑反射镜目镜观察者的眼睛硅光电池1光导棒分光镜滤光片硅光电池2光线λ1光线λ2光电比色温度计电路原理框图硅光电池1RfRf运算电路显示器I1I2U1U2硅光电池2而I1正比于Iλ1所以U1正比于Iλ1fRIU11－TKeKIIUU/1212122、光电式烟尘浓度计（透射式）问题的提出：为了控制和减少烟尘的排放量或及时发现楼宇火灾，对烟尘的监测是必须的。原理：恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物吸收一部分后到达光电元件上。光电式烟尘浓度检测动画演示光电式烟尘浓度计原理图光源聚光透镜半透半反镜反射镜被测烟尘光电池1光电池2RfRf运算电路显示器I1I2U1U2光电式烟尘浓度计原理图光电三极管2光电三极管1+UCCU1U2+UCC运算器显示器光源聚光透镜半透半反镜反射镜被测烟尘3、光电式边缘位置检测器（遮挡式）问题的提出：带型材料在生产过程中偏离正确的位置如何进行纠偏控制。原理：恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部分后，另一部分照射到光电元件上。光电式边缘位置检测器光路图光源透镜光敏电阻被测带材暗亮光电式边缘位置检测器测量电路图R2R1R3RPRRRfRfUoUcc测量用光敏电阻补偿用光敏电阻遮光罩注意问题：2.桥路及运算放大器组成，接入参比光敏电阻；1.起始时，光路一半遮挡一半透过；3.光敏电阻一般不能作模拟量测量，这里对测量要求不高（用于控制）。4、光电式转速表（反射式）问题的提出：传统测量转速的弊端，光电式转速的优点。原理：恒定光源发出的光通量经被测物反射后到达光电元件上。采用数字输出型测量转速。光电式转速测量动画演示光电式转速表原理图被测旋转物遮光罩放大整形电路频率计电路显示器时基电路n由透镜、光源、光敏二极管和遮光罩组成－－光电开关反光纸透镜光源光敏二极管透镜注意问题：1.选用硅光电二极管（响应时间短）用于高频调制信号测量；2.数字量测量，不用参比信号。