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1、光电式传感器, 光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。, 光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它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。, 被测量的变化引起的光信号的变化可以是光源的变化、也可以是光学通路的变化，或者是光电元件的变化。, 光电检测方法具有精度高、反映快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。, 光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一
2、步将光信号转换成电信号。,1 光电效应, 根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的“粒子流”，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为：,h普朗克常数 v光波频率, 对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为E的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物体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。,2 光电效应的分类,通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分
3、为三类：,（1）外光电效应：在光线作用下能使电子逸出物体表面的称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,（2）内光电效应：在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应，又称光电导效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻、光敏晶体管等。,（3）半导体光生伏特效应。在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称为半导体光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池等。,3 光电效应特性,光照特性：当光电元件上加上一定电压时，光电流I与光电元件上光照度E之间的对应关系。,光谱特性：光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光电流会随入射光波长的不同而变
4、化。,伏安特性：在一定照度下，光电流I与光敏元件两端电压V的对应关系，称为伏安特性。伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计应用电路。,频率特性：在相同的电压和同样幅值的光照下，当入射光以不同频率的正弦频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S会随调制频率f而变化，称为频率特性。,温度特性：光电元件的温度特性是指其输出与温度的关系。部分光电元件输出受温度影响较大，应采取相应措施进行温度补偿。,响应时间：不同光敏器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为（10-110-3）s，一般不能用于要求快速响应的场合。工业用的硅光敏二极管的响应时间为（10-510-7）s左右，光敏三极管的响应时
5、间比二极管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。,光电管和光电倍增管,图 光电管的结构,（1）光电管,a. 光电管的结构： 光电管由一个阴极和一个阳极构成，并密封在一支真空玻璃管内。光电管的特性主要取决于光电管阴极材料。,b.光电管的原理,光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，在入射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。,电流和电阻R0上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换，即：U=F（）,c. 光电管的性质,适用于不同的光谱范围。,同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相
6、同。,（2）光电倍增管,光电倍增管结构,光电倍增管基本电路,光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。多用于微光测量。,（3）光电管特性,a.暗电流,光电管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。,暗电流的存在决定了光电管可测量光信号的最小值，所以要求其暗电流小并且稳定。,b. 光照特性,c. 光电管的伏安特性,在一定照度下，光电流与光电管两端电压的对应关系。,5.4 光电池,5.4.1 工作原理,1、能量转换关系：,光能转换为电能，电路中有了这种器件就不需要外加电源。,2、原理：,3、种类：
7、,有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。,4、优点：,性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜等。,5.4.2 基本特性,1光谱特性,光电池的相对灵敏度Kr与入射光波长l之间的关系称为光谱特性。,2、光照特性,图 光电池的光谱特性曲线,图 硅光电池的光照特性曲线,光生电动势U与照度Ee之间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee之间的特性曲线称为短路电流曲线。如上图所示为硅光电池的光照特性曲线。,3、频率特性,图 光电池的频率特性,光电池的频率特性是光的调制频率f与光电池的相对输出电流Ir（相对输出电流=高频输出电流/低频最大输出电流）之间的关系
8、曲线。,4、温度特性,光电池的温度特性是描述光电池的开路电压U、短路电流I随温度t变化的曲线，如右图所示。,图 光电池的温度特性,5、稳定性,硅光电池的性能比硒光电池更稳定。,6.7 光敏电阻及光敏晶体管,6.7.1 光敏电阻,光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应。因此，光敏电阻又称光导管。,1、工作原理,光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。,灵敏度高。,光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。,2、光敏电阻的结构,3、光敏电阻的主要参数,暗电阻和暗电流：光敏电阻在
9、室温和全暗条件下，经过一定时间测得的稳定电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。,亮电阻和亮电流：光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流，称为亮电流。,光电流：亮电流与暗电流之差，称为光电流。显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。,（1）伏安特性:在一定的照度下，加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性曲线。,图 光敏电阻的伏安特性曲线,4、光敏电阻的基本特性,可见：,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，
10、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，耗散功率又和面积及散热条件等因素有关。,电阻在一定的电压范围内，其IU曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压、电流无关。,（2）光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性 。如右图所示。,（3）光谱特性：光敏电阻对于不同波长l 的入射光，其相对灵敏度Kr是不同的。如右图所示。,光敏电阻的光电特性呈非线性，因此不适宜做连续量的检测元件。,（4）频率特性：相对灵敏度Kr与光强度变化频率f之间的关系曲线 。,图 光敏电阻的频率特性,光电导的驰豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时
11、间上有一个滞后，光敏电阻有时延特性。,图 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,（5）温度特性,温度变化影响光敏电阻的光谱响应特性，随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。,图 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件。在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。,6.7.2 光敏晶体管,1、光敏二极管,定义：,是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件。,结构：,原理：,2、光敏三极管,结构：与一般三极管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。,原理：光照射在集电结上时，形成光电流，相当于三极
12、管的基极电流。因而集电极电流是光生电流的倍，所以光敏三极管有放大作用。,3、基本特性, 光谱特性,应用：光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，锗管较为适宜。, 伏安特性,结论：光敏晶体管的光电流比相同管型二极管大上百倍。, 光照特性, 温度特性,结论：光敏二极管的光照特性曲线的线性较好。,结论：在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,频率响应,具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随频率的变化关系。,硅光敏晶体管的频率响应,6.7.3 光电传感器的类型及其应用,1、光电传感器的组成,2、光电传感器的应用形式,按其输出量性质可
13、分为：模拟输出型光电传感和数字输出型光电传感器两大类。,光电式传感器的测量应用可分为以下四种基本形式。,光电传感器的测量形式,1-被测量，2-光电元件，3-恒光源,3、光电转换电路,（1）光敏电阻测量电路 （2）光敏二极管测量电路,（3）光电池测量电路,（4）光电元件集成运放电路,4、光电传感器的应用,（1）光电式带材跑偏检测器,该检测器是用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。,主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。,（2）烟尘源监测系统,烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道内传输过程中的变化大小来检测的。,光检测器输出信号的强弱可反映烟道浊度的变化。
14、,（3）包装填充物高度检测,（4）光电耦合器,（5）脉冲编码器,（6）光电转速传感器,图 光电转速表原理图,图 光电脉冲转换电路,转速n与脉冲频 率 f 的关系式为： n = 60 f / N,（6）太阳能电池电源,（7）光电报警电路,（8）光电开关,光电开关器件是以光电元件、三极管为核心，配以继电器组成的一种电子开关。当开关中的光敏元件受到一定强度的光照射时就会产生开关动作。,光电开关可分为两类：遮断型和反射型。如下图（a）所示为遮断型；反射型分为两种情况：反射镜反射型和被测物体反射型（简称散射型），如下图（b）、（c）所示。,1发射器；2接收器；3被测物；4反射镜 图 光电开关类型及应用,
15、（9） 光电断续器 光电断续器的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，其外形如下图所示。光电断续器也可分为遮断型和反射型两种。,1发光二极管；2红外光；3光电元件；4槽；5被测物 图 光电断续器,小 结 光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，它的基础是光电转换元件的光电效应。光电测量方法一般具有结构简单、非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点。光电效应可分为内光电效应、外光电效应和光生电动势效应等。 本节还详细介绍了光电管、光敏电阻、光电池等光电元件的工作原理及其基本特性，以及光电式传感器的一些典型应用。,光敏元
16、件特性比较,CCD传感器,CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。,CMOS：互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带
