《传感器与检测技术 第2版 工业和信息化高职高专“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 宋雪臣 单振清 第6章光电式传感器及应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术 第2版 工业和信息化高职高专“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 宋雪臣 单振清 第6章光电式传感器及应用（105页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/5/23,1,第6章光电式传感器及应用,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。,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,4,6.1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
2、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,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。,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。,7,光学单位,流明（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
3、斯是照度的单位，它表征受照物体被照程度的物理量。,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,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,10,特点,当阴极金属材料选定后，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，
4、光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流I就越大。,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。,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,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
5、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。6001 200V左右。,光电倍增管结构示意图,14,光电倍增管的基本电路,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。,16,光
6、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。,17,2光电管特性, 光电特性。,光电管光电特性曲线,18, 伏安特性。,19, 光谱特性。,20,其他特性,光电管尚有温度特性、疲
7、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。,21,6.1.3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,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。,23,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。,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,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
8、阻的光谱特性,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。,27,常用光电导材料,28,6.1.4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,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
9、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金属引出线,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。,31,红外发射、接收对管外形,红外发射管,红外接收管,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,33,光敏三极管外形,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。,
10、35,光敏晶闸管外形,光敏面,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,37, 伏安特性,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,39, 温度特性 频率特性 响应时间,40,6.1.5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。,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,42,光电池外形,光敏面,43
11、,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（续）,光电池在人造卫星上的应用,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,47,3.短路电流的测量,Uo= -UR f = -I Rf 该电路的输出电压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,48,6.1.6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
12、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。,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,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。,51
13、,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,52,光电开关外形,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。,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。,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。,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,57,光电断续器外形,
14、58,光电断续器外形（续）,红色光柱,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。,光电断续器的应用,请写出转速与频率的关系式,n= ？,n,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,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,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
15、。,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,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。,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,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
16、大小与方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。,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,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,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。,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
