光电式传感器优秀优秀课件

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1、第九章第九章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。其基础是光电转换元件的其基础是光电转换元件的光电效应光电效应。光电式传感器具有结。光电式传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和高分辨率、反应快构简单、非接触、高可靠性、高精度和高分辨率、反应快等特点，故光电式传感器广泛应用于自动检测技术中。等特点，故光电式传感器广泛应用于自动检测技术中。光电式传感器优秀优秀课件9-1 光电效应光电效应由于物体吸收了光子的能量而产生电效应的这一由于物体吸收了光子的能量而产生电效应的这一现象，称为光电效应。可分为三类：外光电

2、效应、内现象，称为光电效应。可分为三类：外光电效应、内光电效应（光电导效应）和光生伏特效应。光电效应（光电导效应）和光生伏特效应。一、外光电效应一、外光电效应（1）定义：）定义：在光的照射下，物体内的电子逸出表面，在光的照射下，物体内的电子逸出表面，向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有：向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有：光光电管、光电倍增管电管、光电倍增管等。等。（2）原理：）原理：一个电子要从物体中逸出表面，必须使光一个电子要从物体中逸出表面，必须使光子能量大于表面逸出功，此时逸出表面的电子就具有动子能量大于表面逸出功，此时逸出表面的电子就具有动能。能。光电式传感器优秀优秀课

3、件二、内光电效应二、内光电效应（1）定义：）定义：在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。基于内光电效应的光电器件有：基于内光电效应的光电器件有：光敏电阻。光敏电阻。（2）原理：）原理：光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，使其由价带越过禁带能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增大，跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增大，从而使电阻率减小，电导率增大。从而使电阻率减小，电导率增大。三、光生伏特效应三

4、、光生伏特效应 在光的照射下，物体内部产生电势的现象（利用光势垒在光的照射下，物体内部产生电势的现象（利用光势垒效应）。基于该效应的光电器件有：效应）。基于该效应的光电器件有：光电池、光敏晶体管光电池、光敏晶体管等。等。光电式传感器优秀优秀课件9-2 光电器件及其特征光电器件及其特征一、光电管与光电倍增管一、光电管与光电倍增管1.构造：构造：如图如图9-1为光电管的典型结构。它是在真空玻璃管为光电管的典型结构。它是在真空玻璃管内装入两个电极内装入两个电极光阴极和光阳极。光阴极和光阳极。 光电管的阴极受到光照射后便发射电子，这些电子被光电管的阴极受到光照射后便发射电子，这些电子被具有一定电位的阳

5、极吸引，在光电管内形成空间电子流。具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串入一电阻，则在此电阻上将有正比于光如果在外电路中串入一电阻，则在此电阻上将有正比于光电管中空间电流的电压降。电管中空间电流的电压降。 如图如图9-2为光电倍增管的典型结构。它是一个除在玻璃为光电倍增管的典型结构。它是一个除在玻璃泡内装入光电阴极和光电阳极外，还装有若干个泡内装入光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增光电倍增极极，且在光电倍增极上涂以在电子轰击下可发射更多次级，且在光电倍增极上涂以在电子轰击下可发射更多次级电子的材料，倍增极的形状及位置要正好能使轰击进行下电子的材料，倍增极的形

6、状及位置要正好能使轰击进行下去，在每个倍增极间均依次增大加速电压。去，在每个倍增极间均依次增大加速电压。光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件设每级的倍增率为设每级的倍增率为，若有，若有n级，则光电倍增管的光电流级，则光电倍增管的光电流倍增率将为倍增率将为 n 。倍增级数。倍增级数n可在可在4 14 之间，之间，的的范围一般是范围一般是36。2.特性特性光电管的基本特性主要有以下几个方面：光电管的基本特性主要有以下几个方面：（1）光电特性）光电特性 光电特性表示当阳极电压一定时，阳极电流光电特性表示当阳极电压一定时，阳极电流I与入射在阴与入射在阴极上光通量极上光通量之间的关系。之间的

7、关系。如图如图9-3（a）为真空光电管的光电为真空光电管的光电特性；特性；图图9-3（ b ）为充气光电管的光电特性。为充气光电管的光电特性。（2）伏安特性）伏安特性 当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同光电流的关系。压同光电流的关系。如图如图9-4（c）所示。所示。（3）光谱特性）光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间择性。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。的关系叫光电管的

8、光谱特性。如图如图9-4（d）所示。所示。光电式传感器优秀优秀课件9-4 (a)真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 (b) 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性光电式传感器优秀优秀课件光电倍增管的基本特性参数主要有以下几个方面：光电倍增管的基本特性参数主要有以下几个方面：（1）倍增系数）倍增系数M。 ，其中，其中 c为收集系数，它反映为收集系数，它反映倍增极收集电子的效率。倍增极收集电子的效率。（2）光电阴极的灵敏度及光电倍增管的灵敏度）光电阴极的灵敏度及光电倍增管的灵敏度 光电阴极的灵敏度是指一个光子照射在阴极上所能激发光电阴极的灵敏度是指一个光子照射在阴极上所能激发的电子数。而光

9、电倍增管的灵敏度是指一个光子照射后，在的电子数。而光电倍增管的灵敏度是指一个光子照射后，在阳极上得到的总电子数。阳极上得到的总电子数。（3）光电倍增管的暗电流及本底电流）光电倍增管的暗电流及本底电流 当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到电子，这时的电流称为暗电流。如果光电倍增管与闪烁体放电子，这时的电流称为暗电流。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流。在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流。（4）飞行时间及其涨落）飞行时间及其涨落 飞行时间是指从光电阴极发射处电子开始，到收集阳极接飞行时间

10、是指从光电阴极发射处电子开始，到收集阳极接受电子为止所经过的时间，一般为受电子为止所经过的时间，一般为10-8s数量级。飞行时间不数量级。飞行时间不恒定，其波动值用时间涨落来表示。恒定，其波动值用时间涨落来表示。光电式传感器优秀优秀课件二、光敏电阻二、光敏电阻1.光敏电阻的结构光敏电阻的结构 光敏电阻的结构很简单，光敏电阻的结构很简单，如图如图9-5所示。所示。它是涂于玻璃底它是涂于玻璃底板上的一薄层板上的一薄层半导体物质半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属，半导体的两端装有金属电极，金属电极与半导体层保持着可靠的电接触，再将涂有半导体物质的电极与半导体层保持着可靠的电接触，再将涂有半导

11、体物质的玻璃板压入塑料盒内。金属电极与引出线相连接，光敏电阻就玻璃板压入塑料盒内。金属电极与引出线相连接，光敏电阻就通过引出线接入电路。通过引出线接入电路。2.光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性（1）光电流）光电流 光敏电阻在无光照时的电阻叫光敏电阻在无光照时的电阻叫“暗电阻暗电阻”，此时的电流此时的电流叫叫“暗电流暗电流”；有光照时的电阻叫有光照时的电阻叫“亮电阻亮电阻”，此时的电流叫此时的电流叫“亮电流亮电流”；亮电流与暗电流之差即为亮电流与暗电流之差即为“光电流光电流”。一般地，一般地，光敏电阻的暗电阻是兆欧数量级，亮电阻则在几千欧姆以下。光敏电阻的暗电阻是兆欧数量

12、级，亮电阻则在几千欧姆以下。光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件（2）光敏电阻的伏安特性）光敏电阻的伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端在一定照度下，光敏电阻两端所加电压与流过光敏电阻的光电流的关系。所加电压与流过光敏电阻的光电流的关系。如图如图9-6所示所示。（3）光敏电阻的光照特性）光敏电阻的光照特性 光敏电阻的光电流光敏电阻的光电流I和光通量和光通量之间的关系。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但在大之间的关系。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但在大多数情况下，曲线的形状类似多数情况下，曲线的形状类似图图9-7所示所示。（4）光敏电阻的光谱特性）光敏电阻的光谱特性 光敏电阻

13、对于不同波长的入射光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度光，其相对灵敏度Kr是不同的。各种不同材料的光谱特性曲是不同的。各种不同材料的光谱特性曲线线如图如图9-8所示所示。从图中可以看出，硫化镉的峰值在可见光区。从图中可以看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外光区域，因此在选择光敏电阻时，域，而硫化铅的峰值在红外光区域，因此在选择光敏电阻时，应当把元件和电源结合起来考虑，才能获得满意的结果。应当把元件和电源结合起来考虑，才能获得满意的结果。（5）光敏电阻的频率特性）光敏电阻的频率特性 在使用光敏电阻时，应当注意在使用光敏电阻时，应当注意它的光电流并不是随光强改变而立刻作相应的

14、变化，而是具它的光电流并不是随光强改变而立刻作相应的变化，而是具有一定的惰性，有一定的惰性，图图9-9为两种不同材料的光敏电阻的频率特性，为两种不同材料的光敏电阻的频率特性，即相对灵敏度即相对灵敏度Kr与光强度变化频率间的关系曲线。与光强度变化频率间的关系曲线。（6）光敏电阻的光谱温度特性）光敏电阻的光谱温度特性 如图如图9-10所示所示。光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件三、光电池三、光电池1.光电池的结构与原理光电池的结构与原理（1）结构）结构 硅光电池是在一块硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些型硅片上用扩散的方法掺入一些P型型杂质形成一个大面积的杂质形成一个大面

15、积的PN结，结，如图如图9-11所示。所示。（2）原理）原理 当光照射到当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的结附近时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度禁带宽度，则每吸收一个光子能量，将产生一个电子空穴对。，则每吸收一个光子能量，将产生一个电子空穴对。光照越强，产生的电子空穴对越多。光照越强，产生的电子空穴对越多。P区的光生电子可以在结区的光生电子可以在结电场的作用下进入电场的作用下进入N区，这样光照射所产生的电子空穴对就被区，这样光照射所产生的电子空穴对就被结电场分离开来，从而使结电场分离开来，从而使P型区带正电，型区带正电，N型区带负电，形成型区带负电，形成光生电动势。光生电

16、动势。光电式传感器优秀优秀课件2.光电池的基本特性光电池的基本特性（1）光电池的光谱特性）光电池的光谱特性 如图如图9-12为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相对灵敏度对灵敏度Kr与入射光波长与入射光波长间的关系曲线。从曲线上可看出，间的关系曲线。从曲线上可看出，不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的。因此不同的光不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的。因此不同的光电池应在不同的光波长范围内使用。电池应在不同的光波长范围内使用。（2）光电池的光照特性）光电池的光照特性 如图如图9-13为硅光电池的光照特性。光生电动势为硅光电池的光照特性。光生电动势U

17、与照度与照度Ee间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度je与照度与照度Ee间间的特性曲线称为短路电流曲线。的特性曲线称为短路电流曲线。（3）光电池的频率特性）光电池的频率特性 图图9-14为光的调制频率和光电池输出电流为光的调制频率和光电池输出电流Ir的关系曲线。的关系曲线。可以看出，硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池则较可以看出，硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池则较差。因此在高速计数器、有声电影以及其他方面多采用硅光差。因此在高速计数器、有声电影以及其他方面多采用硅光电池。电池。光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件（4）光电池的

18、温度特性）光电池的温度特性 它是描述光电池的开路电压它是描述光电池的开路电压U、短路电流、短路电流I随温度变化随温度变化的关系曲线。的关系曲线。从图从图9-15可以看出，开路电压随温度增加而可以看出，开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升却增加缓慢。因下降的速度较快，而短路电流随温度上升却增加缓慢。因此当光电池作为检测元件时，在仪器设计时就应该考虑到此当光电池作为检测元件时，在仪器设计时就应该考虑到温度的漂移，需采取相应措施进行补偿。温度的漂移，需采取相应措施进行补偿。四、光敏晶体管四、光敏晶体管1.光敏二极管和光敏三极管的结构和工作原理光敏二极管和光敏三极管的结构和工作原理

19、 图图9-16为光敏二极管的结构、符号及基本接线图。为为光敏二极管的结构、符号及基本接线图。为便于接受光照，光敏二极管的便于接受光照，光敏二极管的PN结装在管的顶部，上面有结装在管的顶部，上面有一个用透镜制成的窗口，以便使入射光集中照在一个用透镜制成的窗口，以便使入射光集中照在PN结上。结上。 光敏三极管和光敏二极管相似，不过它具有两个光敏三极管和光敏二极管相似，不过它具有两个PN结，大多数光敏三极管的基极无引出线，其结构、符号及结，大多数光敏三极管的基极无引出线，其结构、符号及基本接线图基本接线图如图如图9-17所示。所示。光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀

20、课件五、光电转换器五、光电转换器 光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用接收元件合并使用, 以光作为媒介传递信号的光电器件。以光作为媒介传递信号的光电器件。 光电耦合器中的光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管发光元件通常是半导体的发光二极管, 光光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可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。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光电耦合器和用于检测有无物体的和用于检测有无物体的光

21、电开关光电开关。1、光电耦合器、光电耦合器 光光电电耦耦合合器器的的发发光光和和接接收收元元件件都都封封装装在在一一个个外外壳壳内内, 一般有金属封装和塑料封装两种。一般有金属封装和塑料封装两种。 耦合器常见的组合形式如耦合器常见的组合形式如图图9 - 18所示所示。光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件2. 光电开关光电开关光光电电开开关关是是一一种种利利用用感感光光元元件件对对变变化化的的入入射射光光加加以以接接收收, 并并进进行行光光电电转转换换, 同同时时加加以以某某种种形形式式的的放放大大和和控控制制, 从从而而获获得最终的控制输出得最终的控制输出“开开”、 “关关”信号的

22、器件。信号的器件。 图图9-19为为典典型型的的光光电电开开关关结结构构图图。图图（a）是是一一种种透透射射式式的的光光电电开开关关, 它它的的发发光光元元件件和和接接收收元元件件的的光光轴轴是是重重合合的的。 当当不不透透明明的的物物体体位位于于或或经经过过它它们们之之间间时时, 会会阻阻断断光光路路, 使使接接收收元元件件接接收收不不到到来来自自发发光光元元件件的的光光, 这这样样起起到到检检测测作作用用。图图（b）是是一一种种反反射射式式的的光光电电开开关关, 它它的的发发光光元元件件和和接接收收元元件件的的光光轴轴在在同同一一平平面面且且以以某某一一角角度度相相交交，交交点点一一般般即

23、即为为待待测测物物所所在在处处。当当有有物物体体经经过过时时, 接接收收元元件件将将接接收收到到从从物物体体表表面面反反射射的的光光, 没没有有物物体体时时则则接接收收不不到到。光光电电开开关关的的特特点点是是小小型型、高速、非接触高速、非接触, 而且与而且与TTL、 MOS等电路容易结合。等电路容易结合。光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件用用光光电电开开关关检检测测物物体体时时, 大大部部分分只只要要求求其其输输出出信信号号有有“高高-低低”（1-0）之之分分即即可可。 图图9-20 是是基基本本电电路路的的示示例例。 （a）、（b）表表示示负负载载为为CMOS比比较较器器等等

24、高高输输入入阻阻抗抗电电路路时的情况时的情况, （c）表示用晶体管放大光电流的情况。）表示用晶体管放大光电流的情况。 光光电电开开关关广广泛泛应应用用于于工工业业控控制制、自自动动化化包包装装线线及及安安全全装装置置中中作作光光控控制制和和光光探探测测装装置置。可可在在自自控控系系统统中中用用作作物物体体检检测测， 产产品品计计数数, 料料位位检检测测，尺尺寸寸控控制制，安安全全报报警警及及计计算算机输入接口等用途。机输入接口等用途。光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件11-3 光电式传感器的测量电路光电式传感

25、器的测量电路要使光电式传感器能很好地工作，除了合理选用光电转要使光电式传感器能很好地工作，除了合理选用光电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量电路。换元件外，还必须配备合适的光源和测量电路。一、光源一、光源1.发光二极管发光二极管 发光二极管是一种把电能转换成光能的半导体器件。广发光二极管是一种把电能转换成光能的半导体器件。广泛地应用于计算机、仪器仪表和自动控制等设备中。泛地应用于计算机、仪器仪表和自动控制等设备中。2.钨丝灯泡钨丝灯泡3.电弧灯或石英灯电弧灯或石英灯4.激光激光 与一般光源相比，激光是很有规律而频率单纯的光波，与一般光源相比，激光是很有规律而频率单纯的光波，具有很多优点：能

26、量高度集中，方向性好，相干性好。具有很多优点：能量高度集中，方向性好，相干性好。光电式传感器优秀优秀课件二、测量电路二、测量电路1.光电管的测量电路光电管的测量电路光电管所通过的电流通常都很小，因此它的有效功率甚光电管所通过的电流通常都很小，因此它的有效功率甚微，不能直接推动记录仪表或继电器，所以通常要与某种放微，不能直接推动记录仪表或继电器，所以通常要与某种放大器相连接。大器相连接。 如图如图9-21所示所示是两个光电管的差接电路，是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大为放大管。其示值可在指示仪表管。其示值可在指示仪表P上读得。上读得。 在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。在平衡工作状态时

27、，指示仪表处在零位。2.光电倍增管的测量电路光电倍增管的测量电路 常见的光电倍增管电路常见的光电倍增管电路如图如图9-22所示所示，各倍增极的电压由，各倍增极的电压由分压电阻链分压电阻链R1、R2Rn获得，被放大的电流流经负载电阻获得，被放大的电流流经负载电阻就得到了所需的输出电压。就得到了所需的输出电压。光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件 如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的CnCn-2可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可以直接接到放大器的输入

28、端而不使用隔离电容以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca，这样系统，这样系统将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那么就可以用电容器耦合。么就可以用电容器耦合。 当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更低。这时应接入隔离电容低。这时应接入隔离电容 Ca，同时用电容器，同时用电容器CnCn-2稳定最稳定最后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增益和防止饱和，它们通过电源益和防止饱和，它们通过电源去耦电容器

29、去耦电容器C将脉冲电压接地将脉冲电压接地。 选取阻值选取阻值R1时应使阴极和第一倍增极之间的电压不超过时应使阴极和第一倍增极之间的电压不超过允许的最大值，但能有效地收集阴极所发射的电子。有时也允许的最大值，但能有效地收集阴极所发射的电子。有时也可用稳压二极管代替可用稳压二极管代替R1，从而使阴极与第一倍增极间保持最，从而使阴极与第一倍增极间保持最佳电压值。因为总电压的变化将使增益迅速改变，通常要求佳电压值。因为总电压的变化将使增益迅速改变，通常要求供电电压稳定度优于供电电压稳定度优于0.1%。光电式传感器优秀优秀课件三、光敏电阻的测量电路三、光敏电阻的测量电路图图9-23所所示示为为光光敏敏电

30、电阻阻开开关关电电路路，晶晶体体管管VT1、VT2构构成成施施密密特特触触发发电电路路。当当减减少少入入射射到到光光敏敏电电阻阻上上的的光光通通量量时时，VT1的的基基极极电电压压上上升升，直直到到管管子子导导电电为为止止，然然后后VT2由由于于反反馈馈而而变变为为截截止止状状态态，因因此此其其集集电电极极电电压压上上升升，直直至至达达到到12.7V左左右右为为止止。在在12V时时，稳稳压压二二极极管管VDWl便便导导电电，通通过过VDW1的的电电流流使使得得VT3导导通通，于于是是继继电电器器被被接接通通。二二极极管管VD2阻阻尼尼继继电电器器线线圈圈振振荡荡，因而对因而对VT3起保护作用。

31、起保护作用。50k的电位器可以对灵敏度进行调整的电位器可以对灵敏度进行调整。光电式传感器优秀优秀课件图图9-23 光敏电阻开关电路光敏电阻开关电路光电式传感器优秀优秀课件四、光敏晶体管的测量电路四、光敏晶体管的测量电路 图图9-24所所示示为为光光敏敏三三极极管管的的开开关关电电路路。 VT1为为光光敏敏三三极极管管，当当有有光光照照时时，光光电电流流增增加加咀咀导导通通，作作用用到到V和和VT4组组成成的的射射极极藕藕合合放放大大器器，使使输输出出电电压压U就就为为高高电电平平，反反之之输输出出电电压压低低电电平平，这这样样输输出出脉脉冲冲可可送送至至计计数数器器，以以便便进进行行一一些些开

32、关量如转速、时间间隔等量的测量。开关量如转速、时间间隔等量的测量。 图图9-25为使用光敏二极管进行温度补偿时的桥式电路。为使用光敏二极管进行温度补偿时的桥式电路。当光电信号是缓变信号时，由于它产生的电信号也是缓变当光电信号是缓变信号时，由于它产生的电信号也是缓变的，这时极间直接藕合。如温度变化等将产生零漂，必须的，这时极间直接藕合。如温度变化等将产生零漂，必须进行补偿。图中一个光敏二极管为检测元件，另一个装在进行补偿。图中一个光敏二极管为检测元件，另一个装在相邻桥臂上的暗盒中。当温度变化时两只光敏管同时受相相邻桥臂上的暗盒中。当温度变化时两只光敏管同时受相同温度影响，对桥路输出的影响可相互抵

33、消。同温度影响，对桥路输出的影响可相互抵消。光电式传感器优秀优秀课件图图9-24 光敏三极管开关电路光敏三极管开关电路光电式传感器优秀优秀课件图图9-25 具有温度补偿的光敏二极管测量电路具有温度补偿的光敏二极管测量电路光电式传感器优秀优秀课件五、光电池的测量电路五、光电池的测量电路图图9-26所示所示的光电池开关电路，由光电池控制施密特的光电池开关电路，由光电池控制施密特电路。该电路在输入信号变化十分缓慢的时候，也能确保电路。该电路在输入信号变化十分缓慢的时候，也能确保迅速转换。由于光电池即使在强光照射下最大输出电压也迅速转换。由于光电池即使在强光照射下最大输出电压也仅为仅为0.6V，不足以

34、使，不足以使VT1管有较大的电流输出，故将硅光电管有较大的电流输出，故将硅光电池接在池接在VT1管基极上，用二极管管基极上，用二极管2AP产生正向压降产生正向压降0.3V。这。这样当光电池受到光照时所产生的电压与样当光电池受到光照时所产生的电压与2AP正向压降叠加，正向压降叠加，便使便使VT1管的管的e、b极间的电压大于极间的电压大于0.7V，从而使，从而使VT2管导通、管导通、继电器便动作。为了减小晶体管基极电路的阻抗变化，同继电器便动作。为了减小晶体管基极电路的阻抗变化，同时为了尽量降低光电池在未受光照时所承受的反压，所以时为了尽量降低光电池在未受光照时所承受的反压，所以在电路中给光电池并

35、联一个电阻。在电路中给光电池并联一个电阻。光电式传感器优秀优秀课件图图9-26 光电池开关电路光电池开关电路光电式传感器优秀优秀课件11-4 光电传感器及其应用光电传感器及其应用一、模拟式光电传感器一、模拟式光电传感器模模拟拟式式光光电电传传感感器器的的工工作作原原理理是是基基于于光光电电元元件件的的光光电电特特性性，其其光光通通量量是是随随被被测测量量而而变变，光光电电流流就就成成为为被被测测量量的的函函数数，故故称称为为光光电电传传感感器器的的函函数数运运用用状状态态。这这种种形形式式通通常常有有如图如图9-27所示所示的几种情况。的几种情况。1.吸收式吸收式 被测物放在光学通路中，光源的

36、部分光通量由被测物被测物放在光学通路中，光源的部分光通量由被测物吸收，剩余的投射到光电元件上，被吸收的光通量与被测吸收，剩余的投射到光电元件上，被吸收的光通量与被测物的透明度有关。物的透明度有关。如图如图9-27(a)所示所示。所以常用来作混浊度。所以常用来作混浊度计等。计等。光电式传感器优秀优秀课件图图9-27 光电元件的测量方式光电元件的测量方式光电式传感器优秀优秀课件2.反射式反射式光源发出的光投射到被测物上，被测物把部分光通量光源发出的光投射到被测物上，被测物把部分光通量反射到光电元件上，反射到光电元件上，如图如图9-27(b)所示所示。反射光通量取决于。反射光通量取决于反射表面的性质

37、、状态和与光源之间的距离。利用这个原反射表面的性质、状态和与光源之间的距离。利用这个原理可制成表面租糙度测试仪等。理可制成表面租糙度测试仪等。 3.遮光式遮光式 光源发出的光通量经被测物遮去其一部分，使作用在光源发出的光通量经被测物遮去其一部分，使作用在光电元件上的光通量减弱。减弱的程度与被测物在光学通光电元件上的光通量减弱。减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。路中的位置有关。如图如图9-27(c)所示所示。利用这个原理可以制。利用这个原理可以制成测量位移的位移计。也可制成光电测微计。成测量位移的位移计。也可制成光电测微计。图图9-28为光电为光电测微计装置的示意图。它主要用于零件尺寸的

38、检测。测微计装置的示意图。它主要用于零件尺寸的检测。光电式传感器优秀优秀课件图11-28光电测微装置示意图光电式传感器优秀优秀课件4.辐射式辐射式 图图9-27(d)中中被被测测物物体体就就是是光光辐辐射射源源，它它可可以以直直接接照照射射在在光光电电元元件件上上，也也可可以以经经过过一一定定光光路路后后作作用用到到光光电电元元件件上上。图图9-29就是利用这种原理制成的就是利用这种原理制成的WDS型光电比色高温计。型光电比色高温计。WDS型光电比色高温计是非接触式高温测量仪表。目前它型光电比色高温计是非接触式高温测量仪表。目前它可测量的温度范围为可测量的温度范围为8002000，其精度可达，

39、其精度可达0.5%。它是以。它是以辐射体在两个不同波长的辐射能量之比来测量温度的。辐射体在两个不同波长的辐射能量之比来测量温度的。 被测对象经物镜成像于光栏，通过光导混合均匀后，投被测对象经物镜成像于光栏，通过光导混合均匀后，投射在分光镜上，分光镜使长波射在分光镜上，分光镜使长波(红外红外)部分透射，而使短波部分透射，而使短波(可可见光见光)部分反射，透过分光镜的辐射线再经滤光片将其短波部部分反射，透过分光镜的辐射线再经滤光片将其短波部分滤掉，被作为红外接收元件的硅光电池接收，转换成电信分滤掉，被作为红外接收元件的硅光电池接收，转换成电信号输出；反射出来的短波部分经滤光片将长波部分滤掉，被号输

40、出；反射出来的短波部分经滤光片将长波部分滤掉，被作为可见光接收元件的硅光电池接收，同样转换成电信号输作为可见光接收元件的硅光电池接收，同样转换成电信号输出，同时记录下两个光电信号，进行比较得出两个光电信号出，同时记录下两个光电信号，进行比较得出两个光电信号比，从而求出相应的辐射温度。比，从而求出相应的辐射温度。光电式传感器优秀优秀课件图图9-29 WDS型光电比色高温计原理图型光电比色高温计原理图光电式传感器优秀优秀课件二、脉冲式光电传感器二、脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即种稳定状态，即“通通”与

41、与“断断”的开关状态。的开关状态。1.光电式转速计光电式转速计 光电式转速计示意图光电式转速计示意图如图如图9-30所示所示。被测转轴上涂有黑。被测转轴上涂有黑白相间的标志，光源白相间的标志，光源1发射的光经过透镜发射的光经过透镜2、半透明膜、半透明膜3和透和透镜镜4照射到被测的旋转物体照射到被测的旋转物体5上。被测转轴旋转时，明上。被测转轴旋转时，明(白条白条)暗暗 (黑条黑条)变化一次，反射的光信息通过透镜变化一次，反射的光信息通过透镜6、3和和4入射到入射到光电元件光电元件7上。光电元件上。光电元件7由导通变为不导通，因而对应输出由导通变为不导通，因而对应输出一个光电脉冲。通过光电脉冲输

42、入频率计计数，即可得到其一个光电脉冲。通过光电脉冲输入频率计计数，即可得到其转速。转速。光电式传感器优秀优秀课件图图9-30 光电转速计光电转速计光电式传感器优秀优秀课件2.天幕靶天幕靶 天天幕幕靶靶主主要要用用于于对对飞飞行行器器(如如弹弹丸丸)飞飞行行速速度度的的测测定定。天天幕幕靶靶是是利利用用天天空空自自然然光光，通通过过光光学学镜镜头头和和光光学学狭狭缝缝来来给给出出一一个个限限定定的的光光幕幕，天天幕幕以以外外的的天天空空自自然然光光是是无无法法人人射射到到光光电电元元件件上上。其其结结构构示示意意图图如如图图9-31(a)所所示示。天天幕幕靶靶由由两两个个靶靶组组成成，因因而而在

43、在弹弹道道上上两两点点P1、P2处处形形成成两两个个楔楔形形天天幕幕如图如图9-31(b)所示所示。 光学镜头把天幕入射光聚集后，投射到光电元件上。光学镜头把天幕入射光聚集后，投射到光电元件上。平时天空背景亮度变化不大，光电管上接收的光通量变化平时天空背景亮度变化不大，光电管上接收的光通量变化也不大，光电管无突变信号输出。当弹丸通过天幕时，天也不大，光电管无突变信号输出。当弹丸通过天幕时，天幕入射光通量产生突变，经过光学镜头聚焦在光电管上的幕入射光通量产生突变，经过光学镜头聚焦在光电管上的光照也发生突变，使光电管有一脉冲信号输出，经过放大光照也发生突变，使光电管有一脉冲信号输出，经过放大整形通

44、过引出线给计时器一个启停信号，即可测出弹丸通整形通过引出线给计时器一个启停信号，即可测出弹丸通过过P1、P2间所需的时间间所需的时间t 。由于。由于P1、P2间距离是给定的，间距离是给定的，因而可算出这段距离内弹丸的平均速度。天幕靶特别适用因而可算出这段距离内弹丸的平均速度。天幕靶特别适用于高角测速，但不能在夜间使用，若加防护可在雨天和雪于高角测速，但不能在夜间使用，若加防护可在雨天和雪天使用。天使用。光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件11-5 光纤传感器光纤传感器 光光纤纤传传感感器器的的发发展展已已经经日日趋趋成成熟熟，这这一一新新技技术术的的影影响响目目前前已已十十分分明明

45、显显。光光纤纤传传感感器器与与常常规规传传感感器器相相比比具具有有许许多多优优点点：抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力强强；灵灵敏敏度度较较高高；几几何何形形状状具具有有多多方方面面的的适适应应性性，可可以以制制成成任任意意形形状状的的光光纤纤传传感感器器；可可以以制制造造传传感感各各种种不不同同物物理理信信息息(声声、磁磁、温温度度、旋旋转转等等)的的器器件件；光光纤纤传传感感器器可可以以用用于于高高压压、电电气气噪噪声声、高高温温、腐腐蚀蚀或或其其他他的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。 光纤传感器的迅猛发展可始于光纤传感器的迅猛发展可

46、始于1977年，至今已研制成年，至今已研制成多种光纤传感器，被测量遍及位移、速度、加速度、液位、多种光纤传感器，被测量遍及位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电流、电压、磁场和核压力、流量、振动、水声、温度、电流、电压、磁场和核辐射等。辐射等。 光电式传感器优秀优秀课件一、光导纤维一、光导纤维1.光导纤维的结构和传输原理光导纤维的结构和传输原理光导纤维（简称光纤）是用比头发丝还细的石英玻璃丝制光导纤维（简称光纤）是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个成的，每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和色层圆柱形纤芯和色层组成，而且组成，而且纤芯的折射率纤芯的折射率n1略

47、大于色层的折射率略大于色层的折射率n2 ，它们的相对折射率，它们的相对折射率差用差用表示表示通常通常为为0.0050.14。光纤的结构。光纤的结构示于图示于图9-32中中。 众所周知，真空中光是直线传播的。众所周知，真空中光是直线传播的。光纤工作的基础是光纤工作的基础是光的全内反射光的全内反射。图。图9-32所示的圆柱形光纤，它的两个端面均为所示的圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成角光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成角 时，时，根据斯奈尔定律，在光纤内折射成角根据斯奈尔定律，在光纤内折射成角 。然后以。然后以 角入射至角入射至纤芯与色层的界面

48、。当角纤芯与色层的界面。当角 大于纤芯与色层间的临界角时，大于纤芯与色层间的临界角时， 则射入的光线在光纤的界面上产生全内反射，并在光纤内部则射入的光线在光纤的界面上产生全内反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。光电式传感器优秀优秀课件图图9-32 光纤的结构及传输原理光纤的结构及传输原理光电式传感器优秀优秀课件2.光导纤维的种类光导纤维的种类光导纤维按其折射变化情况分为：光导纤维按其折射变化情况分为：阶阶跃跃型型 阶阶跃跃型型光光导导纤纤维维的的纤纤芯芯与与色色层层间间的的折折射射率率是是突突变变的，的，如图如图9-33

49、中的中的(a)和和(b)所示所示。渐变型渐变型 这类光纤在横截面这类光纤在横截面中心处折射率最大中心处折射率最大，其值，其值n1由中心向外逐渐变小，到纤芯边界时变为色层折射率由中心向外逐渐变小，到纤芯边界时变为色层折射率n2。通常折射率通常折射率变化呈抛物线变化呈抛物线形式，即在中心轴附近有更陡的形式，即在中心轴附近有更陡的折射率梯度，而在接近边缘处折射减少得非常缓慢，保证折射率梯度，而在接近边缘处折射减少得非常缓慢，保证传递的光束集中在光纤轴线附近前进。因为这类光纤有聚传递的光束集中在光纤轴线附近前进。因为这类光纤有聚焦作用，所以也称焦作用，所以也称自聚焦光纤自聚焦光纤。如图如图9-33(c

50、)所示所示。 光电式传感器优秀优秀课件图图9-33 光导纤维的种类光导纤维的种类光电式传感器优秀优秀课件光光导导纤纤维维如如按按其其传传输输模模式式多多少少来来分分类类，则则有有单单模模和和多多模两种：模两种： 单单模模光光导导纤纤维维通通常常是是指指跃跃变变型型光光纤纤中中纤纤芯芯尺尺寸寸很很小小(通通常常仅仅几几微微米米)，光光纤纤传传输输的的模模式式很很少少，原原则则上上只只能能传传送送一一种种模模式式的的光光纤纤。这这类类光光纤纤传传输输性性能能好好，频频带带很很宽宽，制制成成的的单单模模传传感感器器较较多多模模传传感感器器有有更更好好的的线线性性、灵灵敏敏度度和和动动态态测测量量范范

51、围围。但但单单模模光光纤纤由由于于芯芯径径太太小小，制制造造连连接接和和耦耦合合都都很困难。很困难。 多模光导纤维多模光导纤维通常是指跃变型光纤中纤芯尺寸较大通常是指跃变型光纤中纤芯尺寸较大(大部分为几十微米大部分为几十微米)、传输模式很多的光纤。这类光纤性、传输模式很多的光纤。这类光纤性能较差，带宽较窄，但由于纤芯的截面积大，容易制造，能较差，带宽较窄，但由于纤芯的截面积大，容易制造，连接藕合也比较方便。连接藕合也比较方便。光电式传感器优秀优秀课件二、光纤传感器按工作原理分二、光纤传感器按工作原理分 光纤传感器按其工作原理来分有光纤传感器按其工作原理来分有功能型功能型(或称物性型、传或称物性

52、型、传感型感型)与与非功能型非功能型(或称结构型或称结构型)两大类。功能型光纤传感器其两大类。功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。非功能型光纤传感器从而对外界因素进行测量和数据传输。非功能型光纤传感器其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。成传感器。 1.功能型光纤传感器功能型光纤传感器 功能型光

53、纤传感器可分为振幅调制型、相位调制型及偏功能型光纤传感器可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。利用光纠量作用下光强的变化来进行探测的传振态调制型。利用光纠量作用下光强的变化来进行探测的传感器称为振幅调制型传感器。利用外界因素对于光纤中光波感器称为振幅调制型传感器。利用外界因素对于光纤中光波相位的影响来探测各种物理量的传感器，称为相位调制型传相位的影响来探测各种物理量的传感器，称为相位调制型传感器。外界因素使光纤中横向偏振态发生变化，对之检测的感器。外界因素使光纤中横向偏振态发生变化，对之检测的传感器，称为偏振态调制型传感器。传感器，称为偏振态调制型传感器。光电式传感器优秀优秀课件（1）振

54、幅调制型传感器）振幅调制型传感器它是利用被测物理量直接或间接对光纤中传输的光进行它是利用被测物理量直接或间接对光纤中传输的光进行强度调制。微弯光纤传感器可构成声传感器或应变传感器。强度调制。微弯光纤传感器可构成声传感器或应变传感器。在这类传感器中，传感元件由可使光纤发生微弯曲变形器件在这类传感器中，传感元件由可使光纤发生微弯曲变形器件组成，比如是一对锯齿板，组成，比如是一对锯齿板，如图如图9-34所示所示，相邻齿之间的距，相邻齿之间的距离离l决定着变形器的空间频率。当锯齿板受到压力决定着变形器的空间频率。当锯齿板受到压力F作用时，作用时，产生位移，使得夹在其中的光纤微弯曲，从而引起光强调制。产

55、生位移，使得夹在其中的光纤微弯曲，从而引起光强调制。因为这时在纤芯中传输的光有部分耦合到色层中，因为这时在纤芯中传输的光有部分耦合到色层中，如图如图9-34(b)所示所示，原来光束以大于临界角的角度在，原来光束以大于临界角的角度在纤芯中传输为全纤芯中传输为全内反射内反射；但在；但在微弯处微弯处，光束以小于临界角的角度入射到界面，光束以小于临界角的角度入射到界面，便便不满足全反射的条件，部分光逸出散射入色层不满足全反射的条件，部分光逸出散射入色层。因此通过。因此通过检测纤芯或色层模的光功率，就能测得力、位移或声压等物检测纤芯或色层模的光功率，就能测得力、位移或声压等物理量。理量。光电式传感器优秀

56、优秀课件图图9-34 微弯光纤传感器微弯光纤传感器光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件 锯锯齿齿板板位位移移小小时时，光光强强与与位位移移的的关关系系是是线线性性的的，否否则则是是非非线线性性的的。这这类类传传感感器器由由于于其其光光路路是是完完全全密密封封的的。因因此此不不受受环环境境因因素素的的影影响响，且且成成本本低低，精精度度高高，可可望望达达到到每每微微米位移的光功率变化米位移的光功率变化5%，检测位移分辨力为，检测位移分辨力为0.01m。（2）光相位调制型）光相位调制型 利用一些被测量引起光纤中光相位变化的原理组成的利用一些被测量引起光纤中光相位变化的原理组成的传感器，

57、具有灵敏、灵活、多样的特点。光纤测温传感器传感器，具有灵敏、灵活、多样的特点。光纤测温传感器就是利用光纤内传输的相位随温度参数的改变而改变的原就是利用光纤内传输的相位随温度参数的改变而改变的原理制成的。光信号相位随温度的变化是由于光纤材料的尺理制成的。光信号相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率随温度改变而引起的。寸和折射率随温度改变而引起的。光电式传感器优秀优秀课件2.非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器（1）光纤位移传感器）光纤位移传感器光纤位移传感器是利用光纤传输光信号的功能，根据光纤位移传感器是利用光纤传输光信号的功能，根据探测到的反射光达到强度来测量被测反射表面的距离，其探测到

58、的反射光达到强度来测量被测反射表面的距离，其原理图原理图如图如图9-36所示所示。它的工作原理是：当光纤探头端部紧。它的工作原理是：当光纤探头端部紧贴被测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，贴被测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，因而光电元件中不能产生电信号；当被测表面逐渐远离光因而光电元件中不能产生电信号；当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积A越来越大，因而越来越大，因而相应的发射光锥重合面积相应的发射光锥重合面积Bl越来越大，因而接收光纤端面上越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的被照亮的B2区也越来越大，有一个线性增

59、长的输出信号；区也越来越大，有一个线性增长的输出信号；当整个接收光纤端面被全部照亮时，输出信号就达到位移当整个接收光纤端面被全部照亮时，输出信号就达到位移一输出信号曲线上的一输出信号曲线上的光峰点光峰点；光电式传感器优秀优秀课件光电式传感器优秀优秀课件当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的B2面积大面积大于于C，即有部分反射光没有反射进接收光纤，但由于接收，即有部分反射光没有反射进接收光纤，但由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光电元光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光电元件的输出信号逐渐减弱，件的输出信号逐渐减弱，如图如图9

60、-36(c)所示所示。图中曲线。图中曲线I段段范围窄，但灵敏度高，线性好，适于测微小位移和表面粗范围窄，但灵敏度高，线性好，适于测微小位移和表面粗糙度等。在图中曲线糙度等。在图中曲线段，信号的减弱与探头和被测表面段，信号的减弱与探头和被测表面之间的距离平方成反比。之间的距离平方成反比。 标准的光纤位移传感器中，由标准的光纤位移传感器中，由600根光纤组成一个直根光纤组成一个直径为径为0.762mm的光缆。发射和接收光纤的组合方式有混合的光缆。发射和接收光纤的组合方式有混合式、半球形对半分式、共轴内发射分布和共轴外发射分布式、半球形对半分式、共轴内发射分布和共轴外发射分布四种。混合式的灵敏度最高

61、，而对半分式的四种。混合式的灵敏度最高，而对半分式的I区段范围最区段范围最大。大。光电式传感器优秀优秀课件（2）光纤测温传感器）光纤测温传感器 光纤测温技术除用上述介绍的相位调制法外，尚有很光纤测温技术除用上述介绍的相位调制法外，尚有很多方法。其中一种是利用被测表面辐射能量随温度变化而多方法。其中一种是利用被测表面辐射能量随温度变化而变化的特点，利用光纤将辐射能量传输到热敏元件上，经变化的特点，利用光纤将辐射能量传输到热敏元件上，经过转换，再变成可供记录和显示的电信号。如目前液体炸过转换，再变成可供记录和显示的电信号。如目前液体炸药爆温的测量，采用比色测温法，就是用光导纤维来传输药爆温的测量，

62、采用比色测温法，就是用光导纤维来传输爆炸辐射能的。用该方法的独特之处是可以远距离测量。爆炸辐射能的。用该方法的独特之处是可以远距离测量。（3）光频率调制型光纤传感器）光频率调制型光纤传感器 光光频频率率调调制制是是基基于于被被测测物物体体的的入入射射光光频频率率与与其其反反射射光光的的多多普普勒勒效效应应，所所以以主主要要用用来来测测量量运运动动物物体体的的速速度度。如如果果频频率率为为fi的的光光照照射射在在相相对对速速度度u的的运运动动物物体体上上。则则从从该该运运动动体反射的光频率体反射的光频率fs发生变化，发生变化， 根据这一原理，可以制成光纤激光根据这一原理，可以制成光纤激光多普勒测振仪，多普勒测振仪，测量的灵敏度非常高。同时，还应用于测血液流量，制成测量的灵敏度非常高。同时，还应用于测血液流量，制成光纤多普勒血液流量计。光纤多普勒血液流量计。光电式传感器优秀优秀课件