自动检测技术及应用：第十章（上） 光电传感器

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1、第十章（上）第十章（上） 光电传感器光电传感器第十章（上）介绍第十章（上）介绍光电效应光电效应、光电元件光电元件的分的分类、结构、工作原理、特性、应用电路，以及类、结构、工作原理、特性、应用电路，以及光光电传感器电传感器的的四种类型的应用实例四种类型的应用实例。还简单介绍了。还简单介绍了光辐射的基本知识。光辐射的基本知识。第十章（中）介绍第十章（中）介绍光电开关及光电断续器光电开关及光电断续器的的原理及应用见。原理及应用见。第十章（下）介绍第十章（下）介绍CCDCCD图像传感器图像传感器、热成像技热成像技术术、光导纤维传感器光导纤维传感器的原理及应用。的原理及应用。10.1 10.1 光电效应

2、与光电元件光电效应与光电元件10.2 10.2 光电元件的基本应用电路光电元件的基本应用电路10.3 10.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 第十章（上）光电传感器第十章（上）光电传感器 目录目录进入进入进入进入进入进入1905年德国物理学家爱年德国物理学家爱因斯坦因斯坦用光量子学说解释用光量子学说解释了光电发射效应了光电发射效应，并为此，并为此而获得而获得1921年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖学奖。用光照射某一物体，可用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能以看作物体受到一连串能量为量为hf （或（或h）的光子的）的光子的轰击，轰击，组成这物体的材料组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应

3、吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象电效应的物理现象称为称为光光电效应电效应。第一节第一节光电效应及光电元件光电效应及光电元件光电效应的分类光电效应的分类第第一一类类：在在光光线线的的作作用用下下能能使使电电子子逸逸出出物物体体表表面面的的现现象象称称为为外外光光电电效效应应，基基于于外外光光电电效效应应的的光光电电元元件件有有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。光电管、光电倍增管、光电摄像管等。第第二二类类：在在光光线线的的作作用用下下能能使使物物体体的的电电阻阻率率改改变变的的现现象象称称为为内内光光电电效效应应，也也称称为为光光电电导导效效应应。基基于于内内光光电电效效应应的的光光电电元

4、元件件有有光光敏敏电电阻阻、光光敏敏二二极极管管、光光敏敏晶晶体管及光敏晶闸管等。体管及光敏晶闸管等。第第三三类类：在在光光线线的的作作用用下下，物物体体产产生生一一定定方方向向电电动动势势的的现现象象称称为为光光生生伏伏特特效效应应，基基于于光光生生伏伏特特效效应应的的光光电元件有光电池等。电元件有光电池等。第第一一类类光光电电元元件件属属于于玻玻璃璃真真空空管管元元件件，第第二二、三三类类属于半导体元件属于半导体元件。1 1）外光电效应）外光电效应a)光电管光电管b)外光电效应示意外光电效应示意1阳极阳极a2阴极阴极k3石英玻璃外壳石英玻璃外壳4抽气管蒂抽气管蒂5阳极引脚阳极引脚6阴极引脚

5、阴极引脚7金属表面金属表面8光子光子9光致发射电子光致发射电子金属板金属板“光电子光电子”爱因斯坦光电方程爱因斯坦光电方程电子逸出金属表面的速度电子逸出金属表面的速度v可由可由能量守恒定律确定：能量守恒定律确定：式中式中m电子质量；电子质量；W金属光电阴极材料的逸出功；金属光电阴极材料的逸出功；f入射光的频率。入射光的频率。由由于于逸逸出出功功与与材材料料的的性性质质有有关关，当当材材料料选选定定后后，要要使使金金属属表表面面有有电电子子逸逸出出，入入射射光光的的频频率率f应应有有一一最最低低的的限限度度值值。当当hf小小于于W时时，即即使使光光通通量量很很大大，照照射射时时间间很很长长，也也

6、不不可可能能有有电电子子逸逸出出，这个这个最低限度的频率称为红限最低限度的频率称为红限。几种金属逸出功的近似值几种金属逸出功的近似值(eV)根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子吸收。时，它的能量可以被物体中的某个电子吸收。电子吸收光子的能量电子吸收光子的能量hf（有时也用有时也用h表示表示）后，后，能量增加能量增加。如果电子吸收的能量如果电子吸收的能量hf足够大，能够足够大，能够克服脱离原子所需要的能量克服脱离原子所需要的能量（即电离能量）（即电离能量）I和和脱离物体表面时的逸出功脱离物体表面时的逸出功W，电子就能够离开

7、金，电子就能够离开金属表面，而脱逸出来，称为属表面，而脱逸出来，称为“光电子光电子”。光电。光电子的逸出方向基本与金属板垂直。子的逸出方向基本与金属板垂直。钠钠铝铝锌锌铜铜银银铂铂2.46 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35-金金属属束缚束缚电子电子-光的频率、波长、光速之间的关系光的频率、波长、光速之间的关系不不同同物物质质的的相相应应的的红红限限波波长长是是不不同同的的。在在光光电电技技术术中中，经经常常使使用用光光的的波波长长，而而不不是是光光的的频频率率。光光的的波波长长与与光光的的频频率率f、光光速速c之之间间的的关关系系为为=c/f ，c3108m/s。当当hf大大于

8、于W时时，光光通通量量越越大大，撞撞击击到到阴阴极极的的光光子子数数目目也也越越多多，逸逸出出的的电电子子数数目目也也越越多多，光光电电流流I就越大。就越大。光速不变光速不变电磁波频谱（光是一种电磁波）电磁波频谱（光是一种电磁波）光电管电路及特性光电管电路及特性金属阳极金属阳极a和阴极和阴极k封装在一封装在一个石英玻璃壳内。当入射光照个石英玻璃壳内。当入射光照射在阴极板上时射在阴极板上时,光子的能量传光子的能量传递给阴极表面的电子递给阴极表面的电子,当电子获当电子获得的能量足够大时得的能量足够大时,电子就可以电子就可以克服金属表面对它的束缚而逸克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面出金属表面,形

9、成电子发射形成电子发射。当。当光电管阳极加上数十伏电压时光电管阳极加上数十伏电压时,从阴极表面逸出的从阴极表面逸出的“光电子光电子”被具有正电压的阳极所吸引被具有正电压的阳极所吸引,在在光电管中形成电流光电管中形成电流,简称为光电简称为光电流流,光电流光电流I正比于光电子数正比于光电子数,而而光电子数又正比于光照度。光电子数又正比于光照度。1低照度时的曲线低照度时的曲线2紫外线增强时的曲线紫外线增强时的曲线光电倍增管光电倍增管外外光光电电效效应应的的典典型型元元器器件件还还有有光光电电倍倍增增管管。它它的的灵灵敏敏度度比比上上述述光光电电管管高高出出几几万万倍倍以以上上，在在星星光光下下就就可

10、可以以产产生生可可观观的的电电流流，光光通通量量在在10-1410-6lm（流流明明）的的很很大大变变化化区间里，其输出电流均能保持线性区间里，其输出电流均能保持线性。因因此此光光电电倍倍增增管管可可用用于于微微光光测测量量,如如探探测测高高能能射射线线产产生生的的辉辉光光等等。但但由由于于光光电电倍倍增增管管是是玻玻璃璃真真空空器器件件，体体积积大大、易易破破碎碎,工工作作电电压压高高达达上上千千伏伏,所所以以目目前前已已逐逐渐渐被被新新型半导体光敏元件所取代型半导体光敏元件所取代。微弱微弱光照光照 紫外光电管紫外光电管当入射紫外线照射当入射紫外线照射在紫外管在紫外管阴极板上阴极板上时，时，

11、电子克服金属表面对它电子克服金属表面对它的束缚而的束缚而逸出金属表面，逸出金属表面，形成电子发射形成电子发射。紫外管。紫外管多用于多用于紫外线测量紫外线测量、火火焰监测焰监测等。等。可见光较难可见光较难引起光电子的发射。引起光电子的发射。火焰的辐射光中包火焰的辐射光中包含了较大比例的紫外光含了较大比例的紫外光，有别于灯光，以及纯粹有别于灯光，以及纯粹的高温红外辐射。的高温红外辐射。紫外线紫外线玻壳用玻壳用对紫外线对紫外线透光率较好的石透光率较好的石英材料英材料制造制造二、基于内光电效应的光电元件二、基于内光电效应的光电元件 1 1光敏电阻光敏电阻在在半半导导体体光光敏敏材材料料两两端端装装上上

12、电电极极引引线线，将将其其封封装装在在带带有有透透明明窗窗的的管管壳壳里里就就构构成成光光敏敏电电阻阻。为为了了增增加加灵灵敏敏度，两电极常做成梳状。度，两电极常做成梳状。光敏电阻的图形符号光敏电阻的图形符号：构成光敏电阻的材料构成光敏电阻的材料有：有：金金属属的的硫硫化化物物(如如CdS)、硒硒化化物物、碲碲化化物物等等半半导导体体。半半导导体体的的导导电电能能力力取取决决于于半半导导体体载载流流子子数数目目的的多多少少。当当光光敏敏电电阻阻受受到到光光照照时时，若若光光子子能能量量hf大大于于该该半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度，则则价价带带中中的的电电子子吸吸收收光光子子能能量量

13、后后，跃跃迁迁到到导导带带，成成为为自自由由电电子子，同同时时产产生生空空穴穴，电电子子-空空穴穴对对的的出出现现使使电电阻阻率率变变小小。光光照照越越强强，光光生生电电子子-空空穴穴对对就就越越多多，阻阻值值就就越越低低。入入射射光光消消失失，电电子子-空空穴穴对对逐逐渐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。复合，电阻也逐渐恢复原值。光敏电阻外形及结构光敏电阻外形及结构当光敏电阻受到光当光敏电阻受到光照时，照时， 左右电极之左右电极之间的阻值减小。间的阻值减小。光敏电阻光敏电阻原理演示原理演示当光敏电阻当光敏电阻受到光照时受到光照时，光生电子光生电子-空空穴对增加穴对增加，阻阻值减小值减小，电流电流增

14、大增大。暗电流暗电流（温度升高，暗电增大）（温度升高，暗电增大）光照产生的电流光照产生的电流称为亮电流称为亮电流光敏电阻的特性和参数光敏电阻的特性和参数1）暗暗电电阻阻：置置于于室室温温、全全暗暗条条件件下下测测得得的的稳稳定定电电阻阻值值称称为为暗暗电电阻阻，通通常常大大于于1M。光光敏敏电电阻阻受受温温度度影影响响甚甚大大，温温度度上上升升，暗暗电电阻阻减减小小，暗暗电电流流增增大大，灵灵敏敏度度下降下降，这是光敏电阻的一大缺点。，这是光敏电阻的一大缺点。2）光光电电特特性性：在在光光敏敏电电阻阻两两极极电电压压固固定定不不变变时时,光光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性照度与电阻及电流

15、间的关系称为光电特性(非线性严重非线性严重)3）响响应应时时间间：光光敏敏电电阻阻受受光光照照后后，光光电电流流需需要要经经过过一一段段时时间间（上上升升时时间间）才才能能达达到到其其稳稳定定值值。同同样样，在在停停止止光光照照后后，光光电电流流也也需需要要经经过过一一段段时时间间(下下降降时时间间)才才能能恢恢复复到到其其暗暗电电流流值值，（时时延延特特性性）。光光敏敏电电阻阻的的上上升升响响应应时时间间和和下下降降响响应应时时间间约约为为102103s，光光敏敏电电阻阻不不能能用用在在要求快速响应的场合要求快速响应的场合。部分光敏电阻的特性参数部分光敏电阻的特性参数二、光敏管二、光敏管光光

16、敏敏二二极极管管、光光敏敏晶晶体体管管、光光敏敏晶晶闸闸管管等等统统称称为为光光敏敏管管，它它们们的的工工作作原原理理是是基基于于内内光光电电效效应应。光光敏敏晶晶体体管管的的灵灵敏敏度度比比二二极极管管高高，但但频频率率特特性性较较差差，暗暗电电流流也也较较大大。目目前前还还研研制制出出光光敏敏晶晶闸闸管管，它它的的导导通通电电流流比比光光敏敏晶晶体体管管大大得得多多，工工作作电电压压有有的的可可达达数数百百伏伏，因因此此输输出出功功率率大大，主要用于光耦合器（俗称光电耦合器）中。主要用于光耦合器（俗称光电耦合器）中。光敏二极管的结构光敏二极管的结构光光敏敏二二极极管管的的PN结结被被设设置

17、置在在透透明明管管壳壳顶顶部部的的正正下下方方，可可以以直直接接受受到到光光的的照射。照射。1负极引脚负极引脚2管芯管芯3外壳外壳4玻璃聚光镜玻璃聚光镜5正极引脚正极引脚6N型衬底型衬底7SiO2保护圈保护圈8SiO2透明保护层透明保护层9铝引出电极铝引出电极10P型扩散层型扩散层11耗尽层耗尽层12金丝引出线金丝引出线光敏二极管的工作原理光敏二极管的工作原理没有光照时，没有光照时，由于二极管反由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，向偏置，所以反向电流很小，称为暗电流称为暗电流，相当于普通二，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。极管的反向饱和漏电流。当合适波长的光照射在光敏当合适波长的光照射在光

18、敏二极管的二极管的PN结（又称耗尽层）结（又称耗尽层）上上时时，原原子子中中的的电电子子吸吸收收光光子子的的能能量量，变变成成自自由由光光子子。相应地，产生同样数量的空穴。相应地，产生同样数量的空穴。光光照照增增强强，产产生生的的电电子子-空空穴穴对对数数量量也也随随之之增增加加，在在外外加加的的反反向向电电压压的的作作用用下下，电电子子漂漂移移到到N区区，空空穴穴漂漂移移到到P区区，从从而而产产生生反反向向电电流流电电流流（称称为为光光电电流流），光光电电流与照度成正比。流与照度成正比。部分光敏二极管特性参数部分光敏二极管特性参数.光敏二极管实物照片光敏二极管实物照片将光敏二极管的将光敏二极

19、管的PN结设置在透明管壳顶部结设置在透明管壳顶部的正下方，的正下方，光照射到光光照射到光敏二极管的敏二极管的PN结结时，时，电子电子-空穴对数量增加空穴对数量增加，光电流与照度成正比光电流与照度成正比。透镜透镜+-光敏二极管外形光敏二极管外形光敏二极管阵列光敏二极管阵列包含包含1024个个InGaAs元件的线性光电二极管阵元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜等。列，可用于分光镜等。光敏二极管伏安特性及红外发射、接收对管光敏二极管伏安特性及红外发射、接收对管红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管光敏二极管的伏安特性光敏二极管的伏安特性光敏二极管的反向光敏二极管的反向偏置接法偏置接法在没有光照

20、时，由于在没有光照时，由于二二极管反向偏置，所以反向极管反向偏置，所以反向电流很小电流很小，这时的电流，这时的电流称称为暗电流为暗电流，相当于普通二，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的当光照射在二极管的PNPN结结（又称耗尽层）上时，（又称耗尽层）上时，在在PNPN结附近产生的电子结附近产生的电子- -空空穴对数量也随之增加穴对数量也随之增加，光光电流也相应增大电流也相应增大，光电流光电流与照度成正比与照度成正比。 电路的输出电压电路的输出电压Uo与光电流与光电流ID成正比，成正比，在一定范围内，与在一定范围内，与光照度光照度E 成正比。成正比。 光敏二

21、极管的反向偏置接光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性线（参考上页图）及光电特性演示演示 在在没有光照没有光照时，由于二极时，由于二极管反向偏置，管反向偏置，反向电流反向电流（暗电流）很小（暗电流）很小。当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比比关系。关系。 光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照特殊光敏二极管特殊光敏二极管PIN二极管二极管PIN光光敏敏二二极极管管是是在在P区区和和N区区之之间间插插入入一一层层较较厚厚的的I本本征征半半导导体体层层，从从而而使使PN结结的的间间距距加加宽宽，结结电电容容变变小小(几几个个pF)。

22、因因此此，PIN光光敏敏二二极极管管的的频频带带较较宽宽，可可达达GHz数数量量级级。PIN光光敏敏二二极极管管的的工工作作电电压压（反反向向偏偏置置电电压压）只只需需十十几几伏伏，光光电电转转换换效效率率较较高高，灵灵敏敏度度比比普普通通的的光光敏敏二二极极管管高高得得多多。特特殊殊结结构构的的PIN二二极极管管可可用用于于测测量量紫紫外外线线、X射射线线或或射射线线。PIN光光敏敏二二极极管管的的缺缺点点是是I层层电电阻阻较较大大，输输出出电电流流较较小小，一一般般多多为为微微安安数数量量级级，没没有有倍倍增增效效应应。目目前前已已将将PIN管管与与前前置置运运算算放放大大器器集集成成在在

23、同同一一硅硅片片上上，并并封封装装于于一一个个管管壳壳内内，用于较短距离的光纤通信。用于较短距离的光纤通信。PIN二极管二极管.PIN二极管的二极管的PN结与内部电场结与内部电场.特殊光敏二极管特殊光敏二极管APD二极管二极管APD光光敏敏二二极极管管(雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管)是是一一种种具具有有内内部部倍倍增增放放大大作作用用的的光光敏敏二二极极管管,灵灵敏敏度度比比PIN大大几几百百倍倍。当当有有一一个个光光子子从从外外部部射射入入到到其其PN结结上上时时,将将产产生生一一个个电电子子空空穴穴对对。由由于于PN结结上上施施加加了了较较高高的的工工作作电电压压(约约100V),接接近近

24、于于反反向向击击穿穿电电压压。PN结结中中的的电电场场强强度度可可达达104V/mm数数量量级级，因因此此能能将将光光子子所所产产生生的的光光电电子子加加速速到到具具有有很很高高的的动动能能,撞撞击击其其他他原原子子,产产生生新新的的电电子子空空穴穴对对,如如此此多多次次碰碰撞撞,以以致致最最终终造造成成载载流流子子按按几几何何级级数数剧剧增增的的“雪雪崩崩”效效应应,形形成成对对原原始始光光电电流流的的放放大大作作用用,增增益益可可达达几几千千倍倍,而而雪雪崩崩产产生生和和恢恢复复所所需需的的时时间间可可小小于于10ns,适适用用于于微微光光信信号号检检测测以以及及长长距距离离光光纤纤通通信

25、信,可可以以取取代代光光电电倍倍增增管管。APD光光敏敏二二极极管管的的主主要要缺缺点点：噪噪声声大大。若若有有用用光电信号只有几个毫微瓦光电信号只有几个毫微瓦(nW),就会被噪声淹没就会被噪声淹没。APD光敏二极管的光敏二极管的PN结、内部电场分布结、内部电场分布及电子倍增及电子倍增APD载流子雪崩式倍增示意图载流子雪崩式倍增示意图APD光敏二极管的光敏二极管的外形及用途外形及用途APD二极管适用于二极管适用于微光测微光测量和光纤通信量和光纤通信。GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数系列硅雪崩光电二极管的特性参数 参数参数单位单位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直

26、径光敏面直径mm0.20.50.8工作电压工作电压V100150100150150250暗电流暗电流nA152535响应度响应度V/w606060上升时间上升时间ns134噪声等效功率噪声等效功率 Pw/Hz1/20.050.070.09结电容结电容pF11.52使用温度范围使用温度范围 -20+40-20+40-20+40封装形式封装形式TO型型光纤型光纤型TO型型TO型型.InGaAs近红外增强雪崩二极管特性近红外增强雪崩二极管特性材料材料InGaAs-APD工作波长工作波长/m1.55量子效率量子效率/%75响应度响应度/AW-10.94暗电流暗电流/nA20检测带宽检测带宽/GHz3.

27、0附加电容附加电容/pF0.5典型应用典型应用2.5Gb/s光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管又称光敏晶体管又称“光敏三极管光敏三极管”，它有两，它有两个个PN结结。与普通晶体管相似，。与普通晶体管相似，有电流增益，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高灵敏度比光敏二极管高。多数光敏晶体管的多数光敏晶体管的基极没有引出线基极没有引出线，只有正负（只有正负（C、E）两个引两个引脚脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。上很难区别。 光敏晶体管的结构光敏晶体管的结构a）管芯结构）管芯结构b)结构简化图结构简化图c）光敏晶体管图形符号）光敏晶体管图形符号1N+衬底

28、衬底2N型集电区型集电区3透光透光SiO2保护圈保护圈4集电结集电结JC5P型基区型基区6发射结发射结JE7N型发射区型发射区NPN型光敏晶体管的电流增益型光敏晶体管的电流增益光光敏敏晶晶体体管管的的集集电电结结反反偏偏，发发射射结结正正偏偏，有有电流增益电流增益。入入射射光光子子在在集集电电结结附附近近产产生生电电子子-空空穴穴对对，集集电电 极极 电电 流流 IC是是原原始始光光电电流的流的倍。倍。光线光线集电结集电结(反偏反偏)IC=IB大大于于3V光敏三极管的外形光敏三极管的外形多数只有多数只有C、E两个电极两个电极CEBCE硅光敏晶体管的伏安特性硅光敏晶体管的伏安特性光光敏敏晶晶体体

29、管管在在不不同同照照度度下下的的伏伏安安特特性性与与一一般般晶晶体体管管在在不不同同基基极极电电流流下下的的输输出出特特性性相相似似。光光敏敏晶晶体体管管的的工工作作电电压压一一般般应应大大于于3V。若若在在伏伏安安特特性性曲曲线线上上作作负负载载线线，便便可可求求得得某某光光强强下下的的输输出电压出电压UCE。硅光敏晶体管硅光敏晶体管的光谱特性的光谱特性电磁波频谱电磁波频谱光的辐射基础光的辐射基础硅光敏硅光敏晶体管的晶体管的光谱特性光谱特性电磁波频谱电磁波频谱几种光敏材料的光谱峰值波长几种光敏材料的光谱峰值波长.材料材料名称名称GaAsPGaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSb

30、GaInAsInSb峰值峰值波长波长/m0.60.650.8121.31.31.41.655.0光敏二极管、晶体管的光电特性比较光敏二极管、晶体管的光电特性比较0光照光照光电流光电流光敏晶体管光敏晶体管光敏二极管光敏二极管3000lx4mA请分析请分析光敏二极管、光敏二极管、光敏晶体管的光敏晶体管的灵敏度曲线差异灵敏度曲线差异0.3mA请作图、计算当请作图、计算当E=1000lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流IIEICE0光敏管的特性（续）光敏管的特性（续）温温度度特特性性：温温度度变变化化对对亮亮电电流流影影响响不不大大，但但对对暗暗电电流流的的影影响响非非常常大大，并并且且是

31、是非非线线性性的的，将将给给微微光光测测量量带带来来误误差差。硅硅光光敏敏晶晶体体管管的的温温漂漂比比光光敏敏二二极极管管大大许许多多，虽虽然然硅硅光光敏敏晶晶体体管管的的灵灵敏敏度度较较高高，但但在在要要求求准准确确度度测测量量中中却却必必须须选选用用硅硅光光敏敏二二极极管管，并并采采用用低低温温漂漂、高高准准确确度度的的运运算算放大器来提高检测灵敏度。放大器来提高检测灵敏度。响响应应时时间间：工工业业级级硅硅光光敏敏二二极极管管的的响响应应时时间间为为10-5-510-7-7s左左右右，光光敏敏晶晶体体管管的的响响应应时时间间比比相相应应的的二二极极管管约约慢慢一一个个数数量量级级，因因此

32、此在在要要求求快快速速响响应应或或入入射射光光调调制制频频率率（明明暗暗交交替替频频率率）较较高高时，应选用硅光敏二极管。时，应选用硅光敏二极管。光敏管的频率特性光敏管的频率特性当光脉冲的重复频率提高时，光敏二极管的输出电当光脉冲的重复频率提高时，光敏二极管的输出电流的变化无法立即跟上光脉冲的变化，输出波形产生流的变化无法立即跟上光脉冲的变化，输出波形产生失真失真。当光敏二极管的输出电流或电压脉冲幅度减小。当光敏二极管的输出电流或电压脉冲幅度减小到低频时的到低频时的1/（0.707倍）时倍）时,该光脉冲的调制频率该光脉冲的调制频率就是光敏二极管的最高工作频率就是光敏二极管的最高工作频率fH，又

33、称截止频率。，又称截止频率。tr为上升时间为上升时间，tf为下降时间为下降时间。a）输入调制光脉冲）输入调制光脉冲b）光敏二极管脉冲响应）光敏二极管脉冲响应光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性由由于于光光敏敏晶晶体体管管基基区区的的电电荷荷存存储储效效应应，所所以以在在强强光光照照和和无无光光照照切切换换时时，光光敏敏晶晶体体管管的的饱饱和和与与截截止止需需要要更更多多的的时时间间，所所以以它它对对入入射射调调制制光光脉脉冲冲的的响响应应时时间间比比光光敏二极管慢敏二极管慢，最高工作频率最高工作频率fH也比光敏二极管低也比光敏二极管低。光敏晶体管的基极与集电极之间虽光敏晶体管的基极与集电极

34、之间虽然只有几个然只有几个pF的极间电容的极间电容CCB，但是，但是，由于存在由于存在密勒效应密勒效应，等效于在集电极等效于在集电极与发射极之间存在一个被与发射极之间存在一个被“放大放大”了了的的极间电容的的极间电容CCE=CCB，集射电容集射电容减缓了集电极电流的突变速度减缓了集电极电流的突变速度，导致，导致光敏晶体管的频率特性变差光敏晶体管的频率特性变差。3DU光敏三极管特性参数光敏三极管特性参数光敏达林顿管光敏达林顿管将将光光敏敏三三极极管管与与另另一一个个普普通通三三极极管管制制作作在在同同一一个个管管芯芯里里，连连接接成成复复合合管管型型式式，称称为为达达林林顿顿型型光光敏敏三三极极

35、管管。它它的的灵灵敏敏度度更更高高（=12），且且允允许许输输出出较较大大的的电电流流。但但是是达达林林顿顿光光敏敏三三极极管管的的漏漏电电（暗暗电电流流）也也较较大大，频频响较差，温漂也较大响较差，温漂也较大。光敏达林顿三极管光敏达林顿三极管图形符号图形符号达林顿型光耦合器达林顿型光耦合器输出电流可达输出电流可达50mA光敏晶闸管光敏晶闸管光敏晶闸管有光敏晶闸管有三个引出电极三个引出电极，即，即阳极阳极a、阴极、阴极k和和门极门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。载串联后接电源正极，阴

36、极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上结上时时,将将产生门极电流产生门极电流,从而使光敏晶闸管从阻断状从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后态变为导通状态。导通后,即使光照消失即使光照消失,光敏晶闸管仍光敏晶闸管仍维持导通维持导通。使阳极与阴极的电压反向。使阳极与阴极的电压反向,或使负载电流小于其维持电流，晶闸管截止。或使负载电流小于其维持电流，晶闸管截止。光敏晶闸管的特点是：光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多导通电流比光敏三极管大得多,工作电工作电压可达近千伏压可达近千伏，因此，因

37、此输出功率大，可用输出功率大，可用于工业自动检测控制于工业自动检测控制。光敏晶闸管用于光控路灯电路光敏晶闸管用于光控路灯电路光敏面光敏面光照小于设定值时光照小于设定值时,VT1截止截止,VT2的门极电流的门极电流Ig2增大增大,VT2导通导通,电灯电灯HL亮。减小亮。减小Rg,门极电流被旁路门极电流被旁路,灵敏度灵敏度降低。降低。光敏晶闸管多用于弱电控制强电的光耦电路光敏晶闸管多用于弱电控制强电的光耦电路双向过零触发晶闸管光耦双向过零触发晶闸管光耦MOC30系列系列2024/8/1553单片机控制灯光或交流继电器电路单片机控制灯光或交流继电器电路.三、基于光生伏特效应的光电元件三、基于光生伏特

38、效应的光电元件光电池光电池在在P型衬底型衬底上制造一很薄、透明的上制造一很薄、透明的N型层型层作为作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，光子的能量足够大时，PN N结每吸收一个光子就结每吸收一个光子就产生一对光生电子产生一对光生电子- -空穴对空穴对， 光生光生 电子电子- -空穴空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，型区，空穴空穴漂移到漂移到P区区，所以，所以N区带负电，区带负电，P区区带正电带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就

39、有一个稳定的光生电动势输出，这结两侧就有一个稳定的光生电动势输出，这就是光生伏特效应。就是光生伏特效应。 回目录回目录太阳能电池太阳能电池的种类的种类非晶硅可挠式非晶硅可挠式光电池的结构及工作原理示意图光电池的结构及工作原理示意图.光电池内部载流子的漂移示意图光电池内部载流子的漂移示意图入射光线入射光线光电池光电池外形外形光敏面光敏面1.硅光电池的图形符号及等效电路硅光电池的图形符号及等效电路当光电池短路时，相当于电流源；当光电池短路时，相当于电流源；当光电池开路时，相当于电压源；当光电池开路时，相当于电压源；E2. .硅光电池的主要特性硅光电池的主要特性开开路路电电压压Uoc：在在一一定定光

40、光照照下下，硅硅光光电电池池两两个个输输出出端端开开路路时时，所所产产生生的的电电动动势势。短短路路电电流流ISc：在在一一定定光光照照下下，硅硅光光电电池池所所接接负负载载电电阻阻为为零零时时，流流过过硅硅光光电电池池的的电电流流。暗暗电电流流ID：在在无无光光照照的的条条件件下下，在在硅硅光光电电池池两两端端施施加加额额定定反反向向电电压压时时所所产产生生的的电电流流。反反向向阻阻抗抗R:在在无无光光照照的的条条件件下下，在在硅硅光光电电池池两两端端施施加加额额定定反反向向电电压压时时所所呈呈现现的的阻阻抗抗。峰峰值值波波长长o：响响应应光光谱谱转转换换效效率率最最大大处处的的波波长长。上

41、上、下下限限波波长长1、2：响响应应光光谱谱中中转转换换峰峰值值的的50%处处所所对对应应的的上上、下下限限波波长长。最最大大反反向向电电压压URM：使使用用硅硅光光电电池池时时所所允允许许加加的的极极限限反反向向电电压压(由由串串联联的的其其他他电电池池产产生生)。转转换换效效率率：硅硅光光电电池池输输出出电电能能与与输入光能量的比值。输入光能量的比值。光谱特性：光谱特性：硅硅光光电电池池对对近近红红外外敏敏感感。硒硒光光电电池池对对可可见见光光敏敏感感。随随着着制制造造技技术术的的进进步步,硅硅光光电电池池已已具具有有从从蓝蓝紫紫到到近近红红外外的的宽宽光光谱谱特特性性。目目前前许许多多厂

42、厂商商已已生生产产出出峰峰值值波波长长为为0.7m(可可见见光光)的的硅硅光光电电池池,在在紫紫光光(0.4m)附附近近仍仍有有4060%的相对灵敏度的相对灵敏度。硒、硅、锗光电池的光谱特性比较硒、硅、锗光电池的光谱特性比较光电池的光电特性光电池的光电特性光光电电池池的的负负载载电电阻阻不不同同，输输出出电电压压和和电电流流也也不不同同。开开路路电电压压Uo与与光光照照度度的的关关系系呈呈非非线线性性，近近似似于于对对数数关关系系，在在2000lx照照度度以以上上就就趋趋于于饱饱和和。负负载载电电阻阻越越小小，光光电电流流与与照照度度之之间间的的线线性性关关系系就就愈愈好好。当当负负载载短短路

43、路时时，光光电电流流在在很很大大范范围围内内与与照照度度成成线线性性关关系系，当当希希望望光光电电池池的的输输出出与光照度成正比时与光照度成正比时.应把光电池作为电流源应把光电池作为电流源来使用。来使用。当被测非当被测非电量是开关电量是开关量时，也可量时，也可以把光电池以把光电池作为电压源作为电压源来使用。来使用。开路电压开路电压对数特性对数特性短路电流短路电流光电池的光电特性光电池的光电特性 演示演示0光照光照请作图计算当请作图计算当E=1000lx时，光电池的电流时，光电池的电流I和电压和电压Uoc开路输出电压开路输出电压10000lx0.6V开路电压开路电压UococE8mA5000lx

44、短路输出电流短路输出电流短路电流短路电流Iscsc4mA0.55V结论？结论？光电池的温度特性光电池的温度特性光光电电池池的的温温度度特特性性是是描描述述光光电电池池的的开开路路电电压压Uo及及短短路路电电流流Io随随温温度度变变化化的的特特性性。开开路路电电压压随随温温度度增增加加而而下下降降，开开路路电电压压的的温温度度系系数数约约为为- -0.34%/；短短路路电电流流温温度度系系数数：+0.017%/。工工作作温温度度范范围围：- -40+90。当当光光电电池池作作为为检检测测元元件件时时,应应考考虑虑温温度度漂漂移移的的影影响响,采采取取相应措施进行温度补偿。相应措施进行温度补偿。硅

45、光电池硅光电池温度特性温度特性光电池的频率特性光电池的频率特性频频率率特特性性是是描描述述入入射射光光的的调调制制频频率率与与光光电电池池输输出出电电流流间间的的关关系系。由由于于光光电电池池受受照照射射产产生生电电子子-空空穴穴对对需需要要一一定定的的时时间间，因因此此当当入入射射光光的的调调制制频频率率太太高高时时，光光电电池的输出光电流将下降池的输出光电流将下降。硅硅光光电电池池的的面面积积越越小小，PN结结的的极极间间电电容容也也越越小小，高高频频转转折折频频率率就就越越高高，硅硅光光电电池池的的频频率率响响应可达数兆赫。应可达数兆赫。能提供较大电流的能提供较大电流的大面积光电池大面积

46、光电池外形外形（频率特性很差）（频率特性很差）光电池光电池组件组件光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电风扇太阳能电风扇太阳能太阳能硅光电池板硅光电池板光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）沙漠住宅太阳能供电沙漠住宅太阳能供电光电池在动力方面的光电池在动力方面的应用（续）应用（续）嫦娥飞船上的光电池板嫦娥飞船上的光电池板各种光电池各种光电池柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池四象限探测器四象限探测器：完全对称的：完全对称的4个光敏元个光敏元件件置于光学系统焦平面上置于光学系统焦平面上。当目标成像不。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探

47、测器输出的光在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同。常用于激光制导、跟电信号幅度不相同。常用于激光制导、跟踪等。踪等。第二节第二节光电元件的基本应用电路光电元件的基本应用电路一、光敏电阻基本应用电路一、光敏电阻基本应用电路图图a中中，当当无无光光照照时时，光光敏敏电电阻阻R很很大大，I在在RL上上的的压压降降Uo很很小小。随随着着入入射射光光增增大大，R减减小小，Uo随随之之增增大大。图中，入射光增大，图中，入射光增大，Uo反而减小。反而减小。a）Uo与光照变化趋势相同的电路与光照变化趋势相同的电路b）Uo与光照变化趋势相反的电路与光照变化趋势相反的电路回目录回目录二、光敏二极管

48、的应用电路二、光敏二极管的应用电路光光敏敏二二极极管管在在应应用用电电路路中中必必须须反反向向偏偏置置。利利用用施施密密特特反反相相器器可可将将光光敏敏二二极极管管的的输输出出电电压压转转换成换成TTL电平。电平。Ui=5V-URL=5V- IRL例例：用反相器来得到较大负载能力的电路见左下：用反相器来得到较大负载能力的电路见左下图图,光电特性见右下图光电特性见右下图,RL=10k,求求:74HC04的输的输出稳定地跳变为高电平时的光照度阈值。出稳定地跳变为高电平时的光照度阈值。解：在在VDD=5V时时,查查74HC04的的典典型型输输入入低低电电平平ViL=2.1V,典典型型输输入入高高电电

49、平平ViH=2.4V。当当74HC04的的输输入入低低于于2.1V后后，输输出出才才能能稳稳定定地地跳跳变变为为高高电电平平(4.9V),此此时时输输入入回回路路流流过过RL的的电电流流为为：I=ViL/RL=(5-2.1)V/10k=0.29mA,查查右右上上图图,得此时的光照度约为得此时的光照度约为2900lx,约为阴天室外照度约为阴天室外照度。光敏晶体管光敏晶体管光敏二极管光敏二极管三、光敏晶体管应用电路三、光敏晶体管应用电路a）射极输出电路）射极输出电路b）集电极输出电路）集电极输出电路光敏晶体管的输出状态比较光敏晶体管的输出状态比较电路电路形式形式无光照时无光照时强光照时强光照时晶体

50、管晶体管状态状态ICUo晶体管晶体管状态状态ICUo射极射极输出输出截止截止00（低电（低电平）平）饱和饱和(VCC- -0.)/RLVCC- -UCES(高电平高电平)集电极集电极输出输出截止截止0VCC（高电（高电平）平）饱和饱和(VCC- -0.)/RLUCES(0.3V低电平低电平)例：例：光控继电器电路如下图光控继电器电路如下图,1)分析工作过程；分析工作过程；2)若若VCC=12V，中间继电器，中间继电器KA的驱动线圈阻值的驱动线圈阻值RKA=100，额定动作电流为，额定动作电流为80mA。设。设V2的的足足够大，够大，求：求：在强光照时，在强光照时，流过中间继电器流过中间继电器K

51、A的的电流，电流，以及继电器的状态以及继电器的状态。晶晶体体管管V2截截止止的的瞬瞬间间，有有电电流流通通过过反反向向接接法法的的“续续流流二二极极管管”VD，减减小小了了V2的的对对地过电压。地过电压。解：解：1）当无光照时，）当无光照时，V1截止，截止，IB=0，V2也截也截止，继电器止，继电器KA处于失电（释放）状态。处于失电（释放）状态。当当有有强强光光照照时时，V1产产生生较较大大的的光光电电流流I，I一一部部分分流流过过下下偏偏流流电电阻阻RB2（起起稳稳定定工工作作点点作作用用），另另一一部部分分流流经经RB1及及V2的的发发射射结结。当当IBIBS(IBS=ICS/)时时，V2

52、饱饱和和，产产生生较较大大的的集集电电极极饱饱和和电电流流ICS（与与IB基基本本无无关关），ICS=(VCC0.3V)/RKA。若若ICS大大于于继继电电器器KA的的额额定定动动作距离，则作距离，则KA吸合。吸合。思考：思考：若将若将V1与与RB2的的位置上下对调，位置上下对调，其结果如何？其结果如何？.2）由由于于足足够够大大，在在强强光光照照时时，I较较大大，流流过过V2集集电电极极的的电电流流与与以以及及基基极极电电流流IB基基本本无无关关，ICES(12- -0.3V)/0.1k=117mAKA的的动动作作电电流流（80mA），所以），所以KA可靠动作（吸合）。可靠动作（吸合）。RK

53、A=10080501N40023DU1k10k12V四、光电池的应用电路四、光电池的应用电路光电池短路电流测量电路光电池短路电流测量电路I/U 转换电路转换电路的的输出电压输出电压Uo与光电流与光电流I成正比成正比。若光电池用于若光电池用于微光测量时，微光测量时，I可能较小，则应增加可能较小，则应增加二级放大电路二级放大电路，并在第二级，并在第二级使用电位器使用电位器RP微调总的微调总的放大倍数放大倍数。例：例：设某光电池的面积设某光电池的面积A=10mm2，输出特性如，输出特性如下图所示，下图所示，Rf=100k，R21=10k，R22=300k，RRP=50k（标称值），（标称值），E=1

54、0lx，求：，求：Uo2的调的调节范围。节范围。.OP07解：解：.Uo1=- -IR=- -0.8A0.1M=- -0.08V=80mV第三节第三节 光电传感器的应用光电传感器的应用a）被测物是光源）被测物是光源b）被测物吸收部分光）被测物吸收部分光c）被测物是有反射能力的表面）被测物是有反射能力的表面d）被测物遮蔽部分光）被测物遮蔽部分光1被测物被测物2光电元件光电元件3恒光源恒光源光电传感器的几种应用形式的演示光电传感器的几种应用形式的演示回目录回目录、光源本身是被测物的应用实例、光源本身是被测物的应用实例 照度计照度计光的照度光的照度E的的单位是单位是lx（勒克勒克斯斯），它是常用），

55、它是常用的光度学单位之的光度学单位之一，它一，它表示受照表示受照物体被照亮程度物体被照亮程度的物理量，可以的物理量，可以用用照度计照度计（也称（也称勒克斯计）勒克斯计）来测来测量。量。 光电池光电池(外外加柔光罩）加柔光罩）照度计的技术指标照度计的技术指标照照度度计计又又称称勒勒克克斯斯计计是是一一种种专专门门测测量量光光度度、亮亮度度的的仪仪器器仪仪表表,用用于于测测量量光光照照度度(物物体体被被照照明明的的程程度度)，也也即即物物体体表表面面所所得得到到的的光光通通量量与与被被照照面面积积之之比比。照照度度计计通通常常是是由由硒硒光光电电池池或或硅硅光光电电池池和和数数字字微微安安表表电电

56、路路、色色彩彩补补偿偿、余余弦补偿、微处理器、三位半数字液晶显示器等组成弦补偿、微处理器、三位半数字液晶显示器等组成。技术指标技术指标：示值切换范围：示值切换范围：1.99910nlx（n=15）取样率：取样率：2.5次次/秒秒操作环境：操作环境：050相对湿度相对湿度70%RH照度计中的照度计中的补偿器补偿器1.受照面的亮度与光源受照面的亮度与光源的入射角度有关。当光源的入射角度有关。当光源入射角度不与柔光罩垂直入射角度不与柔光罩垂直时，必须进行余弦补偿。时，必须进行余弦补偿。斜向光照斜向光照2.光电池对不同颜色光的光电池对不同颜色光的转换效率不同，必须进行颜转换效率不同，必须进行颜色补偿。

57、光电池的峰值波长色补偿。光电池的峰值波长约为约为0.78微米。微米。红外线辐射温度计简述红外线辐射温度计简述红外线的波长在红外线的波长在0.76100m之间，位于微波与红光之间，位于微波与红光之间。任何物体，只要它的温度比零下之间。任何物体，只要它的温度比零下273度高，就无度高，就无一例外地发射出红外线。一例外地发射出红外线。红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中，中

58、间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。可用于铁路机车轴温检测，冶金、化工、高压输变电设可用于铁路机车轴温检测，冶金、化工、高压输变电设备、热加工流水线备、热加工流水线表面温度表面温度测量，但测量，但不适合测量表面亮不适合测量表面亮丽的铝、不锈钢等物体的表面温度丽的铝、不锈钢等物体的表面温度。红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光激光仅仅 用于瞄准用于瞄准红外线辐射温度计原理红外线辐射温度计原理红外辐射测温仪由红外辐射测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成器及信号处

59、理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学透镜及仪器学透镜及仪器与被测物的距离确定与被测物的距离确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并该信号经过放大器和信号处理电路，并按照设计的算法按照设计的算法和目标发射率校正和目标发射率校正后，显示出被测目标的温度值。除此后，显示出被测目标的温度值。除此之外，还应考虑之外，还应考虑目标的黑度目标的黑度、测温仪所在的环境条件，、测温仪所在的环境条件，如气

60、温、污染等因素对性能指标的影响，并作适合的修如气温、污染等因素对性能指标的影响，并作适合的修正。正。红外辐射温度计原理（续）红外辐射温度计原理（续）测测试试时时，按按下下手手枪枪形形测测量量仪仪的的开开关关，将将枪枪口口射射出出的的低低功功率率红红色色激激光光瞄瞄准准到到被被测测物物中中央央部部位位，这这样样，被被测测物物发发出出的的红红外外辐辐射射能能量量就就能能准准确确地地聚聚焦焦在在红红外外辐辐射射温温度度计计“枪枪口口”里里面面的的光光电电池池上上。CPU根根据据距距离离、被被测测物物表表面面黑黑度度辐辐射射系系数数、水水蒸蒸气气及及粉粉尘尘吸吸收收修修正正系系数数、环环境境温温度度以

61、以及及被被测测物物辐辐射射出出来来的的红红外外光光强强度度等等诸诸多多参参数，计算出被测物体的表面温度。数，计算出被测物体的表面温度。当当被被测测物物不不是是绝绝对对黑黑体体时时，在在相相同同温温度度下下，辐辐射射能能量量将将减减小小。比比如如十十分分光光亮亮的的物物体体只只能能发发射射或或接接收收很很少少一一部部分分光光的的辐辐射射能能量量，因因此此必必须须根根据据预预先先标标定定过过的的温温度度，输输入入光光谱谱黑黑度度修修正正系系数数（或或称称发发射射本本领领系系数数）。测测量量时时，必必须须保保证证被被测测物物体体的的“热热像像”充充满满光光电电池池的的整个视场。因此与被测物距离不能太

62、远。整个视场。因此与被测物距离不能太远。红外辐射温度计原理（续）红外辐射温度计原理（续）通通常常在在光光学学系系统统前前面面加加入入滤滤光光片片，它它只只让让814m波波长长（12 2）的的辐辐射射红红外外光光通通过过, ,还还能能消消除除背背景景光光。对对于于绝对黑体绝对黑体, ,光电池的输出光电流光电池的输出光电流I 可以表达为可以表达为式中：式中： K K灵敏度修正系数；灵敏度修正系数；E ET T黑体热力学温度为黑体热力学温度为T T 时的光谱辐射能量；时的光谱辐射能量；D D光学系统的光谱透射率；光学系统的光谱透射率；K K光电池的光谱灵敏度。光电池的光谱灵敏度。由由于于与与热热力力

63、学学温温度度有有关关，所所以以输输出出的的电电流流信信号号I与与被被测测体体表表面面温温度度T T 有有确确定定的的对对应应关关系系，这这种种检检测测方方法法又又称为部分辐射光检测法。称为部分辐射光检测法。红外辐射温度计原理框图红外辐射温度计原理框图1枪形外壳枪形外壳2红色激光瞄准系统红色激光瞄准系统3滤光片滤光片4聚焦透镜聚焦透镜部分红外线辐射温度计的特性参数部分红外线辐射温度计的特性参数 红外线辐射温度计的红外线辐射温度计的使用距离与目标直径、使用距离与目标直径、面积的关系面积的关系红外线辐射温度计在菜肴保温中的应用红外线辐射温度计在菜肴保温中的应用 红外线辐射温度计在非接触测量红外线辐射

64、温度计在非接触测量食物温度中的应用（续）食物温度中的应用（续）红色激光仅用于红色激光仅用于瞄准被测物瞄准被测物测量冷藏牛奶温度测量冷藏牛奶温度测量饭食温度测量饭食温度红外线辐射温度计非接触测量管道的温度红外线辐射温度计非接触测量管道的温度红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）在非接触温度测量中的应用（续）红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪红外线辐射温度计用于人体额温红外线辐射温度计用于人体额温快速快速测量测量 红外线辐射温度计红外线辐射温度计测量电路板温度测量电路板温度IC的温的温度测量度测量红外线辐射温度计在非

65、接触测量功率电路红外线辐射温度计在非接触测量功率电路设备温度中的应用设备温度中的应用用于高压电路的安全测量用于高压电路的安全测量 红外线辐射温度计在非接触温度测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）中的应用（续）红外线辐射温度计红外线辐射温度计的数据采集系统的数据采集系统装修内部的布线装修内部的布线温度升高可能引温度升高可能引燃天花板燃天花板 红外线辐射温度计非接触测量钢水的红外线辐射温度计非接触测量钢水的温度温度 高温比色计在高温非接触测高温比色计在高温非接触测量中的应用量中的应用高温比色温度计能高温比色温度计能抗烟雾、水蒸气和抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强灰尘能力较强，不受窗口玻璃

66、影响，能不受窗口玻璃影响，能瞄准瞄准 , ,测量小目标，测量小目标，可不考虑距离系数，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦可以不完全被目标充满，不需调焦就可就可准确测量。准确测量。 高温比色温度计适于高温比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场环境条件恶劣的工业现场中中使用，如使用，如 : :烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场化和炉窑等应用现场。红色红色黄色黄色高温比色温度计原理高温比色温度计原理高温比色式温度传感器高温比色式温度传感器抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强强，不受窗口玻璃影响，能瞄准不受窗口玻璃影

67、响，能瞄准 , ,测量小目标，测量小目标，可不考可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准就可准确测量。确测量。根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长1、2 2上的辐射强度上的辐射强度I I1、I2 2之比与该物体的温度成指数关系：之比与该物体的温度成指数关系：式中式中 K K1、K K2与与1、2 2及物体的黑度有关的常数。及物体的黑度有关的常数。因因此此，只只要要测测出出I I1与与I2 2之之比比，就就可可根根据据上上式式算算得得物物体的温度体的温度T T。高温比色温度计原理高温比色温度计原理1高

68、温物体高温物体2物镜物镜3半反半透镜半反半透镜4反射镜反射镜5目镜目镜6观察者的眼睛观察者的眼睛7光阑光阑8光导棒光导棒9分光镜分光镜10、12滤光片滤光片11、13硅光电池硅光电池14、15电流电流/电压转换器电压转换器I I1、I2 2两个特定波长两个特定波长1、2 2的光在光电池的光在光电池1111、1313上产生的输出电流上产生的输出电流热释电传感器在人体检测、报警中的应用热释电传感器在人体检测、报警中的应用热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于它可用于能产生远红外辐射的人体能产生远红外辐射的人体检测，如检测，如防盗防盗门、宾馆大厅自动

69、门、自动灯的控制门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。等。 热释电元件外形热释电元件外形热释电传感器简介热释电传感器简介热释电红外传感器是一种能热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射检测人或动物发射出的红外线，而输出电压信号的传感器出的红外线，而输出电压信号的传感器。可以用。可以用于于楼道自动开关楼道自动开关、防盗报警、人体检测等。、防盗报警、人体检测等。例如：例如：在房间无人时能自动减小空调机的功率在房间无人时能自动减小空调机的功率；能判断无人观看电视或观众已经睡觉后自动关机能判断无人观看电视或观众已经睡觉后自动关机；有人活动时有人活动时开启监视器；自动门铃；摄影机或数开启监视器；自动门铃；

70、摄影机或数码照相机码照相机自动记录动物或人的活动自动记录动物或人的活动，以避免长时，以避免长时间空白画面而浪费计算机的硬盘空间。间空白画面而浪费计算机的硬盘空间。热释电效应热释电效应某些电介质如某些电介质如锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZT，见第六章），见第六章），表面温度发生变化时，在电介质的表面就会产表面温度发生变化时，在电介质的表面就会产生电荷，这种现象称为热释电效应生电荷，这种现象称为热释电效应，用具有热用具有热释电效应的电介质制成的元件称为热释电元件释电效应的电介质制成的元件称为热释电元件。红外热释电传感器由滤光片、热释电红外敏感红外热释电传感器由滤光片、热释电红外敏感元件，高输入阻抗放大器

71、等组成元件，高输入阻抗放大器等组成。制作热释电敏感元件时，先把热释电材料制制作热释电敏感元件时，先把热释电材料制成很小的薄片，在薄片两侧镀上电极，成很小的薄片，在薄片两侧镀上电极，把两个把两个极性相反的热释电敏感元件并排，再反向串联极性相反的热释电敏感元件并排，再反向串联。红外热释电红外热释电传感器传感器的的内部结构内部结构a）外形）外形b）分体结构）分体结构c）内部电气接线图）内部电气接线图d)滤光片的光谱特性滤光片的光谱特性1滤光片滤光片2管帽管帽3左、右敏感元件左、右敏感元件4放大器放大器5管座管座6引脚引脚7高阻值电阻高阻值电阻R热释电传感器的放大电路热释电传感器的放大电路两块两块反向

72、反向串联串联的热的热释电晶片释电晶片场效应管场效应管热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理热释电晶片表面必须罩上一块由热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元，每一透镜单元都都只有一个不大的视场角只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二顺次地进入第一、第二单元透镜的视场单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热，晶片上的两个反向串联的热释电单元将释电单元将输出一串交变脉冲信号输出一串交变脉冲信号。当然，如。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前

73、面，它是果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见视而不见”的。的。 菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透菲涅尔透镜能将透镜镜能将透镜前面的一个前面的一个物体，在其物体，在其后面成像为后面成像为水平方向的水平方向的n个物体。个物体。当发光物当发光物体水平移动体水平移动时，能产生时，能产生闪烁效果。闪烁效果。透镜后面为热释电晶片透镜后面为热释电晶片菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外形传感器不加菲涅尔透传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，而加上该透镜后，其检测距离可增加其检测距离可增加3倍倍以上。以上。电路原理框图及带宽简介电路原理框图及带宽简介在正常行走速度下

74、，由菲涅尔透镜产生的光脉冲调在正常行走速度下，由菲涅尔透镜产生的光脉冲调制频率约为制频率约为6Hz左右左右；当人体快速奔跑通过传感器面前当人体快速奔跑通过传感器面前时，可能达到时，可能达到20Hz。再考虑到荧光灯、节能灯、再考虑到荧光灯、节能灯、LED灯的脉动频闪为灯的脉动频闪为100Hz，所以信号调理电路中的放大器，所以信号调理电路中的放大器带宽不应太宽带宽不应太宽,以以0.120Hz为宜为宜。带宽窄带宽窄,则干扰小则干扰小,误误判率低判率低；带宽大带宽大,噪声电压大噪声电压大,可能引起误报警。可能引起误报警。低频段低频段对应于慢速移动对应于慢速移动;展宽高频段展宽高频段,有利于快速移动响应

75、有利于快速移动响应。现。现已将点画线框中的所有电路集成到一片已将点画线框中的所有电路集成到一片厚膜电路厚膜电路中。中。热释电组件热释电组件热释电报警器热释电报警器菲涅尔透镜菲涅尔透镜设定按钮设定按钮高分贝喇叭高分贝喇叭热释电报警器（续）热释电报警器（续）菲涅尔透镜菲涅尔透镜5mm接插件接插件热释电报警器（续）热释电报警器（续）吸顶式吸顶式热释电报警器热释电报警器热释电报警器热释电报警器（续）（续）无线报警式无线报警式热释电报警器热释电报警器热释电传感器应用热释电传感器应用热释电传感器用热释电传感器用于自动亮灯，当然也于自动亮灯，当然也可以用于防盗。可以用于防盗。热释电传感器热释电传感器的感应范

76、围的感应范围热释电感应灯热释电感应灯热释电热释电传感器传感器自动感应灯自动感应灯热释电传感器在智能空调中的应用热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能智能空调能检测出检测出屋内是否有人，单片屋内是否有人，单片机据此自动调节空调机据此自动调节空调的出风量的出风量，以达到节，以达到节能的目的。能的目的。空调中，热释电传感器的菲空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否受到屋内一定空间角范围里是否有人有人，以及人是静止着还是走动以及人是静止着还是走动着着。上上下下范范围围左右范围左右范围色标传感器色标传感器色饱和图色饱和图色标传感器

77、常用于检测色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，特定色标或物体上的斑点，它是通过它是通过与非色标区相比与非色标区相比较来实现色标检测较来实现色标检测，而不而不是直接测量颜色是直接测量颜色。人眼对各色光人眼对各色光的敏感程度的敏感程度三基色合成三基色合成色彩传感器的原理色彩传感器的原理白色光源照在物体上时，物体表面的反射光颜色将白色光源照在物体上时，物体表面的反射光颜色将由物体的性质决定由物体的性质决定。在许多场合，必须判定反射光的颜。在许多场合，必须判定反射光的颜色，但由于人的生理和情感因数的影响，要对色彩做出色，但由于人的生理和情感因数的影响，要对色彩做出准确判断以及定量描述是较困难的

78、。准确判断以及定量描述是较困难的。用色彩传感器就可用色彩传感器就可以实现对色彩的测定以实现对色彩的测定，目前它在图像处理和美工、纺织、，目前它在图像处理和美工、纺织、印染、涂料、食品加工、农作物生长和成熟判断等方面印染、涂料、食品加工、农作物生长和成熟判断等方面得到应用得到应用 。现代色度学是采用现代色度学是采用CIE（国际照明委员会）所规定的（国际照明委员会）所规定的一套颜色测量原理及计算方法来确定颜色一套颜色测量原理及计算方法来确定颜色的。的。任何一个任何一个物体的颜色都可用红、绿、蓝物体的颜色都可用红、绿、蓝（R、G、B）三原色的三原色的光功率谱的函数来表示光功率谱的函数来表示。射入眼睛

79、的光线刺激视网膜上。射入眼睛的光线刺激视网膜上对不同颜色有不同灵敏度的视觉细胞，并通过视神经传对不同颜色有不同灵敏度的视觉细胞，并通过视神经传送到大脑，从而感觉到色彩。送到大脑，从而感觉到色彩。色彩传感器及信号处理示意图色彩传感器及信号处理示意图1红、绿、蓝滤色片红、绿、蓝滤色片2玻璃基板玻璃基板3-Si4透明导电膜透明导电膜5公共电极公共电极6背面引出电极背面引出电极7遮光保护树脂遮光保护树脂8电流电流/电压转换器电压转换器色彩传感器的原理色彩传感器的原理无定型硅（无定型硅（-Si）制成的色彩传感器能）制成的色彩传感器能得到三色信号得到三色信号。在玻璃基板上在玻璃基板上按顺序粘贴按顺序粘贴红

80、红、绿绿、蓝蓝滤色镜滤色镜，分别与，分别与R、G、B三个输出电极处于同一轴线上。三个输出电极处于同一轴线上。-Si本身的本身的光谱光谱灵敏度与人眼十分接近，峰值波长约为灵敏度与人眼十分接近，峰值波长约为0.50.6 m。当。当光线透过红、绿、蓝滤光片后，就可以分别得到光线透过红、绿、蓝滤光片后，就可以分别得到R、G、B三根光谱特性。三根光谱特性。色标传感器的用途色标传感器的用途色标传感器常用于色标传感器常用于检测特定色标或物体上的检测特定色标或物体上的斑点斑点，它是，它是通过与非色标区相比较来实现色标检通过与非色标区相比较来实现色标检测测，而不是直接测量颜色。，而不是直接测量颜色。可用于包装、

81、印刷、可用于包装、印刷、制药、纺织、烟草等机械，以检测色标制药、纺织、烟草等机械，以检测色标。还。还可用可用于彩色材料的定位、定长、分切、纠偏、计数于彩色材料的定位、定长、分切、纠偏、计数等等功能。功能。各种色标传感器外形各种色标传感器外形色标传感器色标传感器能识别能识别红、绿、蓝等颜色红、绿、蓝等颜色色标传感器外形（续）色标传感器外形（续）色标传感器在流水线上检测产品的颜色色标传感器在流水线上检测产品的颜色用多个色标传感器用多个色标传感器测量薄板的颜色测量薄板的颜色产品包装色彩检测、分选产品包装色彩检测、分选二、被测物吸收部分光的应用实例二、被测物吸收部分光的应用实例 光电式浊度计和光电式浊

82、度计和 含沙量测量含沙量测量将装有浊水的试管将装有浊水的试管插入仪器中插入仪器中光电式浊度计工作原理光电式浊度计工作原理1恒流源恒流源2半导体激光器半导体激光器3半反半透半反半透4反射镜反射镜5被测水样被测水样6、9光电池光电池7、10电流电流/电压转换器电压转换器8标准水样标准水样参比通道（抵消外界影响）参比通道（抵消外界影响）光电式浊度计工作原理光电式浊度计工作原理光光源源发发出出的的光光线线经经过过半半反反半半透透镜镜分分成成两两束束强强度度相相等等的的光光线线：一一路路光光线线穿穿过过标标准准水水样样8，到到达达光光电电池池9，产产生生作作为为被被测测水水样样浊浊度度的的参参比比信信号

83、号；另另一一路路光光线线穿穿过过被被测测水水样样品品5到到达达光光电电池池6，其其中中一一部部分分光光线线被被样样品品介介质质吸吸收收，样样品品水水样样越越混混浊浊，光光线线衰衰减减量量越越大大，到到达达光光电电池池6的的光光通通量量就就越越小小。两两路路光光信信号号均均转转换换成成电电压压信信号号Uo1、Uo2，由由运运算算器器计计算算出出Uo1、Uo2的的比比值值，并并进进一一步步算算出出被被测测水水样样的的浊浊度度。参参比比通通道道目目的的：当当光光源源的的光光通通量量由由于于种种种种原原因因有有所所变变化化，或或环环境境温温度度变变化化引引起起光光电电池池灵灵敏敏度度发发生生改改变变时

84、时，由于两个通道的结构完全一样，所以在最后运算：由于两个通道的结构完全一样，所以在最后运算：Uo1/Uo2值值（其其值值的的范范围围是是01）时时，上上述述误误差差可可自自动动抵抵消消，减减小小了了测测量量误误差差。类类似似结结构构还还可可以以制制成成光光电电比比色色计、血色素浓度测量、化学分析计、血色素浓度测量、化学分析等。等。三、被测物体反射光的应用实例三、被测物体反射光的应用实例1 1 烟雾报警器烟雾报警器宾馆等场所强制安装火灾报警器宾馆等场所强制安装火灾报警器火火灾灾发发生生时时伴伴随随有有光光和和热热的的化化学学反反应应。物物质质在在燃燃烧烧过过程程中一般有下列现象发生：中一般有下列

85、现象发生：（1）产产生生热热量量：使使环环境境温温度度升升高高，可可以以用用各各种种温温度度传传感感器器来来测测量量。但但是是在在燃燃烧烧速速度度非非常常缓缓慢慢的的情情况况下下，火火灾灾初初期的环境温度上升不易鉴别的。期的环境温度上升不易鉴别的。（2）产产生生可可燃燃性性气气体体：有有机机物物在在燃燃烧烧的的初初始始阶阶段段,首首先先释放出来的是可燃性气体释放出来的是可燃性气体,如如CO等。可以用气敏检测。等。可以用气敏检测。（3）产产生生烟烟雾雾:烟烟雾雾是是人人们们肉肉眼眼能能见见到到的的微微小小悬悬浮浮颗颗粒粒。烟烟雾雾有有很很大大的的流流动动性性,可可潜潜入入烟烟雾雾传传感感器器中中

86、,是是检检测测比比较较有有效的火灾的手段效的火灾的手段,可以可以用反射式光电传感器检测用反射式光电传感器检测。（4）产产生生火火焰焰：可可利利用用紫紫外外管管检检测测,但但需需设设计计带带通通滤滤波波器器,只让检测紫外线的抖动信号通过只让检测紫外线的抖动信号通过,避开太阳光的照射避开太阳光的照射.反射式烟雾报警器原理示意图反射式烟雾报警器原理示意图1红外发光二极管红外发光二极管2烟雾检测室烟雾检测室3透烟孔透烟孔4红外光敏晶体管红外光敏晶体管5黑色吸光绒布黑色吸光绒布6烟雾烟雾烟雾报警器外形烟雾报警器外形在没有烟雾时，由于在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑

87、色吸光雾室内又涂有黑色吸光材料，材料，所以红外所以红外LED发发出的红外光无法到达红出的红外光无法到达红外光敏晶体管外光敏晶体管。当烟雾进入烟雾室后，当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射，使部分光产生漫反射，使部分红外光到达光敏晶体管。红外光到达光敏晶体管。烟雾烟雾报警报警无线无线烟雾报警器内部结构烟雾报警器内部结构 可发出高分贝可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器笛鸣声的蜂鸣器无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警戒状态伏层

88、叠电池供电，工作在警戒状态时，时，工作电流仅为工作电流仅为15微安微安，报警发射时工作电流为报警发射时工作电流为20毫安毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即传感器的报警蜂鸣器立即发出发出90分贝的断续报警声分贝的断续报警声，工作指示灯快速连续闪烁工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。无线发射器的报警距离在空旷地可以达到无线发射器的报警距离在空旷地可以达到200米米，在在有阻挡的普通房间结构中，可以达

89、到有阻挡的普通房间结构中，可以达到20米米。反射式烟雾反射式烟雾报警器演示报警器演示红外红外LED的的激励电流用激励电流用40kHz调制调制,所所以红外光敏晶以红外光敏晶体管体管接收到的接收到的光信号也是同光信号也是同频率的调制光频率的调制光。光敏晶体输出光敏晶体输出40kHz电信号，经窄带选频放大器放大、电信号，经窄带选频放大器放大、检波后成为直流电压，再经低放和阈值比较器输出报警信检波后成为直流电压，再经低放和阈值比较器输出报警信号号。室内的灯光、太阳光即使泄露进烟雾检测室也无法通室内的灯光、太阳光即使泄露进烟雾检测室也无法通过过40kHz选频放大器选频放大器。反射式光电传感器反射式光电传

90、感器举例举例2光电反射式转速表光电反射式转速表光电式转速光电式转速表属于反射式表属于反射式光电传感器，光电传感器，它可以在距被它可以在距被测物测物数十毫米数十毫米外非接触地测外非接触地测量其转速量其转速。 n =60(f /z ) n ：每分钟转速：每分钟转速 f ：输出脉冲频率：输出脉冲频率z ： 齿轮的齿数齿轮的齿数光电反射式转速表光电反射式转速表的原理框图的原理框图a）光路及工作原理框图）光路及工作原理框图b）各点波形）各点波形1光源（红色光源（红色LED）2、6聚焦透镜聚焦透镜3被测旋转物被测旋转物4反光纸反光纸光电反射式转速表光电反射式转速表工作原理工作原理光光源源发发出出的的光光线

91、线经经聚聚焦焦透透镜镜2会会聚聚成成平平行行光光束束，照照射射到到被被测测旋旋转转物物3上上，光光线线经经事事先先粘粘贴贴在在旋旋转转物物体体上上的的反反光光纸纸4反反射射回回来来，经经透透镜镜6聚聚焦焦后后落落在在光光敏敏二二极极管管7上上。旋旋转转物物体体每每转转一一圈圈，光光敏敏二二极极管管就就产产生生一一个个脉脉冲冲信信号号,经经放放大大整整形形电电路路得得到到TTL电电平平的的脉脉冲冲信信号号,该该信信号号在在与与门门中中和和“秒秒信信号号”相相“与与”。与与门门在在1s的的时时间间间间隔隔内内输输出出的的脉脉冲冲数数正正比比于于旋旋转转物物体体的的每每秒秒转转数数,再再经经数数据据

92、运运算算电电路路处处理后理后,由数码显示器显示出每分钟的转数。转速由数码显示器显示出每分钟的转数。转速n为为光电式转速表外形光电式转速表外形光电反射式转速表光电反射式转速表的的1 1误差误差测频时，计数脉冲通过闸测频时，计数脉冲通过闸门（与门）进入计数器门（与门）进入计数器，被被测频率测频率f=N/t门控门控。由于闸门由于闸门开启时刻（秒信号的上升沿）开启时刻（秒信号的上升沿）和被测计数脉冲上升沿到来和被测计数脉冲上升沿到来的时刻之间的关系是随机的的时刻之间的关系是随机的，有可能像图中的有可能像图中的ud波形所示，波形所示，在第二个在第二个1s闸门时间里，比闸门时间里，比在第一个在第一个1s闸

93、门时间多计数闸门时间多计数了一个脉冲，了一个脉冲，或少计数了一或少计数了一个脉冲个脉冲。可以由单片机来控制闸门信号的上升沿可以由单片机来控制闸门信号的上升沿与被测脉冲的上升沿同步，以减小与被测脉冲的上升沿同步，以减小1误差，称为同步计误差，称为同步计数计时法。数计时法。1 1误差例题误差例题当当t门控门控=1s、被测频率、被测频率f=1000Hz时，时，1个脉冲所个脉冲所产生的产生的1误差为误差为1Hz,示值相对误差：示值相对误差：当被测频率当被测频率f=10Hz,t门控门控仍然为仍然为1s时的示值相对误差时的示值相对误差就显得不可容忍：就显得不可容忍：门控时间门控时间的选取的选取当被测频率当

94、被测频率f 较低时，较低时，应应增加门控时间增加门控时间,就可以减小就可以减小1误差误差。例如。例如,当当T门控门控=10s、被测频率虽然较小，例如被测频率虽然较小，例如f=10Hz时，根据时，根据f=N/t门控门控，在在10s的时间间隔里，可以的时间间隔里，可以得到得到N=f t门控门控=1010=100个个脉冲脉冲，每一个每一个1脉冲代表脉冲代表0.1Hz，所产生的示值相对所产生的示值相对误差只有误差只有t门控门控=1s时的时的1/10：可以利用可以利用“同步电路同步电路”来来尽量减小尽量减小1误差。误差。光电反射式转速计用于水泵光电反射式转速计用于水泵转速测量转速测量反射式光电传感器反射

95、式光电传感器实例：光电自动门实例：光电自动门自动门光电传感器自动门光电传感器放大图放大图有效检测区域有效检测区域四、被测物遮挡部分光的应用实例四、被测物遮挡部分光的应用实例光电式带材跑偏测控系统光电式带材跑偏测控系统在带材生产线上在带材生产线上，由于带材横向厚度及由于带材横向厚度及压辊压力不均等原因压辊压力不均等原因，导致带材边缘或纵向导致带材边缘或纵向标志线与加工机械的标志线与加工机械的中心线不平行或不重中心线不平行或不重合，从而发生带材横合，从而发生带材横向运行偏差，称为向运行偏差，称为“跑偏跑偏”。需要以带材需要以带材边缘纵向为基准，实边缘纵向为基准，实行边缘位置控制，称行边缘位置控制，

96、称为为“纠偏纠偏”。光电传感器光电传感器 带材走偏时带材走偏时, ,边缘经常与传送机械边缘经常与传送机械发生碰撞发生碰撞, ,易出现卷边易出现卷边, ,造成废品。造成废品。 结束结束光电式带材跑偏测控系统指标光电式带材跑偏测控系统指标带钢最大传送速度：带钢最大传送速度：10m/s纠偏最大动态范围：纠偏最大动态范围：100mm纠偏误差：纠偏误差：0.5mm跑偏检测传感器响应时间：跑偏检测传感器响应时间：100s液压比例伺服阀响应时间：液压比例伺服阀响应时间：50ms伺服液压缸最大驱动速度：伺服液压缸最大驱动速度：20mm/s电液伺服最大推力：电液伺服最大推力：6104N（可按需要配置液压系统）（

97、可按需要配置液压系统）环境工作温度：环境工作温度：-2070在带钢纠偏装置中，在带钢纠偏装置中，边缘位置检测传感器的位置固定边缘位置检测传感器的位置固定不动不动，开卷机的开卷辊可左右移动开卷机的开卷辊可左右移动。在伺服液压缸的推。在伺服液压缸的推动下，开卷机构（包括减速箱和开卷辊等）动下，开卷机构（包括减速箱和开卷辊等）沿着导轨作沿着导轨作垂直于带材行进方向的纠偏运动垂直于带材行进方向的纠偏运动。光电式带材跑偏检测控制电路光电式带材跑偏检测控制电路带材左偏时，带材左偏时，E1得到的光如得到的光如何变化？何变化？1LED光源光源2扩束透镜扩束透镜3平行光束镜平行光束镜4会聚透镜会聚透镜5光电池光

98、电池E16带材带材7温度补偿温度补偿光电池光电池E28遮光罩遮光罩9跑偏指示跑偏指示光电式带材跑偏的光电检测装置光电式带材跑偏的光电检测装置.1带材带材2边缘位置边缘位置检测传感器检测传感器3电源及信号电源及信号线连接座线连接座光电式带材跑偏检测控制电路原理光电式带材跑偏检测控制电路原理带材左偏时带材左偏时,输出电压表的输出电压表的指针偏向右边指针偏向右边,为正值。为正值。光光源源1发发出出的的光光线线经经扩扩束束透透镜镜2和和会会聚聚透透镜镜3，变变为为平平行行光光束束，投投向向透透镜镜3，汇汇聚聚后后落落到到光光电电池池E1上上。在在平平行行光光束束到到达达透透镜镜4的的途途中中,有有部部

99、分分光光线线受受到到被被测测带带材材6的的遮遮挡挡,从从而而使使到到达达光光电电池池E1的的光光通量通量减小减小。E1、E2是相同型号的光电池是相同型号的光电池,E1作为作为测量元件装在带材下方测量元件装在带材下方,而而E2用遮光用遮光罩罩住罩罩住,与与A2共同起温度补偿作用共同起温度补偿作用。光电式带材跑偏的连续闭环控制原理光电式带材跑偏的连续闭环控制原理当带材未跑偏时，跑偏检测传感器输出的偏差信号为当带材未跑偏时，跑偏检测传感器输出的偏差信号为零零；当边缘位置检测传感器检测到带材向左偏离中心位当边缘位置检测传感器检测到带材向左偏离中心位置时置时，偏差信号为正值偏差信号为正值，控制电液伺服比

100、例调节阀和压控制电液伺服比例调节阀和压力油，使液压缸的活塞向右作横向移动力油，使液压缸的活塞向右作横向移动，直到带材的位，直到带材的位置偏差消除，光电检测器的置偏差消除，光电检测器的输出信号为零输出信号为零。1被测带材被测带材2开卷电动机开卷电动机3开卷辊开卷辊4伺服液压缸伺服液压缸5活塞活塞6滑台滑台7光电边缘位光电边缘位置检测传感器置检测传感器带材纠偏系统带材纠偏系统光电光电传感器传感器带材带材液压伺服系统液压伺服系统带材纠偏系统（续）带材纠偏系统（续）回目录回目录结束结束光辐射基础光辐射基础光光辐辐射射的的度度量量方方法法有有两两种种，一一种种是是物物理理（客客观观）的的计计量量方方法法

101、，称称为为辐辐射射度度参参数数，它它适适用用于于整整个个电电磁磁辐辐射射谱谱区区，是是对对辐辐射射量量进进行行物物理理意意义义的的计计量量；另另一一种种是是生生理理（主主观观）的的计计量量方方法法，称称为为光光度度参参数数，光光度度参参数数只只适适用用于于可可见见光光谱谱区区，超超过过这这个个谱谱区区，光光度度参参数数没没有有意意义义。光光和和光光谱谱：可可见见光光的的波波长长约约在在370760nm范范围围之之间间。不不同同波波长长的的光光给给人人的的颜颜色色感感觉觉也也不不同同。波波长长从从750nm向向400nm减减小小时时，光光的的颜颜色色从从红红、橙橙、黄黄、绿绿、青青、蓝蓝、紫紫的

102、的顺顺序序逐逐渐渐变变化化。两两种种颜颜色色之之间间没没有有明明显显的的分分界界，而而是是一一种种颜颜色色逐逐渐渐减减少少，另另一一种种颜颜色色逐逐渐渐增增多多，逐逐渐渐过过渡渡，全全部部可可见见光光波波按按一一定定比比例例混混合合在在一一起起就就形形成成白白色光色光。回光敏晶体管回光敏晶体管人眼的生理视觉效应人眼的生理视觉效应一一般般按按辐辐射射波波长长及及人人眼眼的的生生理理视视觉觉效效应应将将光光辐辐射射分分成三部分：成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射紫外辐射、可见光和红外辐射。可见光的波长为可见光的波长为400nm（紫色）（紫色）780nm（红色）（红色）。光通量光通量 能能够够发发

103、光光的的物物体体称称为为光光源源。光光源源照照明明的的效效果果最最终终须须由由人人眼眼来来评评定定。光光源源在在单单位位时时间间内内向向周周围围空空间间辐辐射射并并引引起起视视觉觉的的能能量量，称称为为光光通通量量，用用符符号号表表示示，单单位位为为流流明明（lm）。一一个个l00W白白炽炽灯灯约约可可产产生生l700lm的的光光通通量量，而而一一支支40W白白色色日日光光灯灯管管则则可可产产生生约约3000lm的的光光通量通量。人人眼眼对对不不同同波波长长的的光光灵灵敏敏度度是是不不一一样样的的。比比如如在在白白天天或或光光线线较较强强的的地地方方，人人对对黄黄光光、绿绿光光最最灵灵敏敏。波

104、波长长向向红红或或蓝蓝偏偏离离越越多多，灵灵敏敏度度越越低低，感感觉觉到到的的光光通通量量就就越小。越小。当当波波长长为为555nm（相相当当于于黄黄绿绿光光）的的辐辐射射功功率率为为1W时时，人人眼眼感感觉觉到到的的光光通通为为683lm，所所以以1lm相相当当于于波波长长为为555nm的单色辐射功率为的单色辐射功率为1/683W时的光通量时的光通量。 发光强度发光强度I光源在空间某一特定方向上的单位立体角内辐射的光源在空间某一特定方向上的单位立体角内辐射的光通量（光通量的密度），光通量（光通量的密度），称为称为光源在该方向上的发光源在该方向上的发光强度（简称光强），用符号光强度（简称光强）

105、，用符号I表示，单位为坎德拉表示，单位为坎德拉（cd），），其计算公式为其计算公式为 I= / 式中式中 在在立体角内所辐射的总立体角内所辐射的总 的光通量的光通量(lm)(lm)；球面所对应的立体角（球面所对应的立体角（sr）烛光与坎德拉烛光与坎德拉cd英国定义的发光强度单位为英国定义的发光强度单位为“烛光烛光”,已不用已不用。1979年年第第16届届国国际际计计量量大大会会将将坎坎德德拉拉定定义义为为：能能发发射射5401012Hz（相相当当于于波波长长为为555nm）的的单单色色辐辐射射源源， 若若在在给给定定方方向向上上的的辐辐射射强强度度为为（1/683）W/sr时，其发光强度为时，

106、其发光强度为1cd。发发光光强强度度的的单单位位是是国国际际单单位位制制中中七七个个基基本本单单位位之之一一，5401012Hz的的单单色色光光是是对对人人眼眼最最敏敏感感的的黄黄绿绿色色光光。按按此此规规定定，40W和和60W的的白白炽炽灯灯在在标标准准条条件件下下的的发发光光强强度度约约为为28cd和和50cd，并并不与瓦数成正比不与瓦数成正比。照度照度E照度是用来表示被照面照度是用来表示被照面（点）上光的强弱（点）上光的强弱。受照物体受照物体表面每单位面积表面每单位面积（1m2）上接上接收到的光通量称为照度收到的光通量称为照度，符号符号为为E，单位为勒克司（，单位为勒克司（lx）。被测光

107、均匀并被测光均匀并垂直垂直照射平面时照射平面时的照度的照度E= =/A。上式中，。上式中，为为物体表面单位面积上接收到的物体表面单位面积上接收到的总光通量，总光通量，A为被照面积，所为被照面积，所以以1lx等效于等效于1lm/m2。150lx是教育部门要求所有是教育部门要求所有学校学校课堂桌面所必须达到课堂桌面所必须达到的标准照度的标准照度。环境照度环境照度环境状境状态照度照度E/lx满月月时的地面的地面0.220cm远处的的烛光光1015黄昏室内黄昏室内1040W荧光灯正下方光灯正下方1.3米米9040W白白炽灯下灯下1米米30晚上教室桌面晚上教室桌面150晴天中午室内的窗口桌面晴天中午室内

108、的窗口桌面20004000阴天中午室外阴天中午室外6000晴天中午室外晴天中午室外1000080000亮度亮度在房间内同一位置上，并排放着在房间内同一位置上，并排放着一个黑色和一个白一个黑色和一个白色的物体色的物体，虽然它们的，虽然它们的照度一样照度一样，但在，但在人眼看起来，人眼看起来，白色物体要亮得多白色物体要亮得多。这是因为这是因为人眼的视觉感觉是由被照物体的反射光在人眼的视觉感觉是由被照物体的反射光在眼睛视网膜上形成的照度而产生的眼睛视网膜上形成的照度而产生的。视网膜上由反射。视网膜上由反射光形成的照度愈高，人眼就感到愈亮。白色物体的反光形成的照度愈高，人眼就感到愈亮。白色物体的反光要

109、比黑色物体强得多，所以人就感到白色物体比黑光要比黑色物体强得多，所以人就感到白色物体比黑色物体亮得多。色物体亮得多。若把被视物体当作一个发光体，则视网膜上的照度若把被视物体当作一个发光体，则视网膜上的照度是被视物体在沿视线方向上的发光强度造成的是被视物体在沿视线方向上的发光强度造成的发光体发光体在视线方向单位投影面（在视线方向单位投影面（1m2）上的发光强度称为该物）上的发光强度称为该物体表面的亮度，也称为辉度，用符号体表面的亮度，也称为辉度，用符号L来表示来表示，单位为单位为坎德拉每平方米（坎德拉每平方米（cd/m2）。常用光度学的名称、符号、单位及说明常用光度学的名称、符号、单位及说明名称名称符号符号单单 位位说说 明明光通光通量量流明流明lm发光体每秒所发出的光量总和发光体每秒所发出的光量总和光强光强I坎德坎德拉拉cd发发光光体体在在特特定定方方向向的的单单位位立立体体角内所发射的光通量角内所发射的光通量照度照度E勒克勒克斯斯lm/m2发发光光体体照照射射在在被被照照物物体体单单位位面面积上的光通量积上的光通量亮度亮度L尼脱尼脱cd/m2发发光光体体在在视视线线方方向向单单位位投投影影面面上的发光强度上的发光强度回光敏晶体管回光敏晶体管出出 去去 动动 一一 动动