傳感器之光電傳感器學(xué)習(xí)課程

1、 一、一、光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管 利用外光電效應(yīng)制成的光電器件。（一）光電管（一）光電管光輸入光輸入 陽極陽極陰極陰極電電子子逸逸出出 電輸出電輸出光-以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流。單個(gè)光子能量：hE 普郎克常數(shù)普郎克常數(shù)光波頻率光波頻率0212Ahmv光電管中的自由電子逸出條件：電子電子質(zhì)量質(zhì)量逸出逸出初速度初速度逸出功逸出功光波光波頻率頻率AhhAAhcc即光波頻率光波頻率光波波長光波波長或光速光速第1頁/共30頁第一頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。光電管光電管測量電路：測量電路：Ahcm 可見，要使光電管中的自由電子逸出，頻率不能太低，波長也不能太長。為入射光波長上限，也被稱為“紅

2、限”。光光電電管管陰極陰極陽極陽極 電壓輸出電壓輸出光輸入光輸入第2頁/共30頁第二頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。（二）光電倍增管（二）光電倍增管 光電倍增管具有放大光電子電流的能力。 光電倍增管具10-1510-15級倍增電極，電位依次升高，使得陰極因接受光能而發(fā)射的電子逐級加速，且受光電子的數(shù)量逐級增多，形成較大的光電流?？捎糜谖⒐鉁y量。 設(shè)單級的信號倍增率為 ，則多級的倍增率為 。 光輸入光輸入 陽極陽極陰極陰極 - -+ + + + + - - - - - -+ + - -+ + + - -+ + - - - -n第3頁/共30頁第三頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。光電倍增管光電

3、倍增管測量電路：測量電路：直流電源光線光線輸輸出出電電壓壓陰極陰極陽極陽極第4頁/共30頁第四頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。二、二、光敏電阻光敏電阻 （一）工作原理（一）工作原理：由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，利用內(nèi)光電效應(yīng)而工作。 光敏電阻當(dāng)光線照射時(shí)，因材料中的電子空穴對增加，其電阻值會變小，當(dāng)光照消失時(shí)，電阻會恢復(fù)原值。這種現(xiàn)象被稱為光導(dǎo)效應(yīng)。 光敏電阻沒有極性，純粹是電阻器件，即可以加直流電壓，也可以加交流電壓工作。 光照電路符號第5頁/共30頁第五頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。（二）特性參數(shù)（二）特性參數(shù) 1.暗電阻與亮電阻 暗電阻-在室溫且全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型

4、光敏電阻的暗阻大于等于0.1兆歐。 暗電阻-在室溫且一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的亮阻小于等于1000歐。 2.伏安特性曲線 光敏電阻接在電路上，亮電流（大）與暗電流（?。┲畋环Q為光電流。 光敏電阻的亮電阻越大，暗電阻越小，靈敏度越高。光照度小光照度大第6頁/共30頁第六頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。3.光電特性曲線-光照度與光電流之間的關(guān)系。4.光譜特性曲線-入射光頻率與靈敏度之間的關(guān)系。光電特性光譜特性光照度光照度光光電電流流靈靈敏敏度度光波波長光波波長硫化鎘硫化鎘硫化跎硫化跎硫化鉛硫化鉛（紫外（紫外-紫紫-紅紅-紅外）紅外）第7頁/共30頁第七頁，編輯

5、于星期日：九點(diǎn) 二十三分。5.頻率特性曲線-光頻率與靈敏度之間的關(guān)系。6.溫度特性曲線-溫度對光譜特性的影響。頻率特性（硫化鉛）光譜溫度特性硫化鉛硫化鉛硫化跎硫化跎 溫度降低更適合檢測波長長的信號溫度降低更適合檢測波長長的信號溫度高溫度高溫度低溫度低（紫外（紫外-紫紫-紅紅-紅外）紅外）第8頁/共30頁第八頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。三、三、光敏晶體管光敏晶體管（一）工作原理（一）工作原理 1.光敏二極管：正常情況下，PN結(jié)反向是不導(dǎo)通的。當(dāng)被光線照射時(shí)，PN結(jié)反向?qū)ǎ梢愿袦y光信號。 NP電路符號結(jié)構(gòu)示意基本電路第9頁/共30頁第九頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。 2.光敏三極管：

6、正常情況下，給PNP型三極管的集電極和發(fā)射極之間加正向電壓，一個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)）不導(dǎo)通，另一個(gè)PN結(jié)（發(fā)射結(jié)）導(dǎo)通。 但當(dāng)集電結(jié)被光線照射時(shí)，集電結(jié)會反向?qū)?，造成三極管中出現(xiàn)放大電流，集電極和發(fā)射極之間導(dǎo)通。也可以感測光信號。無光照無輸出無光照無輸出有光照有輸出有光照有輸出+ +- -第10頁/共30頁第十頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。（二）基本特性（二）基本特性 1.光譜特性：一定照度下,光波波長與光敏管靈敏度的關(guān)系。 2.伏安特性: 不同照度下,輸出電壓電流關(guān)系。 硅管鍺管光譜特性（紫外（紫外-紫紫-紅紅-紅外）紅外）伏安特性光照度小光照度大第11頁/共30頁第十一頁，編輯于星期日：

7、九點(diǎn) 二十三分。 3.光電特性：光照度-輸出電流關(guān)系。一般光照加強(qiáng)電流增大。光敏二極管的線性度較好，光敏三極管會飽和。 4.溫度特性: 一定照度下溫度-電流關(guān)系。對亮電流、暗電流、輸出電流影響程度不同。溫度對亮電流小，對暗電流影響顯著。 4.頻率特性: 輸入的調(diào)制光頻率與輸出靈敏度的關(guān)系。 溫度特性輸出電流暗電流頻率特性輸出靈敏度第12頁/共30頁第十二頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。四、四、光電池光電池（一）工作原理（一）工作原理 光生伏特效應(yīng)。（二）基本特性（二）基本特性 1.光譜特性： 一定照度下,光波波長與光電池靈敏度的關(guān)系。 （紫外（紫外-紫紫-紅紅-紅外）紅外）硅光電池硒光電池光

8、線照射光線照射發(fā)電發(fā)電電路符號電路符號受光范圍寬受光范圍寬受光范圍窄受光范圍窄第13頁/共30頁第十三頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。 2.光電特性: 光照度與輸出電動(dòng)勢、輸出電流之間的關(guān)系。 3.溫度特性 指開路電壓、短路電流與溫度變化的關(guān)系。 4.頻率特性: 指輸入的調(diào)制光頻率與輸出電流的關(guān)系。 硅光電池的頻率特性較好，頻率上限約幾萬Hz。 開路電壓開路電壓短路電流短路電流輸出電動(dòng)勢輸出電動(dòng)勢短路輸出電流短路輸出電流第14頁/共30頁第十四頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。第二節(jié)第二節(jié) 光電傳感器與光電檢測光電傳感器與光電檢測一、一、光電傳感器的類型光電傳感器的類型 光電傳感器組成：被測

9、量使得光通亮連續(xù)變化，輸出光電流也連續(xù)變化。 （一）模擬式光電傳感器（一）模擬式光電傳感器被測量第15頁/共30頁第十五頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。模擬式光電傳感器的四種形式：模擬式光電傳感器的四種形式：被測量是光源（測光源溫度）被測量是光源（測光源溫度）被測量吸收光通亮（測厚）被測量吸收光通亮（測厚）光源被投射光源被投射- -反射反射（測表面粗糙度等）（測表面粗糙度等）光源被運(yùn)動(dòng)物體阻擋光源被運(yùn)動(dòng)物體阻擋（測尺寸和位置）（測尺寸和位置）第16頁/共30頁第十六頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。（二）脈沖式光電傳感器（二）脈沖式光電傳感器 光信號斷續(xù)變化，光電元件輸出的也斷續(xù)變化。只有兩

10、種狀態(tài)。常用于計(jì)數(shù)或測速。二、二、光電傳感器的常用光源光電傳感器的常用光源（一）發(fā)光二極管：（一）發(fā)光二極管：電能 光能。（二）鎢絲燈泡：（二）鎢絲燈泡：發(fā)射紅外光。（三）激光（三）激光三、三、光電轉(zhuǎn)換電路光電轉(zhuǎn)換電路1.光敏電阻測量電路2.光敏晶體管測量電路3.光電池測量電路4.使用運(yùn)算放大器的光敏元件測量電路。第17頁/共30頁第十七頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。光敏電阻光敏電阻測量電路測量電路光敏晶體管光敏晶體管測量電路測量電路光線增強(qiáng)光線增強(qiáng)電阻減小電阻減小基極電壓基極電壓輸出電壓輸出電壓感光感光感溫感溫不感光不感光感溫感溫輸出輸出與光通亮與光通亮成比例成比例光線增強(qiáng)光線增強(qiáng)電壓變

11、小電壓變小第18頁/共30頁第十八頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。光電池光電池測量電路測量電路光線增強(qiáng)光線增強(qiáng)電壓變大電壓變大光線增強(qiáng)光線增強(qiáng)電壓變大電壓變大光線增強(qiáng)光線增強(qiáng)電壓變大電壓變大第19頁/共30頁第十九頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。使用運(yùn)算放大器的光敏元件測量電路使用運(yùn)算放大器的光敏元件測量電路光線增強(qiáng)光線增強(qiáng)PNPN導(dǎo)通導(dǎo)通負(fù)電壓輸入負(fù)電壓輸入光線增強(qiáng)光線增強(qiáng)短路電路短路電路增大增大光線強(qiáng)弱光線強(qiáng)弱影響放大倍數(shù)影響放大倍數(shù)IFRIU20第20頁/共30頁第二十頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。二、二、光電檢測實(shí)例光電檢測實(shí)例 （一）（一）WDS型光電比色高溫計(jì)：型光電比色高

12、溫計(jì)： 通過輻射體在兩個(gè)不同波長上的輻射能量之比，測定輻射體的溫度。非接觸式，可測量高溫。輻射體物鏡瞄準(zhǔn)反射鏡光導(dǎo)棒不可見光可見光光闌分光鏡比例計(jì)算人工觀測反射鏡目鏡棱鏡變送器記錄儀第21頁/共30頁第二十一頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。 （二）光電比色計(jì)（二）光電比色計(jì) 用于溶液的顏色、成分、渾濁度等化學(xué)分析。 標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)準(zhǔn)樣品 受檢樣品受檢樣品光源光源凸透鏡凸透鏡凸透鏡凸透鏡濾色濾色濾色濾色光電池光電池光電池光電池差值差值差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器顯示儀表顯示儀表第22頁/共30頁第二十二頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。 （三）光電式帶材測厚跑偏檢測儀（三）光電式帶材測厚跑偏檢測儀 檢測帶

13、材加工過程中偏離正確位置的情況。光源光源不反射帶材不反射帶材光源光源凸透鏡凸透鏡凸透鏡凸透鏡反射鏡反射鏡半透膜半透膜反射鏡反射鏡 光敏光敏三極管三極管正確位置電橋平衡正確位置電橋平衡U U0 0=0=0左或右偏左或右偏U UO O都會改變。都會改變。電橋電橋第23頁/共30頁第二十三頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。 （四）光電式轉(zhuǎn)速儀（四）光電式轉(zhuǎn)速儀 1 1）反射式光電轉(zhuǎn)速儀 電信號電信號 光信號光信號凸透鏡凸透鏡半透膜片半透膜片聚焦透鏡聚焦透鏡凸透鏡凸透鏡光源光源測測量量電電路路計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器不反光位置電橋平衡不反光位置電橋平衡U U0 0=0=0反光位置輸出電脈沖。反光位置輸出電脈沖。第

14、24頁/共30頁第二十四頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。2 2）直射式光電轉(zhuǎn)速儀 測測量量電電路路計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器光信號光信號 電信號電信號 凸透鏡凸透鏡指示透鏡指示透鏡光源光源旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)盤不透光位置電橋平衡不透光位置電橋平衡U U0 0=0=0透光位置輸出電脈沖。透光位置輸出電脈沖。第25頁/共30頁第二十五頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。 （五）光電檢測的其他應(yīng)用舉例（五）光電檢測的其他應(yīng)用舉例布料寬度檢測、有無檢測布料寬度檢測、有無檢測兩臺行車的兩臺行車的安全距離檢測安全距離檢測空箱檢測及推出處理空箱檢測及推出處理被長距傳送的金屬板檢測被長距傳送的金屬板檢測第26頁/共30頁第二十六頁，

15、編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。第三節(jié)第三節(jié) 光導(dǎo)纖維傳感器光導(dǎo)纖維傳感器一、一、光纖傳感器工作原理光纖傳感器工作原理（利用光的完全內(nèi)反射原理）（利用光的完全內(nèi)反射原理） 象電路傳輸電信號一樣，光導(dǎo)纖維可以傳輸光信號。主要應(yīng)用于通訊領(lǐng)域。 使用光導(dǎo)纖維的傳感器被稱為光纖傳感器。光纖傳感器傳光型：作為光學(xué)通路傳輸光信號。功能型：被測信號 光纖及傳輸特性變化。 包層包層2.2.光導(dǎo)光導(dǎo)纖維纖維低折射率低折射率高折射率高折射率1.1.光源光源3.3.光探光探測器測器第27頁/共30頁第二十七頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十三分。 光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn): : 1)1)性能好、耐腐蝕、不受電磁干擾，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 2 2）檢測靈敏度高、精度高，便于利用光通信電路進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量。 3 3）光纖細(xì)、可撓曲，可以進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部或人體內(nèi)臟進(jìn)行測量。二、二、光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用1.1.光纖位移傳感器光纖位移傳感器( (傳光型傳光型) )光源光源接受光