第九章光電式傳感器ppt課件

1、2021-12-181第第9章章 光電式傳感器光電式傳感器2021-12-182引言引言n光電式傳感器是把被測物理量的變化先轉(zhuǎn)換成光電式傳感器是把被測物理量的變化先轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后再通過光電轉(zhuǎn)換元件把光光信號的變化，然后再通過光電轉(zhuǎn)換元件把光信號變換成電信號的一種傳感器。光電式傳感信號變換成電信號的一種傳感器。光電式傳感器的測量方法靈活多樣，并且具有使用方便、器的測量方法靈活多樣，并且具有使用方便、非接觸、高精度、高分辨力、高可靠性和反應(yīng)非接觸、高精度、高分辨力、高可靠性和反應(yīng)快等一系列優(yōu)點，因而發(fā)展十分迅速，而且隨快等一系列優(yōu)點，因而發(fā)展十分迅速，而且隨著激光、光柵、光導(dǎo)纖維、著激光

2、、光柵、光導(dǎo)纖維、CCD等器件的相繼等器件的相繼問世，光電傳感器在檢測及自動控制領(lǐng)域中得問世，光電傳感器在檢測及自動控制領(lǐng)域中得到了更廣泛的應(yīng)用。到了更廣泛的應(yīng)用。2021-12-1839.1.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)n所謂光電效應(yīng)是指在光的照射下一些金所謂光電效應(yīng)是指在光的照射下一些金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料釋放電子屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料釋放電子的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。n光子是具有一定能量的微粒，是以光速光子是具有一定能量的微粒，是以光速運動的粒子流。每一個光子都具有一定運動的粒子流。每一個光子都具有一定的能量，它的能量大小的能量，它的能量大小E與其頻率與其頻率 成正成正比。比。hchE9.1 光

3、電傳感器2021-12-1849.1.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)n光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。當(dāng)光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。當(dāng)物體在光的作用下所釋放的電子沒有逸出物物體在光的作用下所釋放的電子沒有逸出物體表面，而只在物體的內(nèi)部運動并使物體的體表面，而只在物體的內(nèi)部運動并使物體的電學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，電學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)多產(chǎn)生于半導(dǎo)體材料內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)多產(chǎn)生于半導(dǎo)體材料內(nèi)。n當(dāng)物體在光的作用下使物體中的電子從物體當(dāng)物體在光的作用下使物體中的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象，叫做外光電效應(yīng)，外光電表面逸出的現(xiàn)象，叫做外光電效應(yīng)，外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬或

4、金屬氧化物內(nèi)。效應(yīng)多發(fā)生于金屬或金屬氧化物內(nèi)。 2021-12-185特點特點n光的波長越短，即頻率越高，其光子的光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長越長，其能量也越大；反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。不同顏色的光子光子的能量也就越小。不同顏色的光子由于其光波頻率不同其能量也是不同的由于其光波頻率不同其能量也是不同的，綠光光子比紅光光子具有更多的能量，綠光光子比紅光光子具有更多的能量，照射在物體上可看作是一連串具有能，照射在物體上可看作是一連串具有能量為量為E的粒子轟擊在物體上。光子與物質(zhì)的粒子轟擊在物體上。光子與物質(zhì)間的連接體是電子。間的連接體是電子。202

5、1-12-1869.1.2 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件n光電管光電管2021-12-1879.1.2 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件n光電管的伏安特性曲線光電管的伏安特性曲線UA（V）)( AI6010002040801234lm1 . 00.050.02lmlm2021-12-1889.1.2 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件n光電管的光照特性光電管的光照特性銀氧銫陰極光電管光通量（lm）04812160.20.40.60.81.0)( AI光電流銻銫陰極光電管2021-12-1899.1.2 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件n光電管的光譜特性曲線光電管的光譜特性曲線2021-12-18109.1.

6、2 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件n光電倍增管光電倍增管2021-12-18119.1.2 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件n光電倍增管的工作原理光電倍增管的工作原理基于外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)基礎(chǔ)上。在光電基于外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)基礎(chǔ)上。在光電倍增管的各倍增電極倍增管的各倍增電極D1、D2、D3和陽極上，依次有逐漸增高和陽極上，依次有逐漸增高的正電壓，即陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極的電位的正電壓，即陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高，而且相鄰兩極之間電壓應(yīng)使二次發(fā)射依次升高，陽極電位最高，而且相鄰兩極之間電壓應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于系數(shù)

7、大于1。在入射光作用下，光電陰極發(fā)射的光電子在。在入射光作用下，光電陰極發(fā)射的光電子在D1電場電場作用下，以高速向倍增電極作用下，以高速向倍增電極D1打去，產(chǎn)生二次發(fā)射，于是更多的打去，產(chǎn)生二次發(fā)射，于是更多的二次發(fā)射電子又在二次發(fā)射電子又在D2電場作用下，射向第二倍增電極，激發(fā)更多電場作用下，射向第二倍增電極，激發(fā)更多的次發(fā)射電子，如此下去，一個光電子將激發(fā)更多的二次發(fā)射電的次發(fā)射電子，如此下去，一個光電子將激發(fā)更多的二次發(fā)射電子，如此不斷倍增，最后陽極收集到的電子數(shù)將達到陰極發(fā)射電子，如此不斷倍增，最后陽極收集到的電子數(shù)將達到陰極發(fā)射電子數(shù)的子數(shù)的105106倍，即光電倍增管的放大倍數(shù)可達

8、到幾萬倍到幾倍，即光電倍增管的放大倍數(shù)可達到幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬到幾百萬倍百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬到幾百萬倍。因此，在很微弱的光照下，光電倍增管也能產(chǎn)生很大的光電流。因此，在很微弱的光照下，光電倍增管也能產(chǎn)生很大的光電流。2021-12-18129.1.2 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件n光電倍增管的主要參數(shù)光電倍增管的主要參數(shù)n（1)倍增系數(shù)倍增系數(shù)M。n（2)光電陰極靈敏度和光電倍增管的總光電陰極靈敏度和光電倍增管的總靈敏度。靈敏度。極間電壓（V）251035075100125150104105106放大倍數(shù)2021-12-18139

9、.1.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件內(nèi)光電效應(yīng)器件n光電倍增管的主要參數(shù)光電倍增管的主要參數(shù)n（1）倍增系數(shù)）倍增系數(shù)M。n（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管的總）光電陰極靈敏度和光電倍增管的總靈敏度。靈敏度。極間電壓（V）251035075100125150104105106放大倍數(shù)2021-12-18141光敏電阻光敏電阻 n光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電元件。它具有靈敏度高、光譜響體光電元件。它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、體積小、重量輕、機械強度應(yīng)范圍寬、體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和高、耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等特

10、點壽命長等特點 2021-12-1815（1）光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)）光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)。 n光敏電阻受到光照時，由于內(nèi)光電效應(yīng)，因光敏電阻受到光照時，由于內(nèi)光電效應(yīng)，因而其導(dǎo)電性能增強而電阻而其導(dǎo)電性能增強而電阻R0值下降，所以流值下降，所以流過負載電阻過負載電阻RL的電流的電流及其兩端電壓會發(fā)生變及其兩端電壓會發(fā)生變化。一般而言，光線越化。一般而言，光線越強，電流越大。當(dāng)光照強，電流越大。當(dāng)光照停止時，光電效應(yīng)會立停止時，光電效應(yīng)會立即消失，電阻又恢復(fù)原即消失，電阻又恢復(fù)原值。值。 2021-12-1816光敏電阻 當(dāng)光敏電阻受到光照時， 阻值減小。2021-12-1817（2）光敏電阻的

11、基本特性和主要）光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)。參數(shù)。光敏電阻的伏安特性。光敏電阻的伏安特性。 光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性 2021-12-1818光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性 。 Sr(%)（ A）2040608010001.53硫 化 鉛硫 化 鉈硫 化 鎘靈敏度波 長2021-12-1819光敏電阻的頻率特性光敏電阻的頻率特性暗電阻、亮電阻與光電流。暗電阻、亮電阻與光電流。光敏電阻在受到光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。在沒有受到光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流被稱為暗電流。100806040200101001

12、00010000S( %)（Hz）硫化鎘硫化鉛頻率靈敏度2021-12-1820光敏電阻的溫度特性。光敏電阻的溫度特性。 1.02.03.04.0020406080100(%)-20+20波長（m）靈敏度2021-12-18212光敏晶體管光敏晶體管 n光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管，它們的工作原理是基管、光敏晶閘管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏三極管的靈敏度比于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，目前光敏二極管高，但頻率特性較差，目前廣泛應(yīng)用于光纖通信、紅外線遙控器、廣泛應(yīng)用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦

13、合器、控制伺服電機轉(zhuǎn)速的檢測光電耦合器、控制伺服電機轉(zhuǎn)速的檢測、光電讀出裝置等場合。光敏晶閘管主、光電讀出裝置等場合。光敏晶閘管主要應(yīng)用于光控開關(guān)電路要應(yīng)用于光控開關(guān)電路 2021-12-1822（1）光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理）光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理 n 光敏二極管光敏二極管。 n通常處于反向通常處于反向偏置狀態(tài)偏置狀態(tài) 。當(dāng)。當(dāng)沒有光照射時沒有光照射時，其反向電阻，其反向電阻很大，反向電很大，反向電流很小，這種流很小，這種反向電流稱為反向電流稱為暗電流。暗電流。 1負極引腳 2管芯 3外殼 4玻璃聚光鏡 5正極引腳 6N型襯底 7SiO2保護圈8SiO2透明保護層 9鋁引出電極 10P型擴

14、散層 11PN結(jié) 12金屬引出線2021-12-1823光敏二極管外形 光敏二極管陣列光敏二極管陣列 包含包含1024個個InGaAs元件元件的線性光電二極管陣列，可用的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。于分光鏡。2021-12-1824紅外發(fā)射、接收對管外形 紅外發(fā)射管紅外發(fā)射管紅外接收管紅外接收管2021-12-1825 光敏三極管光敏三極管 n集電極電流是原集電極電流是原始光電電流的始光電電流的倍。因此，光敏倍。因此，光敏三極管比光敏二三極管比光敏二極管的靈敏度高極管的靈敏度高許多倍。許多倍。 光敏三極管光敏三極管 2021-12-1826光敏三極管外形 2021-12-1827 光敏晶

15、閘管光敏晶閘管 n光敏晶閘管（光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管）又稱為光控晶閘管 n光敏晶閘管的特點是工作電壓很高，有光敏晶閘管的特點是工作電壓很高，有的可達數(shù)百伏，導(dǎo)通電流比光敏三極管的可達數(shù)百伏，導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，因此輸出功率很大，在自動檢大得多，因此輸出功率很大，在自動檢測控制和日常生活中應(yīng)用會越來越廣泛測控制和日常生活中應(yīng)用會越來越廣泛。2021-12-1828光敏晶閘管外形光敏面2021-12-1829（2）光敏晶體管的基本特性）光敏晶體管的基本特性。 n 光譜特性。光譜特性。n 相對靈敏度100806040200入射光鍺硅波長（m）(%)0.421.61.20.820

16、21-12-1830n 伏安特性伏安特性 2021-12-1831n光敏晶體管的光照特性光敏晶體管的光照特性2021-12-1832n 光敏晶體管的溫度特性光敏晶體管的溫度特性2021-12-1833n 光敏晶體管的頻率特性光敏晶體管的頻率特性2021-12-1834.電池電池 n光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)，當(dāng)光照射到光電池上時，可以直接輸，當(dāng)光照射到光電池上時，可以直接輸出光電流。常用的光電池有兩種，一種出光電流。常用的光電池有兩種，一種是金屬是金屬半導(dǎo)體型，另一種是半導(dǎo)體型，另一種是PN結(jié)型，結(jié)型，如硒光電池、硅光電池、鍺光電池等。如硒光電池、硅光

17、電池、鍺光電池等。 2021-12-1835硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 n用導(dǎo)線連接用導(dǎo)線連接P區(qū)區(qū)和和N區(qū)，電路中區(qū)，電路中就有電流流過就有電流流過 2021-12-1836光電池外形光敏面光敏面2021-12-1837能提供較大電流的大面積光電池外形2021-12-1838光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用2021-12-1839典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu) 1發(fā)光元件 2接收元件 3殼體 4導(dǎo)線 5反射物 6窗體 2021-12-1840 光電開關(guān)外形2021-12-1841應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍n用光電開關(guān)檢測物體時，大

18、部分只要求用光電開關(guān)檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有其輸出信號有“高高低低”之分即可。之分即可。 2021-12-1842n光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中用作物體檢測、裝置。可在自控系統(tǒng)中用作物體檢測、產(chǎn)品計數(shù)、料位檢測、尺寸控制、安全產(chǎn)品計數(shù)、料位檢測、尺寸控制、安全報警及計算機輸入接口等用途。報警及計算機輸入接口等用途。 2021-12-18439.1.4 光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用n1、煙塵濁度監(jiān)測儀、煙塵濁度監(jiān)測儀 煙囪里的煙塵濁度是通過光在煙囪里煙囪

19、里的煙塵濁度是通過光在煙囪里傳輸時的變化大小來檢測的。如果煙塵傳輸時的變化大小來檢測的。如果煙塵濁度增加，那么光源發(fā)出的光被煙塵顆濁度增加，那么光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射就會增加，使到達接收粒的吸收和折射就會增加，使到達接收端的光減少，因而光檢測器輸出的信號端的光減少，因而光檢測器輸出的信號就會減弱；反之，煙塵濁度減少，光檢就會減弱；反之，煙塵濁度減少，光檢測器輸出的信號就會增強。測器輸出的信號就會增強。2021-12-18449.1.4 光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用n吸收式煙塵濁度檢測儀框圖吸收式煙塵濁度檢測儀框圖白熾光光源光檢測器放大電路顯示電路刻度校正報警電路煙囪2021-1

20、2-18459.1.4 光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用n2、光電轉(zhuǎn)速傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器如圖所示為在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)盤如圖所示為在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔，在轉(zhuǎn)盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達由光敏晶體管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相到達由光敏晶體管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。光敏晶體管放大整形電路白熾燈光敏晶體管轉(zhuǎn)盤放大整形電路白熾燈轉(zhuǎn)盤（a）（b）2021-12-18469.1.4 光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用n光電脈沖轉(zhuǎn)換電路光電脈沖轉(zhuǎn)換電路VT1VT2VT3VT4R1R2R3R4R5R6R7R8+VCCUO2021-12-18479.2 紅外傳感器