第五章(1)光傳感器

1、ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)第五章第五章 光傳感器光傳感器教學(xué)目的與要求：要求學(xué)生了解光敏傳感器的性能參數(shù)教學(xué)目的與要求：要求學(xué)生了解光敏傳感器的性能參數(shù); ;理理 解光電效應(yīng)的原理；掌握常用光電器件解光電效應(yīng)的原理；掌握常用光電器件 的特性及應(yīng)用。的特性及應(yīng)用。 教學(xué)重點(diǎn)：內(nèi)光電效應(yīng)器件的工作電路、特性及應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)：內(nèi)光電效應(yīng)器件的工作電路、特性及應(yīng)用 教學(xué)難點(diǎn)：光電效應(yīng)教學(xué)難點(diǎn)：光電效應(yīng)ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把件，它是把

2、光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件信號(hào)的器件。第五章第五章 光傳感器光傳感器 ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光學(xué)變換光學(xué)變換電路處理電路處理變換電路變換電路光電傳感光電傳感光光源源光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)被測對象被測對象光學(xué)變換光學(xué)變換存儲(chǔ)存儲(chǔ)顯示顯示控制控制電信號(hào)處理電信號(hào)處理ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)門禁門禁光光電電鼠鼠標(biāo)標(biāo)ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光電開關(guān)ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光柵光柵光纖光纖光電管光電管光敏電阻光敏電

3、阻ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)照明和能源應(yīng)用衛(wèi)星和飛船靠太陽能電池提供電力衛(wèi)星和飛船靠太陽能電池提供電力 采用太陽能供電的樓房。由于采用了聚光式的結(jié)構(gòu)，使用很小面積的高效太陽能電池也可以達(dá)到大面積采光的效果，但可以明顯降低成本。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)一、光譜一、光譜 光波光波：波長為：波長為101010106 6nmnm的電磁波的電磁波 可見光：可見光：波長波長380380780nm780nm 紫外線：紫外線：波長波長1010380nm380nm， 波長波長300300380nm380nm稱為近紫外線稱為近紫外線 波長波長20020

4、0300nm300nm稱為遠(yuǎn)紫外線稱為遠(yuǎn)紫外線 波長波長1010200nm200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，稱為極遠(yuǎn)紫外線， 紅外線：紅外線：波長波長78078010106 6nmnm 波長波長3m3m（即（即3000nm3000nm）以下的稱近紅外線）以下的稱近紅外線 波長超過波長超過3m 3m 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。 可見光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長/m遠(yuǎn)紫外近紫外ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光就是一種電磁現(xiàn)象光就是一種電磁現(xiàn)象cv頻率與波長的關(guān)系:C真空中的光速ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試

5、技術(shù) 光源（發(fā)光器件）光源（發(fā)光器件）1 1、鎢絲白熾燈、鎢絲白熾燈 發(fā)光范圍：發(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號(hào)。件都能和它配合接收到光信號(hào)。光譜范圍：0.43 m 發(fā)光效率：10 lm/W色溫2856K白熾鎢絲燈是可見光和近紅外區(qū)光電探測器積分靈敏度測試標(biāo)準(zhǔn)光源 ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)2 2、氣體放電燈、氣體放電燈 利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。 光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、光譜與氣體的種類及放電條件

6、有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。單色光源。 鹵鎢燈鹵鎢燈是填充氣體內(nèi)含有部分鹵族元素或鹵化物的充氣白熾燈充氣白熾燈。在普通白熾燈中，燈絲的高溫造成鎢的蒸發(fā)，蒸發(fā)的鎢沉淀在玻殼上，產(chǎn)生燈泡玻殼發(fā)黑的現(xiàn)象。鹵鎢燈，用鹵鎢循鹵鎢循環(huán)的原理消除環(huán)的原理消除了了這一發(fā)黑的現(xiàn)象發(fā)黑的現(xiàn)象。輻射光譜約輻射光譜約0.250.253.5m3.5m。色溫可達(dá)。色溫可達(dá) 3200K3200K，發(fā)光效率，發(fā)光效率30 30 lm/Wlm/W，更廣泛地

7、用作儀器的白光源。，更廣泛地用作儀器的白光源。 如熒光燈（低壓汞燈）如熒光燈（低壓汞燈）ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 光源（發(fā)光器件）光源（發(fā)光器件）3 3、發(fā)光二極管、發(fā)光二極管LEDLED（Light Emitting DiodeLight Emitting Diode） 由半導(dǎo)體由半導(dǎo)體PNPN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。 ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)LED屏幕 北京北京奧運(yùn)開幕現(xiàn)場最令人吃驚之處，在地

8、上那副轉(zhuǎn)軸不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的畫面，這奧運(yùn)開幕現(xiàn)場最令人吃驚之處，在地上那副轉(zhuǎn)軸不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的畫面，這就就是是LEDLED屏幕屏幕所做出的效果，所做出的效果，這個(gè)屏幕長這個(gè)屏幕長147m147m、寬寬36m36m，上面有，上面有4 4萬萬4 4千千顆顆LEDLED燈燈，藉由藉由電腦動(dòng)畫電腦動(dòng)畫，幻化出各，幻化出各種不斷流動(dòng)的圖案種不斷流動(dòng)的圖案，該屏幕經(jīng)過測試該屏幕經(jīng)過測試，完全，完全經(jīng)得起表經(jīng)得起表演人員演人員踩踏及水淹踩踏及水淹考驗(yàn)?？简?yàn)。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)4 4、激光器、激光器 激光具有激光具有高方向性、高單色性、高亮度和高相干性高方向性、高單色性、高亮度和高相干

9、性四個(gè)重四個(gè)重要特性。激光波長從要特性。激光波長從0.24m0.24m到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。激光器按工作物質(zhì)分類：激光器按工作物質(zhì)分類：u固體固體激光器（如紅寶石激光器）激光器（如紅寶石激光器）u氣體氣體激光器（如氦激光器（如氦- -氖氣體激光氖氣體激光器、二氧化碳激光器）器、二氧化碳激光器）u半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光激光器（如砷化鎵激光器）器）u液體液體激光器。激光器。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)1 1、外光電效應(yīng)、外光電效應(yīng) 在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的

10、現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?，F(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。 由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為：通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)。二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng)2 2、內(nèi)光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)

11、光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。生電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。 根據(jù)工作原理的不同，根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類特效應(yīng)兩類。 ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。ch5 光傳感器光傳感器傳感器

12、與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光電管的結(jié)構(gòu)示意圖光電管的結(jié)構(gòu)示意圖 光陽極光電陰極光窗 光電管有光電管有真空光電管真空光電管和和充氣充氣光電管光電管或稱電子光電管和離子光或稱電子光電管和離子光電管兩類。它們由一個(gè)陰極和一電管兩類。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只真?zhèn)€陽極構(gòu)成，

13、并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。圓形，置于玻璃管的中央。第二節(jié)第二節(jié) 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件 利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。增管。一、光電管一、光電管ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)RUI光強(qiáng) 當(dāng)光線照射在

14、光敏材料上時(shí)，如果光子的能量當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量E E大于電大于電子的逸出功子的逸出功A A（E EA A），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，被帶有正電的陽極吸引， 在光電管內(nèi)形成電子流，在光電管內(nèi)形成電子流， 電流在回路電阻電流在回路電阻R R上產(chǎn)生上產(chǎn)生 正比于電流大小的壓降。正比于電流大小的壓降。 因此因此 用作光電陰極的金屬有堿金屬、汞、金、銀等，可適合不用作光電陰極的金屬有堿金屬、汞、金、銀等，可適合不同波段的需要。同波段的需要。 光電管靈敏度低、體積大、易破損。光電管靈敏度低、體積大、易破損。目前光電管主要用

15、途：光電比色計(jì)等分析儀器、各種光學(xué)自動(dòng)裝置。目前光電管主要用途：光電比色計(jì)等分析儀器、各種光學(xué)自動(dòng)裝置。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光電管光電管ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)二、光電倍增管二、光電倍增管 光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的 電流很小，為提高靈敏度常電流很小，為提高靈敏度常 使用光電倍增管。如核儀器使用光電倍增管。如核儀器 中閃爍探測器都使用的是光中閃爍探測器都使用的是光 電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。 光電倍增管是利用二次電子光電倍增管是利用二次電子 釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固釋放效應(yīng)，高速電子

16、撞擊固 體表面，發(fā)出二次電子，將體表面，發(fā)出二次電子，將 光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大。然后把發(fā)射得到倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號(hào)放大后的電子用陽極收集作為信號(hào)輸出輸出。一般經(jīng)十次以上倍增，放大倍數(shù)可達(dá)到。一般經(jīng)十次以上倍增，放大倍數(shù)可達(dá)到1081010。 因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以

17、光電倍增管在探測紫外、可見和近紅因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度極高的靈敏度和和極低的噪聲極低的噪聲。另外，光。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。 ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 在天體光度測量和天體分光光度測量中廣泛使用。測量精度高，在天體光度測量和天體分光光度測量中廣泛使用。測量精度高，可以測量比較暗弱的天體，還可以測量天體光度的快速變化?？梢詼y量比較暗弱的天體，還可以測量天體光度

18、的快速變化。廣泛應(yīng)用于光子計(jì)數(shù)、極微弱光探測、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光研究、極廣泛應(yīng)用于光子計(jì)數(shù)、極微弱光探測、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計(jì)、旋光儀、色度計(jì)、照度計(jì)、塵埃計(jì)、濁度低能量射線探測、分光光度計(jì)、旋光儀、色度計(jì)、照度計(jì)、塵埃計(jì)、濁度計(jì)、光密度計(jì)、熱釋光量儀、輻射量熱計(jì)、掃描電鏡、生化分析儀等儀器計(jì)、光密度計(jì)、熱釋光量儀、輻射量熱計(jì)、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設(shè)備中。設(shè)備中。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢的光電器利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件。件稱內(nèi)光電效應(yīng)

19、器件。 常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。等。一、光敏電阻一、光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件內(nèi)光電效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。 光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號(hào)光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號(hào) ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感

20、器與測試技術(shù) 在黑暗的環(huán)境下在黑暗的環(huán)境下, ,它的阻值很高它的阻值很高, ,當(dāng)受到光照并且光輻射能量當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時(shí)，使其導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加足夠大時(shí)，使其導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加, ,電阻率變小。電阻率變小。 光敏電阻主要參數(shù)光敏電阻主要參數(shù) 暗電阻暗電阻無光照時(shí)的電阻；無光照時(shí)的電阻； 暗電流暗電流無光照時(shí)的電流；無光照時(shí)的電流； 亮電阻、亮電流亮電阻、亮電流受光照時(shí)的阻值、電流；受光照時(shí)的阻值、電流； 光電流光電流亮電流與暗電流之差。亮電流與暗電流之差。 ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 光敏電阻在受到光的照射時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)使光敏電阻

21、在受到光的照射時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻R RG G值下降，所以流過負(fù)載電阻值下降，所以流過負(fù)載電阻R RL L的電流及其兩端電壓也隨之變化。的電流及其兩端電壓也隨之變化。 光線越強(qiáng)，電流越大光線越強(qiáng)，電流越大。當(dāng)。當(dāng)光照停止光照停止時(shí)，時(shí)，光電效應(yīng)消光電效應(yīng)消失失，電阻恢復(fù)原值，因而可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。，電阻恢復(fù)原值，因而可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光敏電阻的光敏電阻的光譜特性光譜特性 使用不同材料制成的光敏電阻，有著不同的光譜特性。對于不同波長的入射光，光敏電阻的相對對于不同波長的入射光，光敏電阻的相對靈敏度是不相同的。因此在選用光敏電阻靈敏度是不相同的。

22、因此在選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光源元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。才能獲得滿意的結(jié)果。 ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光敏電阻的光照特性具有光敏電阻的光照特性具有非線性非線性。 光敏電阻具有光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。，因此應(yīng)用比較廣泛。光敏電阻主要用于相機(jī)自動(dòng)測光、室內(nèi)光線控制、工業(yè)及光電控制、光控開關(guān)、光敏電阻主

23、要用于相機(jī)自動(dòng)測光、室內(nèi)光線控制、工業(yè)及光電控制、光控開關(guān)、光控?zé)粢约半妱?dòng)玩具等。光控?zé)粢约半妱?dòng)玩具等。 因此不適宜做檢測元件，在自動(dòng)控制因此不適宜做檢測元件，在自動(dòng)控制中它常用中它常用做開關(guān)式光電傳感器。做開關(guān)式光電傳感器。 012345I/mA L/lx10002000光敏電阻的光電特性光敏電阻的光電特性 在一定電壓作用下，光敏電阻的光電流在一定電壓作用下，光敏電阻的光電流I I與照射光通量與照射光通量( (單位單位lm:lm:流明）流明）的關(guān)系稱為光電特性。的關(guān)系稱為光電特性。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光敏電阻開關(guān)電路光敏電阻開關(guān)電路ch5 光傳感器光傳感器

24、傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)照相機(jī)曝光自動(dòng)控制電路（電子快門）照相機(jī)曝光自動(dòng)控制電路（電子快門）電路由光敏電阻電路由光敏電阻R R、開關(guān)、開關(guān)K K和電容和電容C1C1構(gòu)成的構(gòu)成的充充電電路電電路，時(shí)間檢出電路，時(shí)間檢出電路( (電壓比較器電壓比較器) )，三極管，三極管T T構(gòu)成的構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)放大電路驅(qū)動(dòng)放大電路，電磁鐵，電磁鐵M M帶動(dòng)的開門葉帶動(dòng)的開門葉片（片（執(zhí)行單元執(zhí)行單元）等組成。）等組成。 在初始狀態(tài)，開關(guān)在初始狀態(tài)，開關(guān)K K處于如圖所示的位置，處于如圖所示的位置，電壓比較器的正輸入端的電位為電壓比較器的正輸入端的電位為R R1 1與與R RW1W1分電源分電源電壓電壓U U

25、bbbb所得的閾值電壓所得的閾值電壓Vthth（一般為一般為11.5V），），而電壓比較器的負(fù)輸入端的電位而電壓比較器的負(fù)輸入端的電位V VR R近似為電源近似為電源電位電位U Ubbbb，顯然電壓比較器負(fù)輸入端的電位高，顯然電壓比較器負(fù)輸入端的電位高于正輸入端的電位，比較器輸出為低電平，三于正輸入端的電位，比較器輸出為低電平，三極管截止，電磁鐵不吸合，開門葉片閉合。極管截止，電磁鐵不吸合，開門葉片閉合。 電子快門中測光器件常采用與人眼電子快門中測光器件常采用與人眼光譜響應(yīng)接近的硫化鎘光譜響應(yīng)接近的硫化鎘(CdS)(CdS)光敏電阻。光敏電阻。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測

26、試技術(shù)當(dāng)按動(dòng)快門按鈕時(shí)，開關(guān)K與光敏電阻R及RW2構(gòu)成的測光與充電電路接通，這時(shí)，電容C兩端的電壓UC為0，由于電壓比較器的負(fù)輸入端的電位低于正輸入端而使其輸出為高電平，使三極管T導(dǎo)通，電磁鐵將帶動(dòng)快門的葉片打開快門，照相機(jī)開始曝光。快門打開的同時(shí)，電源Ubb通過電位器RW2與光敏電阻R向電容C充電，且充電的速度取決于景物的照度，景物照度愈高光敏電阻R的阻值愈低，充電速度愈快。V VR R的變化規(guī)律可由電容的變化規(guī)律可由電容C C的充電規(guī)律得到。的充電規(guī)律得到。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)V VR R的變化規(guī)律可由電容的變化規(guī)律可由電容C C的充電規(guī)律得到。的充電規(guī)

27、律得到。T電路的時(shí)間常數(shù) T=（RW2+R）C 當(dāng)電容當(dāng)電容C兩端的電壓兩端的電壓UC充電到一定的電充電到一定的電位（位（VRVth）時(shí)，電壓比較器的輸出電壓將）時(shí)，電壓比較器的輸出電壓將由高變低，三極管由高變低，三極管T截止而使電磁鐵斷電，截止而使電磁鐵斷電，快門葉片又重新關(guān)閉。快門葉片又重新關(guān)閉。 1(1)tTRbbVUe光敏電阻的阻值光敏電阻的阻值R與入射的光照度與入射的光照度EV有關(guān)有關(guān)11gVRgS E快門的開啟時(shí)間2()lnbbWthUtRR CVch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光敏管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏管是

28、重要的光敏器件，與光敏電阻相比有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是光敏二光敏管是重要的光敏器件，與光敏電阻相比有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是光敏二極管，響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高，廣泛應(yīng)用于可見光極管，響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高，廣泛應(yīng)用于可見光和遠(yuǎn)紅外探測，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。和遠(yuǎn)紅外探測，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。二、光敏二極管和光敏三極管：二、光敏二極管和光敏三極管： 光敏二極管光敏二極管 光敏二極管又稱光電二極管，它與普通半導(dǎo)體二極管在結(jié)光敏二極管又稱光電二極管，它與普通半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的。構(gòu)上是類似的。硅光敏二極管結(jié)構(gòu)硅光敏二

29、極管結(jié)構(gòu) ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)工作原理：工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)反向偏置狀態(tài)， 無光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很?。粺o光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很?。?有光照時(shí)，有光照時(shí)，PNPN結(jié)處產(chǎn)生光生電子空穴對；結(jié)處產(chǎn)生光生電子空穴對； 在電場作用下形成光電流，光照越強(qiáng)光電流越大；在電場作用下形成光電流，光照越強(qiáng)光電流越大； 光電流方向與反向電流一致。光電流方向與反向電流一致。 光敏二極管基本電路光敏二極管基本電路 ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 光照特性光照特性 右圖是硅光敏二極管

30、在小負(fù)載電阻下右圖是硅光敏二極管在小負(fù)載電阻下的光照特性。的光照特性。 光電流與照度（單位光電流與照度（單位lxlx：勒克斯）：勒克斯）成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。所以適合檢測等方面的應(yīng)所以適合檢測等方面的應(yīng)用。用。 光譜特性光譜特性 當(dāng)入射波長當(dāng)入射波長900nm900nm時(shí)，時(shí)， 響應(yīng)下降響應(yīng)下降; ; 當(dāng)入射波長當(dāng)入射波長900nm900nm時(shí)，時(shí)， 響應(yīng)也逐漸下降響應(yīng)也逐漸下降. .硅光敏二極管光照特性硅光敏二極管光照特性ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 與普通晶體管不同的是，光敏晶體管與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極是將基極集電極結(jié)作為光敏二極管，集集電極

31、結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做的很電結(jié)做受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做的很大，以擴(kuò)大光照面積。大，以擴(kuò)大光照面積。 大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，集電大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)。射到基區(qū)。光敏三極管光敏三極管光敏晶極管結(jié)構(gòu)光敏晶極管結(jié)構(gòu) 光敏三極管是把光敏二極管產(chǎn)生的光電流進(jìn)一步放大，它光敏三極管是把光敏二極管產(chǎn)生的光電流進(jìn)一步放大，它是是具有更高靈敏度和響應(yīng)速度具有更高靈敏度和響應(yīng)速度的光敏傳感器。的光敏傳感器。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光敏三極管光敏三極管

32、 光敏三極管有光敏三極管有PNPPNP型和型和NPNNPN型兩種。型兩種。 光敏三極管的光譜特性 光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 光敏三極管的光照特性 光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。 它們之間呈近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大（幾千勒克斯）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)轉(zhuǎn)換元件。 光敏二極管、光敏三極管主要用于光敏二極管、光敏三極管主要用于光電檢測、光電控制光電檢測、光電控制方面，方面，如光電耦合器等。如光電耦合器等。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例

33、光電三極管主要應(yīng)用于開關(guān)光電三極管主要應(yīng)用于開關(guān)控制電路及邏輯電路?？刂齐娐芳斑壿嬰娐?。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光電耦合器光電耦合器是由一發(fā)光元件是由一發(fā)光元件和和一光電傳感器一光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管塑料發(fā)光二極管光敏三極管透明樹脂采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏三極以保證發(fā)光二極管和光敏三極管對準(zhǔn)，以此來提高

34、靈敏度。管對準(zhǔn)，以此來提高靈敏度。(a)金屬密封型(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。光電耦合器光電耦合器(P239)(P239)ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光電耦合器的組合形式有多種光電耦合器的組合形式有多種(a)(b)(c)(d)該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成

35、的高速光電耦合該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器器,適用于較高頻率的裝置中。適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。率的光電耦合器。光電開關(guān)光電開關(guān) P240P240圖圖5-435-43ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)

36、傳感器與測試技術(shù) 輸入信號(hào)經(jīng)光電耦合器送至中央運(yùn)算、處理部分的TTL電路，TTL電路的輸出又通過光電耦合器送到抗干擾能力高的HTL電路，光電耦合器成了TTL和HTL兩種電路的媒介。 同時(shí)使得高低電壓信號(hào)分開！ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)用于邏輯門電路用于邏輯門電路圖中為兩個(gè)光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端Ui1和Ui2同時(shí)輸入高電平“1”，則兩個(gè)發(fā)光二極管GD1和GD2都發(fā)光，兩個(gè)光敏三極管TD1和TD2都導(dǎo)通，輸出端就呈現(xiàn)高電平“1”。 光電耦合器件還可以構(gòu)成與非、或、或非、異或等邏輯電路。 ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 光電池是

37、在光線照射下，直接能將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢的光電元件。光電池是在光線照射下，直接能將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢的光電元件。實(shí)質(zhì)上它就是電壓源。實(shí)質(zhì)上它就是電壓源。 光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鎘光電池、光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。 三、光電池三、光電池 光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-NP-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的效應(yīng)。效應(yīng)。+-PN光光 電電 池池 符符 號(hào)號(hào)ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)

38、目前應(yīng)用較多的是硒光電池和硅光電池。 硒光電池硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低（0.02%），壽命短。因光譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表及照度計(jì)。 硅光電池硅光電池與其他半導(dǎo)體光電池相比，是目前轉(zhuǎn)換效率最高的（已過17%），它是幾乎接近理論極限的一種光電池。壽命高，適于接收紅外光。砷化鎵光電池砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜效應(yīng)特性則與太陽光譜特性最吻合，且工作溫度最高。故它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面應(yīng)用最廣。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m光譜特性光譜特性 光電池的

39、光譜特性決定于材料。從曲線可看出，光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池硒光電池在可見光譜在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm540nm附近，附近，適宜測可見光適宜測可見光。硅光電池。硅光電池應(yīng)用的范圍應(yīng)用的范圍400nm400nm1100nm1100nm，峰值波長在，峰值波長在850nm850nm附近，因此附近，因此硅光電池可以在硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1 1硒光電池硒光電池2 2硅光電池硅光電池ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)L/klx L/klx 5432100.10.20.30

40、.40.5246810開路電壓Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光電池(b)硒光電池光照特性光照特性 開路電壓曲線開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度：光生電動(dòng)勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度 為為2000lx2000lx時(shí)趨向飽和。時(shí)趨向飽和。 短路電流曲線短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線：光電流與照度之間的特性曲線開路電壓短路電流短路電流ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 短路電流，指外接負(fù)載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光短路電流，指外接負(fù)載相對于光電池內(nèi)阻而言是很

41、小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足近似地滿足“短路短路”條件。條件。 下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻負(fù)載電阻R RL L越小，光電流與強(qiáng)越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0 短路電流在很大范圍內(nèi)與短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)成線性關(guān)系

42、。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在照度在2000lx2000lx時(shí)就趨于飽和了。時(shí)就趨于飽和了。因此把因此把光電池作為測量元件光電池作為測量元件時(shí)，時(shí)，應(yīng)當(dāng)作電流源應(yīng)當(dāng)作電流源的形式來使用，的形式來使用，不宜用作電壓源。不宜用作電壓源。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)小面積光電池小面積光電池外形外形光敏面光敏面ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)能提供較大電流的大面積光電池能提供較大電流的大面積光電池外形外形ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光電池驅(qū)動(dòng)的涼帽光電池驅(qū)動(dòng)的涼帽ch5 光傳感器光傳

43、感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)嫦娥一號(hào)上嫦娥一號(hào)上的光電池板的光電池板3.3.光電池的應(yīng)光電池的應(yīng)用用二、光電池二、光電池ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)四、光電傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用四、光電傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用 由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具有由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具有非接觸、非接觸、高精度、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵光柵、光學(xué)碼盤光學(xué)碼盤、CCDCCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使

44、得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 按其接收狀態(tài)可分為按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器和和脈沖光電傳感器脈沖光電傳感器。 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器其光通量隨被測量而變，光電流是被測量的函數(shù)。這其光通量隨被測量而變，光電流是被測量的函數(shù)。這類光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為類光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式吸收式、遮光式遮光式、反射式反射式、輻射式輻射式四四種基本形式。種基本形式。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)。的電

45、脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)。被測轉(zhuǎn)速被測轉(zhuǎn)速 n=f/N式中式中n n轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速； f f脈沖頻率；脈沖頻率； N N圓盤開孔數(shù)。圓盤開孔數(shù)。 脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即態(tài)，即“通通”與與“斷斷”的開關(guān)狀態(tài)。的開關(guān)狀態(tài)。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)2312 31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖圖圖(a)(a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)

46、光敏二極管組成的光電由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大整形電路輸出整轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。 在待測轉(zhuǎn)速的軸上固在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。換為電脈沖信號(hào)。ch5 光傳感器光

47、傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)亮度傳感器亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。分布，有效利用自然光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。 燈光亮度控制器可按照環(huán)境光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)白熾燈或熒光燈的亮度，燈光亮度控制器可按照環(huán)境光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)白熾燈或熒光燈的亮度，從而使室內(nèi)的照明自動(dòng)保持在最佳狀態(tài)，避免人們產(chǎn)生視覺疲勞。從而使室內(nèi)的照明自動(dòng)保持在最佳狀態(tài)，避免人們產(chǎn)生視覺疲勞。 控制器主要由環(huán)境光照檢測電橋、放大器、積分器、比較器、過零檢測控制器主要由環(huán)境光照檢

48、測電橋、放大器、積分器、比較器、過零檢測器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管等組成。過零檢測器對器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管等組成。過零檢測器對50Hz50Hz市電電壓的每市電電壓的每次過零點(diǎn)進(jìn)行檢測，并控制鋸齒波形成電路使其產(chǎn)生與市電同步的鋸齒波電次過零點(diǎn)進(jìn)行檢測，并控制鋸齒波形成電路使其產(chǎn)生與市電同步的鋸齒波電壓，該電壓加在比較器的同相輸入端。壓，該電壓加在比較器的同相輸入端。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 由光敏電阻與電阻組成的電橋?qū)h(huán)境光照的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓的變由光敏電阻與電阻組成的電橋?qū)h(huán)境光照的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓的變化，該電壓經(jīng)放大并由積分電路積分后加到比較

49、器的反相輸入端，其數(shù)值化，該電壓經(jīng)放大并由積分電路積分后加到比較器的反相輸入端，其數(shù)值隨環(huán)境光照的變化而緩慢地成正比例變化。隨環(huán)境光照的變化而緩慢地成正比例變化。 兩個(gè)電壓的比較結(jié)果，便可從兩個(gè)電壓的比較結(jié)果，便可從比較器輸出端得到隨環(huán)境光照強(qiáng)度變化而比較器輸出端得到隨環(huán)境光照強(qiáng)度變化而脈沖寬度發(fā)生變化的控制信號(hào)，脈沖寬度發(fā)生變化的控制信號(hào)，該控制信號(hào)的頻率與市電頻率同步，其脈沖該控制信號(hào)的頻率與市電頻率同步，其脈沖寬度反比于環(huán)境光照，利用這個(gè)控制信號(hào)觸發(fā)雙向晶閘管，改變其導(dǎo)通角，寬度反比于環(huán)境光照，利用這個(gè)控制信號(hào)觸發(fā)雙向晶閘管，改變其導(dǎo)通角，便可使燈光的亮度隨環(huán)境光照做相反的變化，從而達(dá)到

50、自動(dòng)控制環(huán)境光照不便可使燈光的亮度隨環(huán)境光照做相反的變化，從而達(dá)到自動(dòng)控制環(huán)境光照不變的目的。變的目的。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)平行光源光電探測放大顯示刻度 校正報(bào)警器煙道煙塵濁度監(jiān)測儀煙塵濁度監(jiān)測儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進(jìn)行監(jiān)測、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進(jìn)行監(jiān)測、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中

51、的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。器的光減少，因而光檢測器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流交流變換器，二極管組成。如果還需要向交流

52、負(fù)載供電，則加一個(gè)直流交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。 調(diào)節(jié)控制器逆變器 交流負(fù)載太陽電池方陣 直流負(fù)載太陽能電池電源系統(tǒng)太陽能電池電源系統(tǒng)(P242)阻塞二極管光電池應(yīng)用ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光電池串聯(lián)，能提高電壓；并聯(lián)，可以提高輸出電流。 每一片光電池的最大輸出電壓約為每一片光電池的最大輸出電壓約為0.6V0.6V， 每平方米，晴天的輸出電流約為每平方米，晴天的輸出電流約為10A10A。ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)220VC1路燈CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4

53、R6R7R2J470k200k10k4.3kBG1280k25k57k10k路燈自動(dòng)控制器路燈自動(dòng)控制器BG2BG3BG42CRch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)光纖傳感器光纖傳感器(Fiber Optical Sensor)(Fiber Optical Sensor)是是2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代中期發(fā)年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖

54、作為傳遞敏感信息的媒傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。 電絕緣性能好。電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強(qiáng)?？闺姶鸥蓴_能力強(qiáng)。 非侵入性。非侵入性。 高靈敏度。高靈敏度。 容易實(shí)現(xiàn)對被測信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。容易實(shí)現(xiàn)對被測信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。 光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場等物理量流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場等物理量第四節(jié)光纖傳感器第四節(jié)光纖傳感器(P245)(P245)ch5 光傳

55、感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)一、光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理一、光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理 當(dāng)光由光密物質(zhì)當(dāng)光由光密物質(zhì)( (折射率大折射率大) )入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，其入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2時(shí)，時(shí)，r ri i。 n1n2ri(a)(a)光的折射示意圖光的折射示意圖 可見，入射角可見，入射角i增大時(shí)，折射角增大時(shí)，折射角r也隨之增大，且也隨之增大，且始終始終ri。n1、n2、r、i之間的數(shù)學(xué)關(guān)系之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為為 n1sini=n2sinr1、斯乃爾定理（、斯乃爾定理（SnellsLaw）ch5 光傳感器光傳感

56、器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 當(dāng)當(dāng)i ii0i0并繼續(xù)增大時(shí)，并繼續(xù)增大時(shí)，r r9090，這時(shí)便，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。其出射光不再折射而全部反射回來。式中：式中：i0i0臨界角臨界角i0=arcsin(n2/n1)sini0=n2/n1sinrsin901n1n2r ri(c)(c)光全反射示意圖光全反射示意圖n1n2ri(b)(b)臨界狀態(tài)示意圖臨界狀態(tài)示意圖 當(dāng)當(dāng)r r=90=90時(shí)，時(shí)，i i仍仍9090，此時(shí)，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)。這時(shí)有這時(shí)有ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技

57、術(shù)傳感器與測試技術(shù) 光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯( (纖芯纖芯) )和玻璃包皮和玻璃包皮( (包層包層) )兩兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。 纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率n n1 1比包層折射率比包層折射率n n2 2稍大些兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線稍大些兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線在這個(gè)界面上反射傳播。在這個(gè)界面上反射傳播。 2R2rn2n1nn2n1纖纖芯芯包層光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)2、光纖結(jié)構(gòu)、光纖結(jié)構(gòu)ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)

58、 入射光線入射光線ABAB與纖維軸線與纖維軸線OOOO相交角為相交角為i i，入射后折射，入射后折射( (折射角為折射角為j j) )至纖芯至纖芯與包層界面與包層界面C C點(diǎn)，與點(diǎn)，與C C點(diǎn)界面法線點(diǎn)界面法線DEDE成成k k角，并由界面折射至包層，角，并由界面折射至包層，CKCK與與DEDE夾夾角為角為r r。則。則n0sini=n1sinjn1sink=n2sinrsini=(n1/n0)sinjsink=(n2/n1)sinr因因j=90k所以所以jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導(dǎo)光示意圖光纖導(dǎo)光示意圖KKkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sinrr

59、innnnnnn22221021201sin1sin1sinn n0 0為入射光線為入射光線ABAB所在空間的所在空間的折射率，一般為空氣，故折射率，一般為空氣，故n n1 1，n nl l為纖芯折射率，為纖芯折射率，n n2 2為包層折射率。為包層折射率。3、光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑、光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NAch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 上式上式sinsini0i0為為“數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑” NA(NumericalNA(NumericalAperture)Aperture)。由。由于于n n1 1與與n n2 2相差較小，即相差較小，即n n1 1+ +n n2

60、222n n1 1, ,故又可因式分解為故又可因式分解為rinn22221sinsin22210sinnni2sin10ni=(=(n n1 1- -n n2 2)/)/n n1 1稱為相對折射率差稱為相對折射率差當(dāng)當(dāng)r r=90=90的的臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)時(shí)，時(shí)，i i= =i0i0當(dāng)當(dāng)n=1時(shí)時(shí)jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導(dǎo)光示意圖光纖導(dǎo)光示意圖ch5 光傳感器光傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù) 當(dāng)當(dāng)r r90NANA，i iarcsin NAarcsin NA，光線消失。，光線消失。 arcsinNAarcsinNA是一臨界角是一臨界角, ,凡入射角凡入射角i iar