光電傳感噐(傳感器教學課件)

1、常州信息職業(yè)技術學院常州信息職業(yè)技術學院傳感器應用技術傳感器應用技術傳知萬物傳知萬物 感創(chuàng)未來感創(chuàng)未來常州信息職業(yè)技術學院常州信息職業(yè)技術學院傳知萬物傳知萬物 感創(chuàng)未來感創(chuàng)未來學習內(nèi)容學習內(nèi)容 認識傳感器認識傳感器 溫度傳感器溫度傳感器 力傳感器力傳感器 位移傳感器位移傳感器 光電傳感器光電傳感器常州信息職業(yè)技術學院常州信息職業(yè)技術學院傳知萬物傳知萬物 感創(chuàng)未來感創(chuàng)未來位移傳感器位移傳感器 電容式傳感器電容式傳感器 電感式傳感器電感式傳感器 渦流式傳感器渦流式傳感器第四章 光電傳感器v 4.1 光電效應與光電元件v 4.2 光電元件的基本電路v 4.3 光電傳感器的應用v4.4 光導纖維傳感器

2、光的本質(zhì)v 1860年，英國物理學家麥克斯韋建立電磁理論，認識到光是一種電磁波。光的波動學說說明了光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，但仍不能解釋物質(zhì)對光的吸收、散射和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。v 1900年，德國物理學家普朗克提出量子學說，認為物質(zhì)發(fā)射或吸收的能量是一個最小能量單位（量子）的整數(shù)倍。 1905年，德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發(fā)射效應，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。 愛因斯坦認為：光由光子組成，每一個光子具有的能量E正比于光的頻率f，即E=hf，光子頻率越高，能量越大。光的本質(zhì)光的本質(zhì)光電傳感器v光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器，首先把被測量的變化

3、轉換為光信號的變化，再借助光電元件將光信號轉換為電信號。v光電傳感器一般由光源、光學通路、光電元件三部分組成。v光電檢測法優(yōu)點：精度高、反應快、非接觸、質(zhì)量輕、體積小、便于集成化、可測參數(shù)多、結構簡單等。4.1 光電效應與光電元件一、光電效應v根據(jù)光的波粒二象性，認為光是一種以光速運動的粒子流，這種粒子稱為光子，每個光子具有的能量：E=hf h=6.6310-34JSv光電效應：用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf 的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現(xiàn)象稱為光電效應。 4.1 光電效應與光電元件 光電效應分類：v外光電效應：在光線作用下能使電子逸出物

4、體表面的現(xiàn)象。v內(nèi)光電效應：在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象。v光生伏特效應：在光線作用下物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；诠馍匦墓怆娫泄怆姵氐?。 4.1 光電效應與光電元件 二、外光電效應二、外光電效應 外光電效應：在光線的作用下能使電外光電效應：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應。子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應。 基于外光電效應的光電元件有基于外光電效應的光電元件有光電管、光電管、光電倍增管光電倍增管、光電攝像管等。、光電攝像管等。 紫外管外形 當入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于

5、紫外線測量、火焰監(jiān)測等。 紫外線紫外線4.1 光電效應與光電元件 愛因斯坦光電方程：v只有 時，光電子才能逸出陰極表面，形成外光電效應。v不同材料有不同逸出功，對每種陰極材料入射光都有一個確定的頻率限，當入射光頻率低于此頻限時，不論光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻限稱為“紅限”。212mvhfAhfA4.1 光電效應與光電元件三、內(nèi)光電效應v內(nèi)光電效應：在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象。v基于內(nèi)光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管。光敏電阻演示 當光敏電阻受到光照時，光生電子空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）暗電流（越小越好）4.1 光電效應與光電元件光電效應與光

6、電元件4.1 光電效應與光電元件v暗電阻：光敏電阻在室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值。此時流過的電流稱為暗電流。v亮電阻：光敏電阻在室溫、一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值。v光電流：亮電流與暗電流之差。v光敏電阻的暗阻越大越好，亮阻越小越好，即暗電流要小，亮電流要大。光敏二極管 將光敏二極管的PN 結設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。 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10241024個個InGaAsInGaAs元件的元件的線性光電二極管陣列，可用于線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。分光鏡。紅外發(fā)射、接收對管外

7、形 紅外發(fā)射管紅外發(fā)射管紅外接收管紅外接收管APD光敏二極管（雪崩光敏二極管） 硅雪崩光電二極管是可見光和近紅外探測器，它具有高響應度，高信噪比，高響應速度等特點，可廣泛應用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。光敏二極管的反向偏置接法 沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，即暗電流很小，相當于普通二極管的反向飽和漏電流。當光照射在二極管的PN結（又稱耗盡層）上時，在PN結附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量隨之增加，光電流也相應增大，光電流與照度成正比。 光敏二極管的光電特性 在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。 當當光照增加

8、光照增加時，時，光電流光電流I與光照度成正與光照度成正比關系。比關系。 光敏光敏二二極管的極管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照光敏三極管 光敏三極管有兩個PN結,與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。 光敏三極管外形 光敏三極管內(nèi)部結構 a) 內(nèi)部組成 b)管芯結構 c）結構簡化圖 1集電極引腳 2管芯 3外殼 4玻璃聚光鏡 5發(fā)射極引腳 6N+ 襯底 7N型集電區(qū) 8SiO2保護圈 9集電結 10P型基區(qū) 11N型發(fā)射區(qū) 12發(fā)射結 硅光敏晶體管的光譜特性 電磁波頻

9、譜光電特性 0光照光照 光電流光敏光敏 三極管三極管光敏光敏 二極管二極管3000lx4mA請判斷靈敏度的高低請判斷靈敏度的高低0.3mAIE光敏晶閘管 光敏晶閘管有三個引出電極，即陽極光敏晶閘管有三個引出電極，即陽極a、陰極陰極k和門極和門極g 。它的頂部有一個玻璃透鏡，。它的頂部有一個玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽極與負載串聯(lián)后接電源正光敏晶閘管的陽極與負載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負極，門極可懸空。當有極，陰極接電源負極，門極可懸空。當有一定照度的光信號通過玻璃窗口照射到正一定照度的光信號通過玻璃窗口照射到正向阻斷的向阻斷的PN結上時，將產(chǎn)生門極電流，從結上時，將產(chǎn)生門極電流，從而使光敏晶閘

10、管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)。而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)。導通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維導通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導通。要切斷已觸發(fā)導通的光敏晶閘管，持導通。要切斷已觸發(fā)導通的光敏晶閘管，必須使陽極與陰極的電壓反向，或使負載必須使陽極與陰極的電壓反向，或使負載電流小于其維持電流。光敏晶閘管的特點電流小于其維持電流。光敏晶閘管的特點是：導通電流比光敏三極管大得多，工作是：導通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達數(shù)百伏，因此輸出功率大，電壓有的可達數(shù)百伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動檢測控制。可用于工業(yè)自動檢測控制。光敏晶閘管外形光敏面4.1 光電效應與光電元件四、光

11、生伏特效應 光生伏特效應：在光線作用下物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。 基于光生伏特效應的光電元件有光電池等。光敏面光敏面 在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子空穴對，光生電子空穴對的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到N區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，PN結兩側就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。 4.1 光電效應與光電元件能提供較大電流的大面積光電池外形其他光電池及在照度測量中的應用柔光罩下面為圓形光電池柔光罩下面為圓形光電池光電池在動力方面的應用太陽能賽車太陽能

12、賽車太陽能電動機模型太陽能電動機模型太陽能太陽能 硅光電池板硅光電池板光電池在動力方面的應用太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電光電池在動力方面的應用光電池在人造衛(wèi)星上的應用光電池在人造衛(wèi)星上的應用光電池的光電特性 典型的硅光電池的光電特性 1開路電壓曲線 2短路電流曲線 開路電壓為開路電壓為 對數(shù)特性對數(shù)特性短路電流為短路電流為 線性特性線性特性4.2 光電元件的基本應用電路 一、光敏電阻的基本應用電路 a）U與光照變化趨勢相同的電路與光照變化趨勢相同的電路 b）U與光照變化趨勢相反的電路與光照變化趨勢相反的電路 二、光敏二極管應用電路 利用反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉換成TTL電平。 當光照增加，當光

13、照增加，Ui（1/2）VDD時，反相器時，反相器翻轉翻轉,輸出為什么電平？輸出為什么電平？ 4.2 光電元件的基本應用電路光電元件的基本應用電路 當無光照時，V1截止，I =0，則V2處于什么狀態(tài)？繼電器KA吸合還是釋放？三、三、光敏光敏三三極管極管光控繼電器電路光控繼電器電路 4.2 光電元件的基本應用電路 4.3 光電傳感器的應用 、光源本身是被測物(輻射式) 光電池（外加光電池（外加柔光罩）柔光罩）1. 紅外線輻射溫度計 紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-303000，中間分成若干個不同的規(guī)格，可

14、根據(jù)需要選擇適合的型號。4.3 光電傳感器的應用光電傳感器的應用 紅外線輻射溫度計外形激光僅 用于瞄準紅外線輻射溫度計外形 紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量紅外線輻射溫度計在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀耳溫儀 紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用集成集成IC 溫度測量溫度測量 紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用利用紅色激光瞄準被測利用紅色激光瞄準被測物（冷藏牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食）紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用利用紅色激光瞄準被利用紅色激光瞄準被測物（電控柜、天花測物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）板內(nèi)的布線層）溫度溫度 采集系統(tǒng)采集系統(tǒng)紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量

15、2. 熱釋電傳感器 熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應用。它可用于能產(chǎn)生遠紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。 熱釋電元件外形熱釋電元件外形 4.3 光電傳感器的應用光電傳感器的應用 熱釋電傳感器簡介 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出利用熱釋電效應探測紅外輻射，但未受到重視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域得到應用。如：在房間無人時自動停機的空調(diào)機、飲水機；電視機判斷

16、無人觀看或觀眾已睡覺后自動關機的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應用；攝影機或數(shù)碼相機自動記錄動物或人的活動等菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片熱釋電晶片菲涅爾透鏡外形 傳感器不加菲涅傳感器不加菲涅爾透鏡時，其檢測距爾透鏡時，其檢測距離小于離小于2m，而加上該，而加上該透鏡后，其檢測距離透鏡后，其檢測距離可增加可增加3倍以上。倍以上。熱釋電套件熱釋電報警器菲涅爾透鏡設定按鈕設定按鈕高分貝喇叭高分貝喇叭熱釋電報警器菲涅爾透鏡 5mm接插件接插件熱釋電報警器 吸頂式 熱釋電報警器熱釋電傳感器應用 熱釋電傳感器用于自動亮燈，也可以用于防盜。熱釋電傳感器熱釋電傳感器的感應范圍的感應范圍熱釋電感應燈熱釋電熱釋

17、電傳感器傳感器自動感應燈熱釋電傳感器應用在智能空調(diào)中 智能空調(diào)能檢測智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，微出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風量，以達空調(diào)的出風量，以達到節(jié)能的目的。到節(jié)能的目的。 空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。是靜止著還是走動著。上下范圍上下范圍左右范圍左右范圍二、被測物吸收光通量（吸收式） 1. 光電式濁度計和含沙量測量將裝有濁水的試管將裝有濁水的試管插入儀器中插入儀器中4.3 光

18、電傳感器的應用光電傳感器的應用 光電式濁度計工作原理1恒流源 2半導體激光器 3半反半透鏡 4反射鏡 5被測水樣 6、9光電池7、10電流/電壓轉換器 8標準水樣 參比通道參比通道 2. 煙霧報警器 無煙霧時，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災發(fā)生時，煙霧進入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)判斷電路后，發(fā)出報警信號。 煙霧煙霧報警報警無線煙霧報警器內(nèi)部結構 可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器無線火災煙霧傳感器 無線火災煙霧傳感器可以固定在墻體或天花板上。它內(nèi)部使用一節(jié)9伏層疊電池供電，工作在警戒狀態(tài)時，工作電流僅為15微安，報警發(fā)射時工作電流為20毫安。當探測到初期

19、明火或者煙霧達到一定濃度時，傳感器的報警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的連續(xù)報警，工作指示燈快速連續(xù)閃爍，無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號，通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去。無線發(fā)射器的報警距離在空曠地可以達到200米，在有阻擋的普通家庭環(huán)境中可以達到20米。三、被測物體反射光通量 在沒有煙霧時，在沒有煙霧時，由于紅外對管相互由于紅外對管相互垂直，煙霧室內(nèi)又垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，涂有黑色吸光材料，所以紅外所以紅外LED發(fā)出發(fā)出的紅外光無法到達的紅外光無法到達紅外光敏三極管。紅外光敏三極管。 當煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對當煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射，使部分紅外

20、光到達光敏三紅外光產(chǎn)生漫反射，使部分紅外光到達光敏三極管，有光電流輸出。極管，有光電流輸出。 1. 反射式煙霧報警器 原理圖原理圖 2. 光電式轉速表 光電式轉速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉速。 n =60( f /z ) 三、被測物體反射光通量三、被測物體反射光通量 水泵轉速測量光電式轉速表外形 3. 色標傳感器 現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，顏色檢測和顏色識現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，顏色檢測和顏色識別等的應用越來越多。例如，在包裝生產(chǎn)中別等的應用越來越多。例如，在包裝生產(chǎn)中機器要確定哪種產(chǎn)品放在什么顏色的包裝中、機器要確定哪種產(chǎn)品放在什么顏色的包裝中、如何保證產(chǎn)品的正面朝向包裝盒的玻璃紙窗如何保證產(chǎn)品的正面朝向包裝盒的玻璃紙窗口等