《傳感器與檢測技術》課件-第6章 光電式傳感器

第6章光電式傳感器6.1光電效應及光電器件

6.1.1光電效應

光照射在物體表面上就可看成是物體受到一連串能量為E的光子轟擊，而光電效應就是由于該物體吸收到光子能量為E的光后產(chǎn)生的電效應。通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應分為三類：（1）外光電效應。在光線作用下能使電子逸出物體表面的稱為外光電效應?；谠撔墓怆娖骷泄怆姽堋⒐怆姳对龉艿?。（2）內(nèi)光電效應。在光線作用下能使物體電阻率改變的稱為內(nèi)光電效應，又稱光電導效應?；谠撔墓怆娖骷泄饷綦娮璧取＃?）半導體光生伏特效應。在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的稱為半導體光生伏特效應?；谠撔墓怆娖骷泄怆姵亍⒐饷艟w管等。基于外光電效應的光電器件屬于真空光電器件，基于內(nèi)光電效應和半導體光生伏特效應的光電器件屬于半導體光電器件。第6章光電式傳感器6.1.2光電管

光電管由一個陰極和一個陽極構成，并密封在一支真空玻璃管內(nèi)。光電管的特性主要取決于光電管陰極材料。

光電管基本特性：（1）伏安特性

（2）光照特性（3）光譜特性。

圖6.1光電管的結(jié)構圖6.2光電管的伏安特性圖6.3光電管的光照特性第6章光電式傳感器6.1.3光敏電阻

光敏電阻是由具有內(nèi)光電效應的光導材料制成的，為純電阻器件。

1．光敏電阻的基本特性

（1）光電流：光敏電阻在不受光照射時流過光敏電阻的電流稱為暗電流；在受光照射時流過光敏電阻的電流稱為亮電流；亮電流與暗電流之差稱為光電流。

（2）伏安特性:在一定的照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與光電流之間的關系曲線，稱為光敏電阻的伏安特性曲線。

（3）光照特性：在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量的關系曲線，稱為光敏電阻的光照特性。圖6.4光敏電阻的伏安特性曲線圖6.5光敏電阻的光照特性曲線

第6章光電式傳感器（4）光譜特性：光敏電阻對于不同波長l的入射光，其相對靈敏度Kr是不同的。

（5）頻率特性：相對靈敏度Kr與光強度變化頻率f之間的關系曲線。

（6）光譜溫度特性：在不同溫度下的相對靈敏度Kr與入射光波長l之間的關系曲線。

圖6.8光敏電阻的光譜溫度特性圖6.7光敏電阻的頻率特性

圖6.6光敏電阻的光譜特性

第6章光電式傳感器6.1.4光敏晶體管

1．光敏二極管

（1）工作原理。光敏二極管是基于半導體光生伏特效應的原理制成的光敏元件。在不受光照射時，光敏二極管處于截止狀態(tài)；受光照射時，光敏二極管處于導通狀態(tài)。（2）光敏二極管的檢測方法。圖6.9光敏二極管第6章光電式傳感器

2．光敏三極管

（1）工作原理（2）基本特性①光譜特性②伏安特性③光照特性④溫度特性⑤時間常數(shù)圖6.10光敏三極管

第6章光電式傳感器（3）光敏三極管的檢測方法。圖6.13光敏三極管的溫度特性曲線

圖6.11光敏三極管的光譜特性曲線

圖6.12光敏三極管的光照特性曲線

第6章光電式傳感器6.1.5光電池

1．光譜特性光電池的相對靈敏度Kr與入射光波長l之間的關系稱為光譜特性。

2．光照特性光生電動勢U與照度Ee之間的特性曲線稱為開路電壓曲線；光電流密度Je與照度Ee之間的特性曲線稱為短路電流曲線。如圖6.15所示為硅光電池的光照特性曲線。圖6.14光電池的光譜特性曲線

圖6.15硅光電池的光照特性曲線

第6章光電式傳感器

3．頻率特性

光電池的頻率特性是光的調(diào)制頻率f與光電池的相對輸出電流Ir（相對輸出電流=高頻輸出電流/低頻最大輸出電流）之間的關系曲線。

4．溫度特性

光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓U、短路電流I隨溫度t變化的曲線，如圖6.17所示。

圖6.16光電池的頻率特性

圖6.17光電池的溫度特性

第6章光電式傳感器6.2紅外傳感器6.2.1紅外輻射

圖6.18電磁波譜圖第6章光電式傳感器6.2.2紅外探測器

紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。

1．熱探測器熱探測器是利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化，便可確定探測器所吸收的紅外輻射。

2．光子探測器光子探測器利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中電子的相互作用，改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象（這一過程也稱為光子效應）。通過測量材料電子性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強弱。

第6章光電式傳感器6.3光電式傳感器應用舉例

6.3.1光敏電阻傳感器的應用1—光源；2、3—透鏡；4—光敏電阻R1；5—被測帶材；6—遮光罩圖6.19帶材跑偏檢測裝置第6章光電式傳感器6.3.2光敏晶體管的應用

1．光電耦合器

2．脈沖編碼器

圖6.20光電耦合器組成形式

圖6.21脈沖編碼器工作原理圖

第6章光電式傳感器3．光電轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f的關系式為：

n=60f/N

圖6.22光電轉(zhuǎn)速表原理圖圖6.23光電脈沖轉(zhuǎn)換電路第6章光電式傳感器6.3.3光電池的應用

1．太陽能電池電源

2．光電報警電路

圖6.24太陽能電池電源系統(tǒng)方框圖圖6.25光電報警電路第6章光電式傳感器6.3.4紅外測溫儀

紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。

圖6.26紅外測溫儀方框圖

第6章光電式傳感器6.4光電開關和光電斷續(xù)器

6.4.1光電開關

光電開關器件是以光電元件、三極管為核心，配以繼電器組成的一種電子開關。當開關中的光敏元件受到一定強度的光照射時就會產(chǎn)生開關動作。

圖6.27基本光電開關電路

第6章光電式傳感器

光電開關可分為兩類：遮斷型和反射型。如圖6.28（a）所示為遮斷型；反射型分為兩種情況：反射鏡反射型和被測物體反射型（簡稱散射型），如圖6.28（b）、（c）所示。

1—發(fā)射器；2—接收器；3—被測物；4—反射鏡圖6.28光電開關類型及應用

第6章光電式傳感器6.4.2光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器的工作原理與光電開關的相同，但其光電發(fā)射器、接收器放置于一個體積很小的塑料殼體中，所以兩者能可靠地對準，其外形如圖6.29所示。光電斷續(xù)器也可分為遮斷型和反射型兩種。1—發(fā)光二極管；2—紅外光；3—光電元件；4—槽；5—被測物圖6.29

光電斷續(xù)器

第6章光電式傳感器小結(jié)

光電式傳感器是將