第十章(上)-光電傳感器-《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用(第2版)》課件

第十章（上）光電傳感器第十章（上）介紹光電效應(yīng)、光電元件的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、應(yīng)用電路，以及光電傳感器的四種類型的應(yīng)用實例。還簡單介紹了光輻射的基本知識。第十章（中）介紹光電開關(guān)及光電斷續(xù)器的原理及應(yīng)用見。第十章（下）介紹CCD圖像傳感器、熱成像技術(shù)、光導(dǎo)纖維傳感器的原理及應(yīng)用。7/22/2023110.1光電效應(yīng)與光電元件10.2光電元件的基本應(yīng)用電路10.3光電傳感器的應(yīng)用第十章（上）光電傳感器目錄進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入7/22/202321905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。

用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf（或hν）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(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。第一節(jié)光電效應(yīng)及光電元件7/22/20233光電效應(yīng)的分類第一類：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(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。第二類：在光線的作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管及光敏晶閘管等。第三類：在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。第一類光電元件屬于玻璃真空管元件，第二、三類屬于半導(dǎo)體元件。7/22/202341）外光電效應(yīng)a)光電管b)外光電效應(yīng)示意1－陽極a2－陰極k3－石英玻璃外殼4－抽氣管蒂5－陽極引腳6－陰極引腳7－金屬表面8－光子9－光致發(fā)射電子金屬板“光電子”7/22/20235愛因斯坦光電方程

電子逸出金屬表面的速度v可由

能量守恒定律確定：式中m——電子質(zhì)量；W——金屬光電陰極材料的逸出功；f——入射光的頻率。由于逸出功與材料的性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)材料選定后，要使金屬表面有電子逸出，入射光的頻率f應(yīng)有一最低的限度值。當(dāng)hf小于W時，即使光通量很大，照射時間很長，也不可能有電子逸出，這個最低限度的頻率稱為紅限。7/22/20236幾種金屬逸出功的近似值(eV)根據(jù)愛因斯坦的理論，當(dāng)光子照射到物體上時，它的能量可以被物體中的某個電子吸收。電子吸收光子的能量hf（有時也用hν表示）后，能量增加。如果電子吸收的能量hf足夠大，能夠克服脫離原子所需要的能量（即電離能量）I和脫離物體表面時的逸出功W，電子就能夠離開金屬表面，而脫逸出來，稱為“光電子”。光電子的逸出方向基本與金屬板垂直。鈉鋁鋅銅銀鉑2.464.084.314.704.736.35-金屬束縛電子--7/22/20237光的頻率、波長、光速之間的關(guān)系不同物質(zhì)的相應(yīng)的紅限波長λ是不同的。在光電技術(shù)中，經(jīng)常使用光的波長，而不是光的頻率。光的波長λ與光的頻率f、光速c之間的關(guān)系為λ=c/f

，c≈3×108m/s。當(dāng)hf大于W時，光通量越大，撞擊到陰極的光子數(shù)目也越多，逸出的電子數(shù)目也越多，光電流IΦ就越大。光速不變7/22/20238電磁波頻譜（光是一種電磁波）7/22/20239光電管電路及特性金屬陽極a和陰極k封裝在一個石英玻璃殼內(nèi)。當(dāng)入射光照射在陰極板上時,光子的能量傳遞給陰極表面的電子,當(dāng)電子獲得的能量足夠大時,電子就可以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。當(dāng)光電管陽極加上數(shù)十伏電壓時,從陰極表面逸出的“光電子”被具有正電壓的陽極所吸引,在光電管中形成電流,簡稱為光電流,光電流IΦ正比于光電子數(shù),而光電子數(shù)又正比于光照度。1－低照度時的曲線

2－紫外線增強時的曲線7/22/202310光電倍增管外光電效應(yīng)的典型元器件還有光電倍增管。它的靈敏度比上述光電管高出幾萬倍以上，在星光下就可以產(chǎn)生可觀的電流，光通量在10-14～10-6lm（流明）的很大變化區(qū)間里，其輸出電流均能保持線性。因此光電倍增管可用于微光測量,如探測高能射線產(chǎn)生的輝光等。但由于光電倍增管是玻璃真空器件，體積大、易破碎,工作電壓高達(dá)上千伏,所以目前已逐漸被新型半導(dǎo)體光敏元件所取代。微弱光照7/22/202311

紫外光電管當(dāng)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。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等?？梢姽廨^難引起光電子的發(fā)射?；鹧娴妮椛涔庵邪溯^大比例的紫外光，有別于燈光，以及純粹的高溫紅外輻射。紫外線玻殼用對紫外線透光率較好的石英材料制造7/22/202312二、基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件

1．光敏電阻在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。

光敏電阻的圖形符號：

構(gòu)成光敏電阻的材料有：

金屬的硫化物(如CdS)、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時，若光子能量hf大于該半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收光子能量后，躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時產(chǎn)生空穴，電子-空穴對的出現(xiàn)使電阻率變小。光照越強，光生電子-空穴對就越多，阻值就越低。入射光消失，電子-空穴對逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值。7/22/202313光敏電阻外形及結(jié)構(gòu)當(dāng)光敏電阻受到光照時，左右電極之間的阻值減小。7/22/202314光敏電阻原理演示

當(dāng)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（溫度升高，暗電增大）光照產(chǎn)生的電流稱為亮電流7/22/202315光敏電阻的特性和參數(shù)1）暗電阻：置于室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，通常大于1MΩ。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點。2）光電特性：在光敏電阻兩極電壓固定不變時,光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特性(非線性嚴(yán)重)7/22/2023163）響應(yīng)時間：光敏電阻受光照后，光電流需要經(jīng)過一段時間（上升時間）才能達(dá)到其穩(wěn)定值。同樣，在停止光照后，光電流也需要經(jīng)過一段時間(下降時間)才能恢復(fù)到其暗電流值，（時延特性）。光敏電阻的上升響應(yīng)時間和下降響應(yīng)時間約為10–2～10–3s，光敏電阻不能用在要求快速響應(yīng)的場合。7/22/202317部分光敏電阻的特性參數(shù)7/22/202318二、光敏管光敏二極管、光敏晶體管、光敏晶閘管等統(tǒng)稱為光敏管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏晶體管的靈敏度比二極管高，但頻率特性較差，暗電流也較大。目前還研制出光敏晶閘管，它的導(dǎo)通電流比光敏晶體管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，因此輸出功率大，主要用于光耦合器（俗稱光電耦合器）中。7/22/202319光敏二極管的結(jié)構(gòu)光敏二極管的PN結(jié)被設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射。1－負(fù)極引腳2－管芯3－外殼4－玻璃聚光鏡5－正極引腳6－N型襯底7－SiO2保護(hù)圈8－SiO2透明保護(hù)層9－鋁引出電極10－P型擴(kuò)散層11－耗盡層12－金絲引出線7/22/202320光敏二極管的工作原理沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)合適波長的光照射在光敏二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時，原子中的電子吸收光子的能量，變成自由光子。相應(yīng)地，產(chǎn)生同樣數(shù)量的空穴。

光照增強，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，在外加的反向電壓的作用下，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，從而產(chǎn)生反向電流電流（稱為光電流），光電流與照度成正比。7/22/202321部分光敏二極管特性參數(shù).7/22/202322光敏二極管實物照片

將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。透鏡+-7/22/202323光敏二極管外形

光敏二極管陣列包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡等。7/22/202324光敏二極管伏安特性及紅外發(fā)射、接收對管

紅外發(fā)射管紅外接收管光敏二極管的伏安特性7/22/202325光敏二極管的反向偏置接法

在沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

電路的輸出電壓Uo與光電流ID成正比，在一定范圍內(nèi)，與光照度E成正比。7/22/202326

光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁圖）及光電特性演示

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(dāng)光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照7/22/202327特殊光敏二極管——PIN二極管PIN光敏二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層較厚的I本征半導(dǎo)體層，從而使PN結(jié)的間距加寬，結(jié)電容變小(幾個pF)。因此，PIN光敏二極管的頻帶較寬，可達(dá)GHz數(shù)量級。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）只需十幾伏，光電轉(zhuǎn)換效率較高，靈敏度比普通的光敏二極管高得多。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管可用于測量紫外線、X射線或γ射線。PIN光敏二極管的缺點是I層電阻較大，輸出電流較小，一般多為微安數(shù)量級，沒有倍增效應(yīng)。目前已將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上，并封裝于一個管殼內(nèi)，用于較短距離的光纖通信。7/22/202328PIN二極管.7/22/202329PIN二極管的PN結(jié)與內(nèi)部電場.7/22/202330特殊光敏二極管——APD二極管APD光敏二極管(雪崩光敏二極管)是一種具有內(nèi)部倍增放大作用的光敏二極管,靈敏度比PIN大幾百倍。當(dāng)有一個光子從外部射入到其PN結(jié)上時,將產(chǎn)生一個電子空穴對。由于PN結(jié)上施加了較高的工作電壓(約100V),接近于反向擊穿電壓。PN結(jié)中的電場強度可達(dá)104V/mm數(shù)量級，因此能將光子所產(chǎn)生的光電子加速到具有很高的動能,撞擊其他原子,產(chǎn)生新的電子空穴對,如此多次碰撞,以致最終造成載流子按幾何級數(shù)劇增的“雪崩”效應(yīng),形成對原始光電流的放大作用,增益可達(dá)幾千倍,而雪崩產(chǎn)生和恢復(fù)所需的時間可小于10ns,適用于微光信號檢測以及長距離光纖通信,可以取代光電倍增管。APD光敏二極管的主要缺點：噪聲大。若有用光電信號只有幾個毫微瓦(nW),就會被噪聲淹沒。7/22/202331APD光敏二極管的PN結(jié)、內(nèi)部電場分布

及電子倍增APD載流子雪崩式倍增示意圖7/22/202332APD光敏二極管的

外形及用途APD二極管適用于微光測量和光纖通信。7/22/202333GD3250系列硅雪崩光電二極管的特性參數(shù)

參數(shù)單位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直徑mm0.20.50.8工作電壓V100~150100~150150~250暗電流nA≤15≤25≤35響應(yīng)度V/w606060上升時間ns≤1≤3≤4噪聲等效功率Pw/Hz1/20.050.070.09結(jié)電容pF≤1≤1.5≤2使用溫度范圍℃-20~+40-20~+40-20~+40封裝形式

TO型

光纖型TO型TO型7/22/202334.InGaAs-PIN及InGaAs-APD近紅外二極管特性材料InGaAs-PINInGaAs-APD工作波長/μm1.311.55量子效率/%7575響應(yīng)度/AW-10.780.94暗電流/nA0.120檢測帶寬/GHz2.03.0附加電容/pF1.10.5典型應(yīng)用622Mb/s2.5Gb/s7/22/202335光敏晶體管

光敏晶體管又稱“光敏三極管”，它有兩個PN結(jié)。與普通晶體管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏晶體管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（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。

7/22/202336光敏晶體管的結(jié)構(gòu)a）管芯結(jié)構(gòu)b)結(jié)構(gòu)簡化圖c）光敏晶體管圖形符號1－N+襯底2－N型集電區(qū)3－透光SiO2保護(hù)圈4－集電結(jié)JC5－P型基區(qū)6－發(fā)射結(jié)JE7－N型發(fā)射區(qū)7/22/202337NPN型光敏晶體管的電流增益光敏晶體管的集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏，有電流增益。入射光子在集電結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，集電極電流IC是原始光電流的β倍。光線集電結(jié)(反偏)IC=βIB大于3V7/22/202338光敏三極管的外形

多數(shù)只有C、E

兩個電極CEBCE7/22/202339硅光敏晶體管的伏安特性光敏晶體管在不同照度下的伏安特性與一般晶體管在不同基極電流下的輸出特性相似。光敏晶體管的工作電壓一般應(yīng)大于3V。若在伏安特性曲線上作負(fù)載線，便可求得某光強下的輸出電壓UCE。7/22/202340硅光敏晶體管的光譜特性

電磁波頻譜光的輻射基礎(chǔ)7/22/202341硅光敏

晶體管的光譜特性

電磁波頻譜7/22/202342幾種光敏材料的光譜峰值波長.材料名稱GaAsPGaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSbGaInAsInSb峰值波長/μm0.60.650.81～21.31.31.41.655.07/22/202343光敏二極管、晶體管的光電特性比較

0光照光電流光敏晶體管光敏二極管3000lx4mA請分析光敏二極管、光敏晶體管的靈敏度曲線差異0.3mA請作圖、計算當(dāng)E=1000lx時，光敏二極管的光電流IΦ

IΦEICE07/22/202344光敏管的特性（續(xù)）溫度特性：溫度變化對亮電流影響不大，但對暗電流的影響非常大，并且是非線性的，將給微光測量帶來誤差。硅光敏晶體管的溫漂比光敏二極管大許多，雖然硅光敏晶體管的靈敏度較高，但在要求準(zhǔn)確度測量中卻必須選用硅光敏二極管，并采用低溫漂、高準(zhǔn)確度的運算放大器來提高檢測靈敏度。響應(yīng)時間：工業(yè)級硅光敏二極管的響應(yīng)時間為10-5～10-7s左右，光敏晶體管的響應(yīng)時間比相應(yīng)的二極管約慢一個數(shù)量級，因此在要求快速響應(yīng)或入射光調(diào)制頻率（明暗交替頻率）較高時，應(yīng)選用硅光敏二極管。7/22/202345光敏管的頻率特性當(dāng)光脈沖的重復(fù)頻率提高時，光敏二極管的輸出電流的變化無法立即跟上光脈沖的變化，輸出波形產(chǎn)生失真。當(dāng)光敏二極管的輸出電流或電壓脈沖幅度減小到低頻時的1/（0.707倍）時,該光脈沖的調(diào)制頻率就是光敏二極管的最高工作頻率fH，又稱截止頻率。tr為上升時間，tf為下降時間。a）輸入調(diào)制光脈沖b）光敏二極管脈沖響應(yīng)7/22/202346光敏晶體管的頻率特性由于光敏晶體管基區(qū)的電荷存儲效應(yīng)，所以在強光照和無光照切換時，光敏晶體管的飽和與截止需要更多的時間，所以它對入射調(diào)制光脈沖的響應(yīng)時間比光敏二極管慢，最高工作頻率fH也比光敏二極管低。光敏晶體管的基極與集電極之間雖然只有幾個pF的極間電容CCB，但是，由于存在密勒效應(yīng)，等效于在集電極與發(fā)射極之間存在一個被“放大”了的的極間電容CCE=β

CCB

，集射電容減緩了集電極電流的突變速度，導(dǎo)致光敏晶體管的頻率特性變差。7/22/2023473DU光敏三極管特性參數(shù)7/22/202348光敏達(dá)林頓管將光敏三極管與另一個普通三極管制作在同一個管芯里，連接成復(fù)合管型式，稱為達(dá)林頓型光敏三極管。它的靈敏度更高（β=β1β2），且允許輸出較大的電流。但是達(dá)林頓光敏三極管的漏電（暗電流）也較大，頻響較差，溫漂也較大。光敏達(dá)林頓三極管圖形符號達(dá)林頓型光耦合器輸出電流可達(dá)50mA7/22/202349光敏晶閘管光敏晶閘管有三個引出電極，即陽極a、陰極k和門極g

。它的頂部有一個玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽極與負(fù)載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負(fù)極，門極可懸空。當(dāng)有一定照度的光信號通過玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時,將產(chǎn)生門極電流,從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后,即使光照消失,光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。使陽極與陰極的電壓反向,或使負(fù)載電流小于其維持電流，晶閘管截止。光敏晶閘管的特點是：導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多,工作電壓可達(dá)近千伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動檢測控制。7/22/202350光敏晶閘管用于光控路燈電路光敏面光照小于設(shè)定值時,VT1截止,VT2的門極電流Ig2增大,VT2導(dǎo)通,電燈HL亮。減小Rg,門極電流被旁路,靈敏度降低。μ7/22/202351光敏晶閘管多用于弱電控制強電的光耦電路雙向過零觸發(fā)晶閘管光耦MOC30系列

7/22/202352單片機控制燈光或交流繼電器電路.

7/22/202353三、基于光生伏特效應(yīng)的光電元件

——光電池在P型襯底上制造一很薄、透明的N型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時，PN結(jié)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子-空穴對，光生電子-空穴對的的擴(kuò)散運動使電子通過漂移運動被拉到N型區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)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(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出，這就是光生伏特效應(yīng)。

回目錄7/22/202354太陽能電池的種類非晶硅可撓式7/22/202355光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖.7/22/202356光電池內(nèi)部載流子的漂移示意圖入射光線7/22/202357光電池外形光敏面7/22/2023581.硅光電池的圖形符號及等效電路當(dāng)光電池短路時，相當(dāng)于電流源；當(dāng)光電池開路時，相當(dāng)于電壓源；E7/22/2023592.硅光電池的主要特性①開路電壓Uoc：在一定光照下，硅光電池兩個輸出端開路時，所產(chǎn)生的電動勢。②短路電流ISc：在一定光照下，硅光電池所接負(fù)載電阻為零時，流過硅光電池的電流。③暗電流ID：在無光照的條件下，在硅光電池兩端施加額定反向電壓時所產(chǎn)生的電流。④反向阻抗Rζ:在無光照的條件下，在硅光電池兩端施加額定反向電壓時所呈現(xiàn)的阻抗。⑤峰值波長λo：響應(yīng)光譜轉(zhuǎn)換效率最大處的波長。⑥上、下限波長λ1、λ2：響應(yīng)光譜中轉(zhuǎn)換峰值的50%處所對應(yīng)的上、下限波長。⑦

最大反向電壓URM：使用硅光電池時所允許加的極限反向電壓(由串聯(lián)的其他電池產(chǎn)生)。⑧轉(zhuǎn)換效率η：硅光電池輸出電能與輸入光能量的比值。7/22/202360光譜特性：硅光電池對近紅外敏感。硒光電池對可見光敏感。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步,硅光電池已具有從藍(lán)紫到近紅外的寬光譜特性。目前許多廠商已生產(chǎn)出峰值波長為0.7μm(可見光)的硅光電池,在紫光(0.4μm)附近仍有40～60%的相對靈敏度。硒、硅、鍺光電池的光譜特性比較7/22/202361光電池的光電特性

光電池的負(fù)載電阻不同，輸出電壓和電流也不同。開路電壓Uo與光照度的關(guān)系呈非線性，近似于對數(shù)關(guān)系，在2000lx照度以上就趨于飽和。負(fù)載電阻越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系就愈好。當(dāng)負(fù)載短路時，光電流在很大范圍內(nèi)與照度成線性關(guān)系，當(dāng)希望光電池的輸出與光照度成正比時.應(yīng)把光電池作為電流源來使用。當(dāng)被測非電量是開關(guān)量時，也可以把光電池作為電壓源來使用。開路電壓對數(shù)特性短路電流7/22/202362光電池的光電特性演示0光照請作圖計算當(dāng)E=1000lx時，光電池的電流IΦ和電壓Uoc開路輸出電壓10000lx0.6V開路電壓

UocE8mA5000lx短路輸出電流短路電流Isc4mA0.55V結(jié)論？7/22/202363光電池的溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓Uo及短路電流Io隨溫度變化的特性。開路電壓隨溫度增加而下降，開路電壓的溫度系數(shù)約為-0.34%/℃；短路電流溫度系數(shù)：+0.017%/℃。工作溫度范圍：-40～+90℃。當(dāng)光電池作為檢測元件時,應(yīng)考慮溫度漂移的影響,采取相應(yīng)措施進(jìn)行溫度補償。硅光電池溫度特性7/22/202364光電池的頻率特性頻率特性是描述入射光的調(diào)制頻率與光電池輸出電流間的關(guān)系。由于光電池受照射產(chǎn)生電子-空穴對需要一定的時間，因此當(dāng)入射光的調(diào)制頻率太高時，光電池的輸出光電流將下降。硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，高頻轉(zhuǎn)折頻率就越高，硅光電池的頻率響應(yīng)可達(dá)數(shù)兆赫。7/22/202365能提供較大電流的大面積光電池外形

（頻率特性很差）7/22/202366光電池

組件7/22/202367光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能電風(fēng)扇太陽能硅光電池板7/22/202368光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）沙漠住宅太陽能供電7/22/202369光電池在動力方面的

應(yīng)用（續(xù)）嫦娥飛船上的光電池板7/22/202370各種光電池柔光罩下面為圓形光電池

四象限探測器：完全對稱的4個光敏元件置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上。當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時，四個象限上探測器輸出的光電信號幅度不相同。常用于激光制導(dǎo)、跟蹤等。7/22/202371第二節(jié)光電元件的基本應(yīng)用電路一、光敏電阻基本應(yīng)用電路圖a中，當(dāng)無光照時，光敏電阻RΦ很大，IΦ在RL上的壓降Uo很小。隨著入射光增大，RΦ減小，Uo隨之增大。圖中，入射光增大，Uo反而減小。a）Uo與光照變化趨勢相同的電路b）Uo與光照變化趨勢相反的電路回目錄7/22/202372二、光敏二極管的應(yīng)用電路光敏二極管在應(yīng)用電路中必須反向偏置。利用施密特反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。Ui=5V-URL=5V-

IΦRL7/22/202373例：用反相器來得到較大負(fù)載能力的電路見左下圖,光電特性見右下圖,RL=10kΩ,求:74HC04的輸出穩(wěn)定地跳變?yōu)楦唠娖綍r的光照度閾值。解：在VDD=5V時,查74HC04的典型輸入低電平ViL=2.1V,典型輸入高電平ViH=2.4V。當(dāng)74HC04的輸入低于2.1V后，輸出才能穩(wěn)定地跳變?yōu)楦唠娖?4.9V),此時輸入回路流過RL的電流為：

IΦ=ViL/RL=(5-2.1)V/10kΩ=0.29mA,查右上圖,得此時的光照度約為2900lx,約為陰天室外照度。光敏晶體管光敏二極管7/22/202374三、光敏晶體管應(yīng)用電路a）射極輸出電路b）集電極輸出電路7/22/202375光敏晶體管的輸出狀態(tài)比較電路形式無光照時強光照時晶體管狀態(tài)ICUo晶體管狀態(tài)ICUo射極輸出截止00（低電平）飽和(VCC-0.３)/RLVCC-UCES(高電平)集電極輸出截止0VCC（高電平）飽和(VCC-0.３)/RLUCES(0.3V低電平)7/22/202376例：光控繼電器電路如下圖,1)分析工作過程；

2)若VCC=12V，中間繼電器KA的驅(qū)動線圈阻值RKA=100Ω，額定動作電流為80mA。設(shè)V2的β足夠大，求：在強光照時，流過中間繼電器KA的電流，以及繼電器的狀態(tài)。晶體管V2截止的瞬間，有電流通過反向接法的“續(xù)流二極管”VD，減小了V2的對地過電壓。7/22/202377解：

1）當(dāng)無光照時，V1截止，IB=0，V2也截止，繼電器KA處于失電（釋放）狀態(tài)。當(dāng)有強光照時，V1產(chǎn)生較大的光電流IΦ，IΦ一部分流過下偏流電阻RB2（起穩(wěn)定工作點作用），另一部分流經(jīng)RB1及V2的發(fā)射結(jié)。當(dāng)IB>IBS(IBS=ICS/β)時，V2飽和，產(chǎn)生較大的集電極飽和電流ICS（與IB基本無關(guān)），ICS=(VCC－0.3V)/RKA。若ICS大于繼電器KA的額定動作距離，則KA吸合。

思考：若將V1與RB2的位置上下對調(diào)，其結(jié)果如何？7/22/202378.2）由于β足夠大，在強光照時，IΦ較大，流過V2集電極的電流與β以及基極電流IB基本無關(guān)，ICES≈(12-0.3V)/0.1kΩ=117mA＞KA的動作電流（80mA），所以KA可靠動作（吸合）。RKA=100Ω80501N40023DU1kΩ10kΩ12V7/22/202379四、光電池的應(yīng)用電路

——光電池短路電流測量電路

I/U轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Uo與光電流IΦ成正比。若光電池用于微光測量時，IΦ可能較小，則應(yīng)增加二級放大電路，并在第二級使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。

7/22/202380例：設(shè)某光電池的面積A=10mm2，輸出特性如下圖所示，Rf=100kΩ，R21=10kΩ，R22=300kΩ，RRP=50kΩ（標(biāo)稱值），E=10lx，求：Uo2的調(diào)節(jié)范圍。.OP077/22/202381解：.Uo1=-IΦRΦ=-0.8μA×0.1MΩ=-0.08V=80mV7/22/202382第三節(jié)光電傳感器的應(yīng)用a）被測物是光源b）被測物吸收部分光c）被測物是有反射能力的表面d）被測物遮蔽部分光1－被測物2－光電元件3－恒光源光電傳感器的幾種應(yīng)用形式的演示回目錄7/22/202383—、光源本身是被測物的應(yīng)用實例

——照度計光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學(xué)單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計（也稱勒克斯計）來測量。

光電池(外加柔光罩）7/22/202384照度計的技術(shù)指標(biāo)

照度計又稱勒克斯計是一種專門測量光度、亮度的儀器儀表,用于測量光照度(物體被照明的程度)，也即物體表面所得到的光通量與被照面積之比。照度計通常是由硒光電池或硅光電池和數(shù)字微安表電路、色彩補償、余弦補償、微處理器、三位半數(shù)字液晶顯示器等組成。技術(shù)指標(biāo)：示值切換范圍：1.999×10nlx（n=1~5）取樣率：2.5次/秒操作環(huán)境：0~50℃相對濕度<70%RH7/22/202385照度計中的

補償器1.受照面的亮度與光源的入射角度有關(guān)。當(dāng)光源入射角度不與柔光罩垂直時，必須進(jìn)行余弦補償。斜向光照

2.光電池對不同顏色光的轉(zhuǎn)換效率不同，必須進(jìn)行顏色補償。光電池的峰值波長約為0.78微米。7/22/202386紅外線輻射溫度計簡述紅外線的波長在0.76～100μm之間，位于微波與紅光之間。任何物體，只要它的溫度比零下273度高，就無一例外地發(fā)射出紅外線。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-30℃～3000℃，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號?？捎糜阼F路機車軸溫檢測，冶金、化工、高壓輸變電設(shè)備、熱加工流水線表面溫度測量，但不適合測量表面亮麗的鋁、不銹鋼等物體的表面溫度。7/22/202387紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準(zhǔn)7/22/202388紅外線輻射溫度計原理紅外輻射測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)透鏡及儀器與被測物的距離確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照設(shè)計的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后，顯示出被測目標(biāo)的溫度值。除此之外，還應(yīng)考慮目標(biāo)的黑度、測溫儀所在的環(huán)境條件，如氣溫、污染等因素對性能指標(biāo)的影響，并作適合的修正。7/22/202389紅外輻射溫度計原理（續(xù)）測試時，按下手槍形測量儀的開關(guān)，將槍口射出的低功率紅色激光瞄準(zhǔn)到被測物中央部位，這樣，被測物發(fā)出的紅外輻射能量就能準(zhǔn)確地聚焦在紅外輻射溫度計“槍口”里面的光電池上。CPU根據(jù)距離、被測物表面黑度輻射系數(shù)、水蒸氣及粉塵吸收修正系數(shù)、環(huán)境溫度以及被測物輻射出來的紅外光強度等諸多參數(shù)，計算出被測物體的表面溫度。當(dāng)被測物不是絕對黑體時，在相同溫度下，輻射能量將減小。比如十分光亮的物體只能發(fā)射或接收很少一部分光的輻射能量，因此必須根據(jù)預(yù)先標(biāo)定過的溫度，輸入光譜黑度修正系數(shù)ελ（或稱發(fā)射本領(lǐng)系數(shù)）。測量時，必須保證被測物體的“熱像”充滿光電池的整個視場。因此與被測物距離不能太遠(yuǎn)。7/22/202390紅外輻射溫度計原理（續(xù)）通常在光學(xué)系統(tǒng)前面加入濾光片，它只讓8~14μm波長（λ1~λ2）的輻射紅外光通過,還能消除背景光。對于絕對黑體,光電池的輸出光電流IΦ

可以表達(dá)為式中：K——靈敏度修正系數(shù)；EλT——黑體熱力學(xué)溫度為T時的光譜輻射能量；Dλ——光學(xué)系統(tǒng)的光譜透射率；Kλ——光電池的光譜靈敏度。由于與熱力學(xué)溫度有關(guān)，所以輸出的電流信號IΦ與被測體表面溫度T有確定的對應(yīng)關(guān)系，這種檢測方法又稱為部分輻射光檢測法。7/22/202391紅外輻射溫度計原理框圖1－槍形外殼2－紅色激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)3－濾光片4－聚焦透鏡7/22/202392部分紅外線輻射溫度計的特性參數(shù)7/22/202393紅外線輻射溫度計的使用距離與目標(biāo)直徑、面積的關(guān)系7/22/202394紅外線輻射溫度計在菜肴保溫中的應(yīng)用7/22/202395紅外線輻射溫度計在非接觸測量食物溫度中的應(yīng)用（續(xù)）紅色激光僅用于瞄準(zhǔn)被測物測量冷藏牛奶溫度測量飯食溫度7/22/202396紅外線輻射溫度計非接觸測量管道的溫度7/22/202397紅外線輻射溫度計

在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）7/22/202398紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應(yīng)用耳溫儀7/22/202399紅外線輻射溫度計用于人體額溫快速測量7/22/2023100紅外線輻射溫度計

測量電路板溫度IC的溫度測量7/22/2023101紅外線輻射溫度計在非接觸測量功率電路設(shè)備溫度中的應(yīng)用用于高壓電路的安全測量7/22/2023102紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）紅外線輻射溫度計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝修內(nèi)部的布線溫度升高可能引燃天花板7/22/2023103紅外線輻射溫度計非接觸測量鋼水的溫度7/22/2023104高溫比色計在高溫非接觸測量中的應(yīng)用

高溫比色溫度計能抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，不受窗口玻璃影響，能瞄準(zhǔn),測量小目標(biāo)，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標(biāo)充滿，不需調(diào)焦就可準(zhǔn)確測量。

高溫比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴(yán)重的鋼鐵、焦化和爐窯等應(yīng)用現(xiàn)場。紅色黃色7/22/2023105高溫比色溫度計原理

高溫比色式溫度傳感器抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，不受窗口玻璃影響，能瞄準(zhǔn),測量小目標(biāo)，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標(biāo)充滿，不需調(diào)焦就可準(zhǔn)確測量。根據(jù)有關(guān)的輻射定律，物體在兩個特定波長λ1、λ2上的輻射強度Iλ1、Iλ2之比與該物體的溫度成指數(shù)關(guān)系：式中K1、K2——與λ1、λ2及物體的黑度有關(guān)的常數(shù)。因此，只要測出Iλ1與Iλ2之比，就可根據(jù)上式算得物體的溫度T。7/22/2023106高溫比色溫度計原理

1－高溫物體2－物鏡3－半反半透鏡4－反射鏡5－目鏡6－觀察者的眼睛7－光闌8－光導(dǎo)棒9－分光鏡10、12－濾光片11、13－硅光電池14、15－電流/電壓轉(zhuǎn)換器I1、I2－兩個特定波長λ1、λ2的光在光電池11、13上產(chǎn)生的輸出電流7/22/2023107熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應(yīng)用

熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)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7/22/2023108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)射出的紅外線，而輸出電壓信號的傳感器?？梢杂糜跇堑雷詣娱_關(guān)、防盜報警、人體檢測等。例如：在房間無人時能自動減小空調(diào)機的功率；能判斷無人觀看電視或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機；有人活動時開啟監(jiān)視器；自動門鈴；攝影機或數(shù)碼照相機自動記錄動物或人的活動，以避免長時間空白畫面而浪費計算機的硬盤空間。7/22/2023109熱釋電效應(yīng)某些電介質(zhì)如鋯鈦酸鉛（PZT，見第六章），表面溫度發(fā)生變化時，在電介質(zhì)的表面就會產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，用具有熱釋電效應(yīng)的電介質(zhì)制成的元件稱為熱釋電元件。紅外熱釋電傳感器由濾光片、熱釋電紅外敏感元件，高輸入阻抗放大器等組成。制作熱釋電敏感元件時，先把熱釋電材料制成很小的薄片，在薄片兩側(cè)鍍上電極，把兩個極性相反的熱釋電敏感元件并排，再反向串聯(lián)。7/22/2023110紅外熱釋電傳感器的

內(nèi)部結(jié)構(gòu)a）外形b）分體結(jié)構(gòu)c）內(nèi)部電氣接線圖d)濾光片的光譜特性1－濾光片2－管帽3－左、右敏感元件4－放大器5－管座6－引腳7－高阻值電阻R7/22/2023111熱釋電傳感器的放大電路兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片場效應(yīng)管7/22/2023112熱釋電傳感器工作原理熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運動時，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。

7/22/2023113菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡能將透鏡前面的一個物體，在其后面成像為水平方向的n個物體。當(dāng)發(fā)光物體水平移動時，能產(chǎn)生閃爍效果。透鏡后面為熱釋電晶片7/22/2023114菲涅爾透鏡外形

傳感器不加菲涅爾透鏡時，其檢測距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測距離可增加3倍以上。7/22/2023115電路原理框圖及帶寬簡介在正常行走速度下，由菲涅爾透鏡產(chǎn)生的光脈沖調(diào)制頻率約為6Hz左右；當(dāng)人體快速奔跑通過傳感器面前時，可能達(dá)到20Hz。再考慮到熒光燈、節(jié)能燈、LED燈的脈動頻閃為100Hz，所以信號調(diào)理電路中的放大器帶寬不應(yīng)太寬,以0.1～20Hz為宜。帶寬窄,則干擾小,誤判率低；帶寬大,噪聲電壓大,可能引起誤報警。低頻段對應(yīng)于慢速移動;展寬高頻段,有利于快速移動響應(yīng)?，F(xiàn)已將點畫線框中的所有電路集成到一片厚膜電路中。7/22/2023116熱釋電組件7/22/2023117熱釋電報警器菲涅爾透鏡設(shè)定按鈕高分貝喇叭7/22/2023118熱釋電報警器（續(xù)）菲涅爾透鏡Φ5mm接插件7/22/2023119熱釋電報警器（續(xù)）吸頂式熱釋電報警器7/22/2023120熱釋電報警器（續(xù)）無線報警式熱釋電報警器7/22/2023121熱釋電傳感器應(yīng)用熱釋電傳感器用于自動亮燈，當(dāng)然也可以用于防盜。熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍7/22/2023122熱釋電感應(yīng)燈熱釋電傳感器7/22/2023123自動感應(yīng)燈7/22/2023124熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，單片機據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。

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)一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。上下范圍左右范圍7/22/2023125色標(biāo)傳感器

色飽和圖色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色。人眼對各色光的敏感程度三基色合成7/22/2023126色彩傳感器的原理白色光源照在物體上時，物體表面的反射光顏色將由物體的性質(zhì)決定。在許多場合，必須判定反射光的顏色，但由于人的生理和情感因數(shù)的影響，要對色彩做出準(zhǔn)確判斷以及定量描述是較困難的。用色彩傳感器就可以實現(xiàn)對色彩的測定，目前它在圖像處理和美工、紡織、印染、涂料、食品加工、農(nóng)作物生長和成熟判斷等方面得到應(yīng)用。現(xiàn)代色度學(xué)是采用CIE（國際照明委員會）所規(guī)定的一套顏色測量原理及計算方法來確定顏色的。任何一個物體的顏色都可用紅、綠、藍(lán)（R、G、B）三原色的光功率譜的函數(shù)來表示。射入眼睛的光線刺激視網(wǎng)膜上對不同顏色有不同靈敏度的視覺細(xì)胞，并通過視神經(jīng)傳送到大腦，從而感覺到色彩。7/22/2023127色彩傳感器及信號處理示意圖1—紅、綠、藍(lán)濾色片2—玻璃基板3—α-Si4—透明導(dǎo)電膜5—公共電極6—背面引出電極7—遮光保護(hù)樹脂8—電流/電壓轉(zhuǎn)換器7/22/2023128色彩傳感器的原理無定型硅（α-Si）制成的色彩傳感器能得到三色信號。在玻璃基板上按順序粘貼紅、綠、藍(lán)濾色鏡，分別與R、G、B三個輸出電極處于同一軸線上。α-Si本身的光譜靈敏度與人眼十分接近，峰值波長約為0.5~0.6m。當(dāng)光線透過紅、綠、藍(lán)濾光片后，就可以分別得到R、G、B三根光譜特性。7/22/2023129色標(biāo)傳感器的用途

色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色。可用于包裝、印刷、制藥、紡織、煙草等機械，以檢測色標(biāo)。還可用于彩色材料的定位、定長、分切、糾偏、計數(shù)等功能。7/22/2023130各種色標(biāo)傳感器外形色標(biāo)傳感器能識別紅、綠、藍(lán)等顏色7/22/2023131色標(biāo)傳感器外形（續(xù)）7/22/2023132色標(biāo)傳感器在流水線上檢測產(chǎn)品的顏色7/22/2023133

用多個色標(biāo)傳感器測量薄板的顏色7/22/2023134產(chǎn)品包裝色彩檢測、分選7/22/2023135二、被測物吸收部分光的應(yīng)用實例光電式濁度計和含沙量測量將裝有濁水的試管插入儀器中7/22/2023136光電式濁度計工作原理1—恒流源2—半導(dǎo)體激光器3—半反半透4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池7、10—電流/電壓轉(zhuǎn)換器8—標(biāo)準(zhǔn)水樣參比通道（抵消外界影響）

7/22/2023137光電式濁度計工作原理光源發(fā)出的光線經(jīng)過半反半透鏡分成兩束強度相等的光線：一路光線穿過標(biāo)準(zhǔn)水樣8，到達(dá)光電池9，產(chǎn)生作為被測水樣濁度的參比信號；另一路光線穿過被測水樣品5到達(dá)光電池6，其中一部分光線被樣品介質(zhì)吸收，樣品水樣越混濁，光線衰減量越大，到達(dá)光電池6的光通量就越小。兩路光信號均轉(zhuǎn)換成電壓信號Uo1、Uo2，由運算器計算出Uo1、Uo2的比值，并進(jìn)一步算出被測水樣的濁度。參比通道目的：當(dāng)光源的光通量由于種種原因有所變化，或環(huán)境溫度變化引起光電池靈敏度發(fā)生改變時，由于兩個通道的結(jié)構(gòu)完全一樣，所以在最后運算：Uo1/Uo2值（其值的范圍是0～1）時，上述誤差可自動抵消，減小了測量誤差。類似結(jié)構(gòu)還可以制成光電比色計、血色素濃度測量、化學(xué)分析等。7/22/2023138三、被測物體反射光的應(yīng)用實例1

——煙霧報警器賓館等場所強制安裝火災(zāi)報警器火災(zāi)發(fā)生時伴隨有光和熱的化學(xué)反應(yīng)。物質(zhì)在燃燒過程中一般有下列現(xiàn)象發(fā)生：（1）產(chǎn)生熱量：使環(huán)境溫度升高，可以用各種溫度傳感器來測量。但是在燃燒速度非常緩慢的情況下，火災(zāi)初期的環(huán)境溫度上升不易鑒別的。（2）產(chǎn)生可燃性氣體：有機物在燃燒的初始階段,首先釋放出來的是可燃性氣體,如CO等。可以用氣敏檢測。（3）產(chǎn)生煙霧:煙霧是人們?nèi)庋勰芤姷降奈⑿腋☆w粒。煙霧有很大的流動性,可潛入煙霧傳感器中,是檢測比較有效的火災(zāi)的手段,可以用反射式光電傳感器檢測。（4）產(chǎn)生火焰：可利用紫外管檢測,但需設(shè)計帶通濾波器,只讓檢測紫外線的抖動信號通過,避開太陽光的照射.7/22/2023139反射式煙霧報警器原理示意圖1－紅外發(fā)光二極管2－煙霧檢測室3－透煙孔4－紅外光敏晶體管5－黑色吸光絨布6－煙霧7/22/2023140煙霧報警器外形在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅外光敏晶體管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射，使部分紅外光到達(dá)光敏晶體管。煙霧報警7/22/2023141無線煙霧報警器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器7/22/2023142無線火災(zāi)煙霧傳感器無線火災(zāi)煙霧傳感器可以固定在墻體或者天花板上。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(dāng)探測到初期明火或者煙霧達(dá)到一定濃度時，傳感器的報警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的斷續(xù)報警聲，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(yuǎn)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(dá)到200米，在有阻擋的普通房間結(jié)構(gòu)中，可以達(dá)到20米。7/22/2023143反射式煙霧報警器演示

紅外LED的激勵電流用40kHz調(diào)制,所以紅外光敏晶體管接收到的光信號也是同頻率的調(diào)制光。

光敏晶體輸出40kHz電信號，經(jīng)窄帶選頻放大器放大、檢波后成為直流電壓，再經(jīng)低放和閾值比較器輸出報警信號。室內(nèi)的燈光、太陽光即使泄露進(jìn)煙霧檢測室也無法通過40kHz選頻放大器。7/22/2023144反射式光電傳感器舉例2

——光電反射式轉(zhuǎn)速表

光電式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。

n=60(f/z)

n：每分鐘轉(zhuǎn)速

f：輸出脈沖頻率z：

齒輪的齒數(shù)7/22/2023145光電反射式轉(zhuǎn)速表的原理框圖a）光路及工作原理框圖b）各點波形1－光源（紅色LED）2、6－聚焦透鏡3－被測旋轉(zhuǎn)物4－反光紙7/22/2023146光電反射式轉(zhuǎn)速表工作原理

光源發(fā)出的光線經(jīng)聚焦透鏡2會聚成平行光束，照射到被測旋轉(zhuǎn)物3上，光線經(jīng)事先粘貼在旋轉(zhuǎn)物體上的反光紙4反射回來，經(jīng)透鏡6聚焦后落在光敏二極管7上。旋轉(zhuǎn)物體每轉(zhuǎn)一圈，光敏二極管就產(chǎn)生一個脈沖信號,經(jīng)放大整形電路得到TTL電平的脈沖信號,該信號在與門中和“秒信號”相“與”。與門在1s的時間間隔內(nèi)輸出的脈沖數(shù)正比于旋轉(zhuǎn)物體的每秒轉(zhuǎn)數(shù),再經(jīng)數(shù)據(jù)運算電路處理后,由數(shù)碼顯示器顯示出每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。轉(zhuǎn)速n為7/22/2023147光電式轉(zhuǎn)速表外形

7/22/2023148光電反射式轉(zhuǎn)速表的±1誤差測頻時，計數(shù)脈沖通過閘門（與門）進(jìn)入計數(shù)器，被測頻率f=N/t門控。由于閘門開啟時刻（秒信號的上升沿）和被測計數(shù)脈沖上升沿到來的時刻之間的關(guān)系是隨機的，有可能像圖中的ud波形所示，在第二個1s閘門時間里，比在第一個1s閘門時間多計數(shù)了一個脈沖，或少計數(shù)了一個脈沖。

可以由單片機來控制閘門信號的上升沿與被測脈沖的上升沿同步，以減小±1誤差，稱為同步計數(shù)計時法。7/22/2023149±1誤差例題當(dāng)t門控=1s、被測頻率f=1000Hz時，1個脈沖所產(chǎn)生的±1誤差為1Hz,示值相對誤差：

當(dāng)被測頻率f=10Hz,t門控仍然為1s時的示值相對誤差就顯得不可容忍：7/22/2023150門控時間的選取當(dāng)被測頻率f較低時，應(yīng)增加門控時間,就可以減小±1誤差。例如,當(dāng)T門控=10s、被測頻率雖然較小，例如f=10Hz時，根據(jù)f=N/t門控，在10s的時間間隔里，可以得到N=f

t門控=10×10=100個脈沖，每一個±1脈沖代表0.1Hz，所產(chǎn)生的示值相對誤差只有t門控=1s時的1/10：可以利用“同步電路”來盡量減小±1誤差。7/22/2023151光電反射式轉(zhuǎn)速計用于水泵轉(zhuǎn)速測量7/22/2023152反射式光電傳感器實例：光電自動門自動門光電傳感器放大圖有效檢測區(qū)域7/22/2023153四、被測物遮擋部分光的應(yīng)用實例

——光電式帶材跑偏測控系統(tǒng)

在帶材生產(chǎn)線上，由于帶材橫向厚度及壓輥壓力不均等原因，導(dǎo)致帶材邊緣或縱向標(biāo)志線與加工機械的中心線不平行或不重合，從而發(fā)生帶材橫向運行偏差，稱為“跑偏”。需要以帶材邊緣縱向為基準(zhǔn)，實行邊緣位置控制，稱為“糾偏”。光電傳感器帶材走偏時,邊緣經(jīng)常與傳送機械發(fā)生碰撞,易出現(xiàn)卷邊,造成廢品。

結(jié)束7/22/2023154光電式帶材跑偏測控系統(tǒng)指標(biāo)

帶鋼最大傳送速度：10m/s糾偏最大動態(tài)范圍：±100mm糾偏誤差：±0.5mm跑偏檢測傳感器響應(yīng)時間：≤100μs液壓比例伺服閥響應(yīng)時間：≤50ms伺服液壓缸最大驅(qū)動速度：20mm/s電液伺服最大推力：6×104N（可按需要配置液壓系統(tǒng)）環(huán)境工作溫度：-20～70℃在帶鋼糾偏裝置中，邊緣位置檢測傳感器的位置固定不動，開卷機的開卷輥可左右移動。在伺服液壓缸的推動下，開卷機構(gòu)（包括減速箱和開卷輥等）沿著導(dǎo)軌作垂直于帶材行進(jìn)方向的糾偏運動。7/22/2023155光電式帶材跑偏檢測控制電路帶材左偏時，E1得到的光如何變化？1－LED光源

2－擴(kuò)束透鏡3－平行光束鏡4－會聚透鏡5－光電池E16－帶材7－溫度補償光電池E2

8－遮光罩

9－跑偏指示7/22/2023156光電式帶材跑偏的光電檢測裝置.1－帶材2－邊緣位置

檢測傳感器

3－電源及信號

線連接座7/22/2023157光電式帶材跑偏檢測控制電路原理帶材左偏時,輸出電壓表的指針偏向右邊,為正值。

光源1發(fā)出的光線經(jīng)擴(kuò)束透鏡2和會聚透鏡3，變?yōu)槠叫泄馐?，投向透鏡3，匯聚后落到光電池E1上。在平行光束到達(dá)透鏡4的途中,有部分光線受到被測帶材6的遮擋,從而使到達(dá)光電池E1的光通量Φ減小。

E1、E2是相同型號的光電池,E1作為測量元件裝在帶材下方,而E2用遮光罩罩住,與A2共同起溫度補償作用。7/22/2023158光電式帶材跑偏的連續(xù)閉環(huán)控制原理當(dāng)帶材未跑偏時，跑偏檢測傳感器輸出的偏差信號為零；當(dāng)邊緣位置檢測傳感器