光电式传感器1培训讲学.ppt

光电式传感器光电式传感器第一页，共52页。光电传感器是一种基于光电效应的传感器。是利用光敏元件将光信号转换为电信号的装置。应用(yngyng)：除了能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等特性测量尺寸、位移、速度、加速度、温度等。特点：光电传感器的这种测量方法具有结构简单、非接触、高可靠、高精度和反应速度快等特点。光电传感器是目前产量最多、应用(yngyng)最广的一种传感器，它在自动控制和非电量测试中占有非常重要的地位。第二页，共52页。罐装生产罐装生产(shngchn)流水线动流水线动画演示画演示第三页，共52页。1、光电效应、光电效应(un din xio yng)1.外光电效应外光电效应(un din xio yng)光电效应光电效应(un din xio yng)及其及其光电元件光电元件 在光线作用下，物体吸收光能量而产生相应电特在光线作用下，物体吸收光能量而产生相应电特性的一种物理现象性的一种物理现象。在光线作用下，电在光线作用下，电子从物体表面逸出的物子从物体表面逸出的物理现象。理现象。（光电管、光电倍增管、光电摄像管）外光电效应动画演示外光电效应动画演示 第四页，共52页。各种各种(zhn)光电光电管外形图管外形图第五页，共52页。2、内光电效应、内光电效应(un din xio yng)（光电导效应）（光电导效应）内光电效应内光电效应(un din xio yng)动画演示动画演示 在光线作用在光线作用(zuyng)下，物体内部释放电子，但这些电子下，物体内部释放电子，但这些电子并不逸出物体表面，仍然留在物体内部，从而使物体的导电性能并不逸出物体表面，仍然留在物体内部，从而使物体的导电性能发生变化的现象发生变化的现象。（光敏电阻）。（光敏电阻）第六页，共52页。光敏电阻光敏电阻(un mn din z)外形图外形图第七页，共52页。光敏二极管外形光敏二极管外形(wi xn)图图光敏三极管外形光敏三极管外形(wi xn)图图第八页，共52页。3、光生、光生(un shn)伏特效应伏特效应 在光线作用下，能使物体产生一定方向在光线作用下，能使物体产生一定方向(fngxing)电动势电动势的现象。（光电池、光电二极管、光电三极管、光电晶闸管）的现象。（光电池、光电二极管、光电三极管、光电晶闸管）第九页，共52页。各种各种(zhn)光电池外形图光电池外形图第十页，共52页。1、光敏、光敏电电阻阻(un mn din z)（1）原理）原理(yunl)：内光电效应的光电导效应：内光电效应的光电导效应（2）符号）符号(fho)与与外形外形二、光电器件二、光电器件RG第十一页，共52页。（3）主要参数）主要参数暗电阻、暗电流暗电阻、暗电流:置于室温、全暗条件，经置于室温、全暗条件，经一定时间稳定之后，测得的电阻。（一定时间稳定之后，测得的电阻。（1100M欧），此时欧），此时(c sh)流过的电流称暗电流。流过的电流称暗电流。亮电阻、亮电流亮电阻、亮电流:置于室温、一定光照置于室温、一定光照(gungzho)条件，测得的电阻，此时流过的电条件，测得的电阻，此时流过的电流称亮电流。流称亮电流。光电流光电流(dinli):亮电流亮电流(dinli)与暗电流与暗电流(dinli)之差。反映灵敏度。之差。反映灵敏度。第十二页，共52页。特点：无光照特点：无光照(gungzho)时，光敏电阻的阻值时，光敏电阻的阻值（暗电阻）很大，回路中电流（暗电流）很小；（暗电阻）很大，回路中电流（暗电流）很小；当光敏电阻受到一定范围的波长的光照当光敏电阻受到一定范围的波长的光照(gungzho)时，其阻值（亮电阻）急剧减小，时，其阻值（亮电阻）急剧减小，回路中电流（亮电流）迅速增大。光照回路中电流（亮电流）迅速增大。光照(gungzho)越强，其亮电阻越小，光电流越大。越强，其亮电阻越小，光电流越大。第十三页，共52页。伏安特性：指在一定的照度伏安特性：指在一定的照度(zho d)下，光敏电阻两端的电压下，光敏电阻两端的电压 与光电流之间的关系。与光电流之间的关系。（4）主要参数）主要参数第十四页，共52页。光照特性光照特性(txng)：指光电流和光通量之间关系：指光电流和光通量之间关系的特性的特性(txng)。绝大多数光敏电阻的光照特性绝大多数光敏电阻的光照特性 是非线性的，因此是非线性的，因此光敏电阻不能用于光的精确测量只能光敏电阻不能用于光的精确测量只能(zh nn)做开关式的光电信号传感元件。做开关式的光电信号传感元件。第十五页，共52页。光谱光谱(gungp)特性（光谱特性（光谱(gungp)响应）：指光敏电阻的相对与射入响应）：指光敏电阻的相对与射入光波长之间的关系特性。光波长之间的关系特性。响应特性响应特性(txng)：光敏：光敏电阻对光照反应的延电阻对光照反应的延时特性时特性(txng)。（较长）。（较长）10-1s10-3s（所以不能（所以不能用于要求用于要求(yoqi)快速反应的测快速反应的测量场合）量场合）光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 第十六页，共52页。温度特性温度特性:指光敏电阻和其他半导体一样，受温度指光敏电阻和其他半导体一样，受温度影响较大影响较大(jio d)。（所以要在低温、恒温的条件下使用）。（所以要在低温、恒温的条件下使用）温度温度(wnd)上升，暗电阻减上升，暗电阻减小，灵敏度下降小，灵敏度下降。第十七页，共52页。（5）适用场合）适用场合(chng h)：常用于对测量要求不高的场合：常用于对测量要求不高的场合(chng h)，被，被广泛应用于自动化技术中作为开关式光信号的传感广泛应用于自动化技术中作为开关式光信号的传感元件。元件。（4）特点：价格便宜、灵敏度高、使用寿命长、体积）特点：价格便宜、灵敏度高、使用寿命长、体积小、响应时间小、响应时间(shjin)长、受温度影响大。长、受温度影响大。第十八页，共52页。2.光电二极管和光电三极管光电二极管和光电三极管（1）原理）原理(yunl)：内光电效应的光电晶体管效应：内光电效应的光电晶体管效应 外形外形(wi xn)图图第十九页，共52页。2.）结构）结构(jigu)和符号和符号PNE二级管第二十页，共52页。NPN E三级管波长短，光子在半导体表面被吸收(xshu)，波长长时能量小第二十一页，共52页。光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管（2）种类）种类(zhngli)、符号与外形、符号与外形第二十二页，共52页。（3）基本）基本(jbn)特性：特性：光谱特性：由光谱特性可以确定光源与光电器件光谱特性：由光谱特性可以确定光源与光电器件(qjin)的最佳匹配。的最佳匹配。硅管峰值波长硅管峰值波长(bchng)为为0.9m探测发可见光或探测发可见光或红外线的物体；红外线的物体；锗管峰值波长锗管峰值波长(bchng)为为1.5m探测红外线。探测红外线。光照特性：光电二极管的光电流与光照度成线性光照特性：光电二极管的光电流与光照度成线性关系，适合于做检测元件。光电三极管的光照特性关系，适合于做检测元件。光电三极管的光照特性曲线呈非线性关系，斜率大，灵敏度较高。曲线呈非线性关系，斜率大，灵敏度较高。第二十三页，共52页。响应响应(xingyng)时间：二极管时间：二极管10-4s10-6s、三极管、三极管10-3s10-5s（5）适用）适用(shyng)场合：场合：适用于模拟量测量适用于模拟量测量(cling)及要求快速响应的场合及要求快速响应的场合（4）特点：）特点：光电特性线性好、受温度影响小、响应时间短光电特性线性好、受温度影响小、响应时间短 第二十四页，共52页。3.光电池光电池（1）原理：内光电效应）原理：内光电效应(un din xio yng)的的光生伏特效应光生伏特效应（2）符号）符号(fho)与与外形：外形：第二十五页，共52页。（3）主要）主要(zhyo)特特性性光谱光谱(gungp)特性：特性：硅光电池硅光电池0.45m1.1m硒光池硒光池0.34m0.57m光电特性光电特性(txng)：第二十六页，共52页。频率特性：频率特性：硅光电池频率响应硅光电池频率响应(pn l xin yn)高，硒光电高，硒光电池频率响应池频率响应(pn l xin yn)差差温度特性：温度特性：温度温度 t 上升，开路电压上升，开路电压(diny)U 快速下降，快速下降，短短路电流路电流 I 缓慢上升。缓慢上升。第二十七页，共52页。（4）特点）特点(tdin)：（5）适用）适用(shyng)场合：场合：测量短路电流光电特性线性好、受温度影响测量短路电流光电特性线性好、受温度影响(yngxing)小，硅光电池频率响应较好。小，硅光电池频率响应较好。可用于模拟量测量响应较快的场合可用于模拟量测量响应较快的场合 第二十八页，共52页。光电式传感器的组成：光电式传感器的组成：光源光源(gungyun)、光学元件和光电元、光学元件和光电元件组成光路系统，再经转换电路而构成。件组成光路系统，再经转换电路而构成。42 光电式传感器应用光电式传感器应用(yngyng)常用常用(chn yn)光源有：光源有：白炽灯、发光二极管等白炽灯、发光二极管等第二十九页，共52页。常用光学常用光学(gungxu)元件有：元件有：反射镜、透镜、半透半反镜等反射镜、透镜、半透半反镜等提问：提问：1.光电效应光电效应(un din xio yng)有哪些有哪些？这些光电效应？这些光电效应(un din xio yng)对对 应哪些光电元件？应哪些光电元件？2.这些光电元件有哪些特点？分这些光电元件有哪些特点？分别别(fnbi)适适 用哪些场合？用哪些场合？第三十页，共52页。一、光电式传感器的应用一、光电式传感器的应用(yngyng)类型类型 按其输出量性质按其输出量性质(xngzh)可分：可分：模拟输出型光电传感器和数字输出型光电模拟输出型光电传感器和数字输出型光电传感器传感器 按被测物与光电元件按被测物与光电元件(yunjin)和光源之间的和光源之间的关系，光电式传感器的应用有以下四种：关系，光电式传感器的应用有以下四种：第三十一页，共52页。1、光源本身、光源本身(bnshn)就是被测物。就是被测物。如：光电比色温度计、光照度计等如：光电比色温度计、光照度计等被测物被测物光电元件光电元件第三十二页，共52页。2、恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物、恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物 吸收一部分后到达光电元件上。吸收一部分后到达光电元件上。如：测液体透明度、烟尘如：测液体透明度、烟尘(ynchn)浓度等浓度等 被测物被测物光电元件光电元件恒光源恒光源第三十三页，共52页。3、恒恒定定光光源源发发出出的的光光通通量量经经过过被被测测物遮挡一部物遮挡一部(y b)分后照射到光电元件上。分后照射到光电元件上。如：测元件尺寸、运动状态等如：测元件尺寸、运动状态等 被测物被测物光电元件光电元件恒光源恒光源第三十四页，共52页。4、恒恒定定(hngdng)光光源源发发出出的的光光通量经被测物反射后到达通量经被测物反射后到达 光电元件上。光电元件上。如如：测测纸纸张张白白度度、零零件件表表面面粗粗糙度、光电转速糙度、光电转速 表等表等被测物被测物光电元件光电元件恒光源恒光源第三十五页，共52页。特别特别(tbi)指指出：出：光源与光电元件在光谱特性上应基本一致，即光源与光电元件在光谱特性上应基本一致，即 光源发出光源发出(fch)的光应该在光电元件接受灵敏度最的光应该在光电元件接受灵敏度最高的高的 频率范围内。频率范围内。对于模拟量检测，一般要有参比信号，用来消对于模拟量检测，一般要有参比信号，用来消 除或削弱背景除或削弱背景(bijng)光及温度等因素的影响。光及温度等因素的影响。第三十六页，共52页。1、光电比色温度计（光源、光电比色温度计（光源(gungyun)本身是本身是被测物）被测物）问题的提出：高温测量，物体问题的提出：高温测量，物体(wt)辐射出的光波辐射出的光波与与 温度有关。温度有关。二、光电式传感器的应用二、光电式传感器的应用(yngyng)举例举例 扫描式光电比色温度计扫描式光电比色温度计第三十七页，共52页。原理：根据热辐射定律，使用光电池进行原理：根据热辐射定律，使用光电池进行(jnxng)非接触测温。非接触测温。根据有关的辐射定律，物体根据有关的辐射定律，物体(wt)在两个特在两个特定波定波长长1、2上的辐射强度上的辐射强度I1、I2 之比与该物体之比与该物体(wt)的温度成指数关系。的温度成指数关系。第三十八页，共52页。光电比色温度计光路原理图光电比色温度计光路原理图被测对象被测对象物镜物镜半透半反镜半透半反镜光阑光阑反射镜反射镜目镜目镜观察者的眼睛观察者的眼睛硅光电池硅光电池1光导棒光导棒分光镜分光镜滤光片滤光片硅光电池硅光电池2光线光线1光线光线2第三十九页，共52页。光电比色温度计电路原理光电比色温度计电路原理(yunl)框图框图硅光电池硅光电池1RfRf运运算算电电路路显显示示器器I1I2U1U2硅光电池硅光电池2而而 I1正比正比(zhngb)于于I1所以所以(suy)U1正比正比于于I1第四十页，共52页。2、光电式烟尘、光电式烟尘(ynchn)浓度计（透浓度计（透射式）射式）问问题题的的提提出出(t ch)：为为了了控控制制和和减减少少烟烟尘尘的的排排放放量量或或 及时发现楼宇火灾，对烟尘的监及时发现楼宇火灾，对烟尘的监 测是必须的。测是必须的。原理：恒定光源发出原理：恒定光源发出(fch)的光通量透过被测物，的光通量透过被测物，由被测物吸收一部分后到达光电元件由被测物吸收一部分后到达光电元件 上。上。第四十一页，共52页。光电式烟尘光电式烟尘(ynchn)浓度检测动画浓度检测动画演示演示第四十二页，共52页。光电式烟尘光电式烟尘(ynchn)浓度计原理图浓度计原理图 光源光源聚光透镜聚光透镜半透半反镜半透半反镜反射镜反射镜被测烟尘被测烟尘光电池光电池1光电池光电池2RfRf运运算算电电路路显显示示器器I1I2U1U2第四十三页，共52页。光电式烟尘光电式烟尘(ynchn)浓度计原理图浓度计原理图 光电三极管光电三极管2光电三极管光电三极管1+UCCU1U2+UCC运运算算器器显显示示器器光源光源聚光透镜聚光透镜半透半反镜半透半反镜反射镜反射镜被测烟尘被测烟尘第四十四页，共52页。3、光电式边缘、光电式边缘(binyun)位置检测器（遮挡式）位置检测器（遮挡式）问问题题的的提提出出：带带型型材材料料在在生生产产过过程程中中偏偏离离(pinl)正正 确确的的位位置置如如何何进进行行纠纠偏偏控制。控制。原原理理(yunl)：恒恒定定光光源源发发出出的的光光通通量量经经过被测物遮过被测物遮 挡挡一一部部分分后后，另另一一部部分分照照射射到到光光电元电元 件上。件上。第四十五页，共52页。光电式边缘光电式边缘(binyun)位置检测器光路图位置检测器光路图 光源光源透镜透镜光敏电阻光敏电阻被测带材被测带材暗暗亮亮第四十六页，共52页。光电式边缘位置光电式边缘位置(wi zhi)检测器测量电路图检测器测量电路图 R2R1R3RPRRRfRfUoUcc测量用光敏电阻测量用光敏电阻补偿用光敏电阻补偿用光敏电阻遮光罩遮光罩第四十七页，共52页。注意注意(zh y)问问题：题：2.桥路及运算放大器组成桥路及运算放大器组成(z chn)，接入参比光敏电，接入参比光敏电阻；阻；1.起始时，光路一半起始时，光路一半(ybn)遮挡一半遮挡一半(ybn)透过；透过；3.光敏电阻一般不能作模拟量测量，这里对测量光敏电阻一般不能作模拟量测量，这里对测量 要求不高（用于控制）。要求不高（用于控制）。第四十八页，共52页。4、光电式转速表（反射式）、光电式转速表（反射式）问题的提出：传统测量转速的弊端问题的提出：传统测量转速的弊端(b dun)，光电式转，光电式转 速的优点。速的优点。原理：恒定光源原理：恒定光源(gungyun)发出的光通量经发出的光通量经被测物反射被测物反射 后到达光电元件上。采用数字输出型后到达光电元件上。采用数字输出型 测量转速测量转速。第四十九页，共52页。光电式转速光电式转速(zhun s)测量动画演测量动画演示示第五十页，共52页。光电式转速表原理图光电式转速表原理图 被测旋转物被测旋转物遮光罩遮光罩放大放大整形整形电路电路频率频率计电计电路路显显示示器器时基电路时基电路n 由透镜由透镜(tujng)、光源、光敏二极管和、光源、光敏二极管和遮光罩组成光电开关遮光罩组成光电开关反光纸反光纸透镜透镜光源光源光敏二极管光敏二极管透镜透镜第五十一页，共52页。注意注意(zh y)问题：问题：1.选用选用(xunyng)硅光电二极管（响应时间短）硅光电二极管（响应时间短）用于高频用于高频 调制信号测量；调制信号测量；2.数字量测量数字量测量(cling)，不用参比信号。，不用参比信号。第五十二页，共52页。