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传感器与检测技术传感器与检测技术电子工程系电子工程系 王海波王海波10/27/202210/27/20221项目项目项目项目5 5 5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速技能目标技能目标技能目标技能目标能利用简单的光敏电阻、光敏三极管等元件，完成光能利用简单的光敏电阻、光敏三极管等元件，完成光能利用简单的光敏电阻、光敏三极管等元件，完成光能利用简单的光敏电阻、光敏三极管等元件，完成光照度的测量和画出继电器的控制电路照度的测量和画出继电器的控制电路照度的测量和画出继电器的控制电路照度的测量和画出继电器的控制电路知识目标知识目标知识目标知识目标了解光电元件的分类以及工作原理了解光电元件的分类以及工作原理了解光电元件的分类以及工作原理了解光电元件的分类以及工作原理掌握光电传感器的应用电路掌握光电传感器的应用电路掌握光电传感器的应用电路掌握光电传感器的应用电路10/27/202210/27/20222 用光照射某一物体，可以看做物体受到用光照射某一物体，可以看做物体受到用光照射某一物体，可以看做物体受到用光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为一连串能量为一连串能量为一连串能量为E E E E的光子的轰击的光子的轰击的光子的轰击的光子的轰击，组成，组成，组成，组成这种物体的材料这种物体的材料这种物体的材料这种物体的材料吸收光子能量吸收光子能量吸收光子能量吸收光子能量而发生相应而发生相应而发生相应而发生相应电效应电效应电效应电效应的物理现象称为光电效应的物理现象称为光电效应的物理现象称为光电效应的物理现象称为光电效应项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速5.2.1 5.2.1 5.2.1 5.2.1 光电效应光电效应光电效应光电效应5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 光电器件光电器件光电器件光电器件光电管的外形、结构光电管的外形、结构光电管的外形、结构光电管的外形、结构光电管的结构图、原理图光电管的结构图、原理图光电管的结构图、原理图光电管的结构图、原理图1 1 1 1光电管光电管光电管光电管（1 1 1 1）结构：）结构：）结构：）结构：阴极（内壁）阴极（内壁）阴极（内壁）阴极（内壁）和一个阳极（中央）构和一个阳极（中央）构和一个阳极（中央）构和一个阳极（中央）构成，成，成，成，特性特性特性特性主要主要主要主要取决于光取决于光取决于光取决于光电管阴极材料电管阴极材料电管阴极材料电管阴极材料10/27/202210/27/20223项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 光电器件光电器件光电器件光电器件1 1 1 1光电管光电管光电管光电管（1 1 1 1）原理：）原理：）原理：）原理：当光照射在当光照射在当光照射在当光照射在阴极阴极阴极阴极上时，阴极上时，阴极上时，阴极上时，阴极发射出光电子发射出光电子发射出光电子发射出光电子，被被被被具有一定电位的中央具有一定电位的中央具有一定电位的中央具有一定电位的中央阳极所吸引阳极所吸引阳极所吸引阳极所吸引，在光电管内形成空间，在光电管内形成空间，在光电管内形成空间，在光电管内形成空间电子电子电子电子流流流流。在。在。在。在外电场作用外电场作用外电场作用外电场作用下形成下形成下形成下形成电流电流电流电流I I I I，称为，称为，称为，称为光电流光电流光电流光电流。其大小与光。其大小与光。其大小与光。其大小与光电电电电子数子数子数子数成正比，光子数又与成正比，光子数又与成正比，光子数又与成正比，光子数又与光照度光照度光照度光照度成正比成正比成正比成正比（2 2 2 2）特性：）特性：）特性：）特性：伏安特性、伏安特性、伏安特性、伏安特性、光照特性、光谱特性光照特性、光谱特性光照特性、光谱特性光照特性、光谱特性2 2光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻（1 1）原理：内光电效应，纯电阻器件，其光电性能和其所用材）原理：内光电效应，纯电阻器件，其光电性能和其所用材）原理：内光电效应，纯电阻器件，其光电性能和其所用材）原理：内光电效应，纯电阻器件，其光电性能和其所用材料与工艺有关料与工艺有关料与工艺有关料与工艺有关10/27/202210/27/20224光敏电阻演示光敏电阻演示光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻受当光敏电阻受当光敏电阻受当光敏电阻受到光照时，光生电到光照时，光生电到光照时，光生电到光照时，光生电子子子子空穴对增加，空穴对增加，空穴对增加，空穴对增加，阻值减小，电流增阻值减小，电流增阻值减小，电流增阻值减小，电流增大大大大暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）10/27/202210/27/20225项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 光电器件光电器件光电器件光电器件2 2光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻（2 2 2 2）参数：）参数：）参数：）参数：暗电阻（暗电阻（暗电阻（暗电阻（1M1M1M1M）、亮电阻（）、亮电阻（）、亮电阻（）、亮电阻（几千几千几千几千）、亮电流、暗电流、亮电流、暗电流、亮电流、暗电流、亮电流、暗电流、光电流光电流光电流光电流（3 3 3 3）特性：）特性：）特性：）特性：光照特性、光照特性、光照特性、光照特性、光电特性、时延特性光电特性、时延特性光电特性、时延特性光电特性、时延特性3 3光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管（1 1 1 1）光敏二极管）光敏二极管）光敏二极管）光敏二极管将光敏二极管的将光敏二极管的将光敏二极管的将光敏二极管的PN PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，可直接接受光结设置在透明管壳顶部的正下方，可直接接受光结设置在透明管壳顶部的正下方，可直接接受光结设置在透明管壳顶部的正下方，可直接接受光的照射，在电路中一般处于反向工作状态，无光照，反向电阻很大，的照射，在电路中一般处于反向工作状态，无光照，反向电阻很大，的照射，在电路中一般处于反向工作状态，无光照，反向电阻很大，的照射，在电路中一般处于反向工作状态，无光照，反向电阻很大，暗电流很小；有光照，在暗电流很小；有光照，在暗电流很小；有光照，在暗电流很小；有光照，在PNPN结附近产生光生电子结附近产生光生电子结附近产生光生电子结附近产生光生电子-空穴对，在内电场空穴对，在内电场空穴对，在内电场空穴对，在内电场的作用下形成光电流，照度越强，电流越大的作用下形成光电流，照度越强，电流越大的作用下形成光电流，照度越强，电流越大的作用下形成光电流，照度越强，电流越大结构及工作原理结构及工作原理结构及工作原理结构及工作原理检测方法检测方法检测方法检测方法10/27/202210/27/20226（2 2 2 2）光敏三极管）光敏三极管）光敏三极管）光敏三极管项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 光电器件光电器件光电器件光电器件3 3光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管（1 1 1 1）光敏二极管）光敏二极管）光敏二极管）光敏二极管PINPINPINPIN光敏二极管的工作电压高达光敏二极管的工作电压高达光敏二极管的工作电压高达光敏二极管的工作电压高达100V100V100V100V左右，比普通的光电二极左右，比普通的光电二极左右，比普通的光电二极左右，比普通的光电二极管光电转换效率高、灵敏度高、管光电转换效率高、灵敏度高、管光电转换效率高、灵敏度高、管光电转换效率高、灵敏度高、响应频率高，可用做光盘的读出响应频率高，可用做光盘的读出响应频率高，可用做光盘的读出响应频率高，可用做光盘的读出光敏元件。特殊结构的光敏元件。特殊结构的光敏元件。特殊结构的光敏元件。特殊结构的PINPINPINPIN光敏光敏光敏光敏二极管还可以用于测量紫外线、二极管还可以用于测量紫外线、二极管还可以用于测量紫外线、二极管还可以用于测量紫外线、射线及短距离光纤通信用射线及短距离光纤通信用射线及短距离光纤通信用射线及短距离光纤通信用APDAPD光敏二极管，又称雪崩光敏二极管，又称雪崩光敏二极管，又称雪崩光敏二极管，又称雪崩光敏二极管，具有内部倍增光敏二极管，具有内部倍增光敏二极管，具有内部倍增光敏二极管，具有内部倍增放大作用，工作电压高达上放大作用，工作电压高达上放大作用，工作电压高达上放大作用，工作电压高达上百伏，工作频率达几千兆赫，百伏，工作频率达几千兆赫，百伏，工作频率达几千兆赫，百伏，工作频率达几千兆赫，非常适用于微光信号检测和非常适用于微光信号检测和非常适用于微光信号检测和非常适用于微光信号检测和长距离光纤通信等长距离光纤通信等长距离光纤通信等长距离光纤通信等结构及工作原理结构及工作原理结构及工作原理结构及工作原理 光敏三极管有两个光敏三极管有两个光敏三极管有两个光敏三极管有两个PNPNPNPN结。与普通三极管相似，结。与普通三极管相似，结。与普通三极管相似，结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（极管的基极没有引出线，只有正负（极管的基极没有引出线，只有正负（极管的基极没有引出线，只有正负（c c c c、e e e e）两个引）两个引）两个引）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别区别区别区别新型光敏二级管新型光敏二级管新型光敏二级管新型光敏二级管a)a)a)a)内部组成；内部组成；内部组成；内部组成；b)b)b)b)管芯结构管芯结构管芯结构管芯结构 ；c c c c）结构简化图）结构简化图）结构简化图）结构简化图1111集电极引脚集电极引脚集电极引脚集电极引脚 2 2 2 2管芯管芯管芯管芯 3 3 3 3外壳外壳外壳外壳 4 4 4 4玻璃聚光镜玻璃聚光镜玻璃聚光镜玻璃聚光镜 5555发射极引脚发射极引脚发射极引脚发射极引脚 6N+6N+6N+6N+衬底衬底衬底衬底 7N 7N 7N 7N型集电区型集电区型集电区型集电区 8SiO2 8SiO2 8SiO2 8SiO2保护圈保护圈保护圈保护圈 9 9 9 9集电结集电结集电结集电结 10P 10P 10P 10P型基区型基区型基区型基区 11N 11N 11N 11N型发射区型发射区型发射区型发射区 12121212发射结发射结发射结发射结10/27/202210/27/20227项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速（2 2 2 2）光敏三极管）光敏三极管）光敏三极管）光敏三极管5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 光电器件光电器件光电器件光电器件3 3光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管特性特性特性特性检测方法检测方法检测方法检测方法应用电路应用电路应用电路应用电路4 4 4 4光电池光电池光电池光电池将入射光能量转换成将入射光能量转换成将入射光能量转换成将入射光能量转换成电压和电流电压和电流电压和电流电压和电流，属，属，属，属于于于于光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应元件，是元件，是元件，是元件，是自发电式自发电式自发电式自发电式有有有有源器件。它既可以作为源器件。它既可以作为源器件。它既可以作为源器件。它既可以作为输出电能的器输出电能的器输出电能的器输出电能的器件件件件，也可以作为一种，也可以作为一种，也可以作为一种，也可以作为一种自发电式的光电自发电式的光电自发电式的光电自发电式的光电传感器传感器传感器传感器，用于，用于，用于，用于检测光的强弱及能引起检测光的强弱及能引起检测光的强弱及能引起检测光的强弱及能引起光强变化的其他非电量光强变化的其他非电量光强变化的其他非电量光强变化的其他非电量。种类应用最。种类应用最。种类应用最。种类应用最多的是多的是多的是多的是硅硅硅硅光电池、光电池、光电池、光电池、硒硒硒硒光电池、光电池、光电池、光电池、砷化钾砷化钾砷化钾砷化钾光电池和光电池和光电池和光电池和锗锗锗锗光电池等光电池等光电池等光电池等功能特性功能特性功能特性功能特性工作原理及结构工作原理及结构工作原理及结构工作原理及结构特性：特性：特性：特性：光谱、光电、光照、温度光谱、光电、光照、温度光谱、光电、光照、温度光谱、光电、光照、温度10/27/202210/27/20228光电池外形光电池外形光电池外形光电池外形项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速能提供较大能提供较大能提供较大能提供较大电流的大面电流的大面电流的大面电流的大面积光电池外积光电池外积光电池外积光电池外形形形形5.2.3 5.2.3 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光量的变化光量的变化光量的变化光量的变化电量的变化电量的变化电量的变化电量的变化10/27/202210/27/20229【任务【任务【任务【任务1 1 1 1】在冷轧带钢厂中，带钢在某些工艺如连续酸洗、退火、镀锡等过程中在冷轧带钢厂中，带钢在某些工艺如连续酸洗、退火、镀锡等过程中在冷轧带钢厂中，带钢在某些工艺如连续酸洗、退火、镀锡等过程中在冷轧带钢厂中，带钢在某些工艺如连续酸洗、退火、镀锡等过程中易产生走偏。在其他工业部门如印染、造纸、胶片、磁带等生产过程中也会发生类易产生走偏。在其他工业部门如印染、造纸、胶片、磁带等生产过程中也会发生类易产生走偏。在其他工业部门如印染、造纸、胶片、磁带等生产过程中也会发生类易产生走偏。在其他工业部门如印染、造纸、胶片、磁带等生产过程中也会发生类似的问题。带材走偏时，边缘经常与传送机械似的问题。带材走偏时，边缘经常与传送机械似的问题。带材走偏时，边缘经常与传送机械似的问题。带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成次品。发生碰撞，易出现卷边，造成次品。发生碰撞，易出现卷边，造成次品。发生碰撞，易出现卷边，造成次品。实际中如何克服此种现象以提高产品的质量呢？实际中如何克服此种现象以提高产品的质量呢？实际中如何克服此种现象以提高产品的质量呢？实际中如何克服此种现象以提高产品的质量呢？任务与实施任务与实施任务与实施任务与实施项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器光电传感器光电传感器光电传感器带材走偏时，边缘经常带材走偏时，边缘经常带材走偏时，边缘经常带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，与传送机械发生碰撞，与传送机械发生碰撞，与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品易出现卷边，造成废品易出现卷边，造成废品易出现卷边，造成废品当带材处于正确位置（中间位当带材处于正确位置（中间位当带材处于正确位置（中间位当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压置）时，放大器输出电压置）时，放大器输出电压置）时，放大器输出电压U U U Uo o o o为为为为零；当带材左偏时，遮光面积零；当带材左偏时，遮光面积零；当带材左偏时，遮光面积零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑减小，输出电压反映了带材跑减小，输出电压反映了带材跑减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小偏的方向及大小偏的方向及大小偏的方向及大小10/27/202210/27/202210光电式带材跑偏检测控制器原理光电式带材跑偏检测控制器原理光电式带材跑偏检测控制器原理光电式带材跑偏检测控制器原理1 1 1 1 被测带材被测带材被测带材被测带材 2 2 2 2卷取电机卷取电机卷取电机卷取电机 3 3 3 3卷卷卷卷取辊取辊取辊取辊 4 4 4 4液压缸液压缸液压缸液压缸 5 5 5 5活塞活塞活塞活塞 6 6 6 6滑台滑台滑台滑台 7777光电检测装置光电检测装置光电检测装置光电检测装置 8 8 8 8光源光源光源光源 9 9 9 9、10101010透镜透镜透镜透镜 11-11-11-11-光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻R R R R1 1 1 1 12 12 12 12遮光罩遮光罩遮光罩遮光罩 指针将偏向左边还是右边？指针将偏向左边还是右边？指针将偏向左边还是右边？指针将偏向左边还是右边？项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速10/27/202210/27/202211带材纠偏系统带材纠偏系统带材纠偏系统带材纠偏系统项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速10/27/202210/27/202212【任务【任务【任务【任务2 2 2 2】在转速测量过程中，传统的机械式转速表和接触式电子转速表均会影响被在转速测量过程中，传统的机械式转速表和接触式电子转速表均会影响被在转速测量过程中，传统的机械式转速表和接触式电子转速表均会影响被在转速测量过程中，传统的机械式转速表和接触式电子转速表均会影响被测物的旋转速度，且被测旋转速度的大小也有一定的限制，不能很好满足自动化的要测物的旋转速度，且被测旋转速度的大小也有一定的限制，不能很好满足自动化的要测物的旋转速度，且被测旋转速度的大小也有一定的限制，不能很好满足自动化的要测物的旋转速度，且被测旋转速度的大小也有一定的限制，不能很好满足自动化的要求。如何在不干扰被测物体转动的前提下实现高转速测量呢？求。如何在不干扰被测物体转动的前提下实现高转速测量呢？求。如何在不干扰被测物体转动的前提下实现高转速测量呢？求。如何在不干扰被测物体转动的前提下实现高转速测量呢？项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速（a a a a）透光式）透光式）透光式）透光式 （b b b b）反射式）反射式）反射式）反射式光电脉冲转换电路光电脉冲转换电路光电脉冲转换电路光电脉冲转换电路10/27/202210/27/202213项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速10/27/202210/27/202214 光电式转速表光电式转速表光电式转速表光电式转速表 光电式转速表属于反射式光光电式转速表属于反射式光光电式转速表属于反射式光光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测电传感器，它可以在距被测电传感器，它可以在距被测电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量物数十毫米外非接触地测量物数十毫米外非接触地测量物数十毫米外非接触地测量其转速其转速其转速其转速 n=60(f/z)水泵转速测量水泵转速测量水泵转速测量水泵转速测量项目项目项目项目5 5 速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量速度与位移测量任务任务任务任务2 2 光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电传感器测量转速光电式转速表外形光电式转速表外形光电式转速表外形光电式转速表外形10/27/202210/27/202215