传感器之光电传感器.pptx

一、一、光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管 利用外光电效应制成的光电器件。（一）光电管（一）光电管光输入光输入 阳极阳极阴极阴极电电子子逸逸出出 电输出电输出光-以光速运动的粒子流。单个光子能量：普郎克常数普郎克常数光波频率光波频率光电管中的自由电子逸出条件：电子电子质量质量逸出逸出初速度初速度逸出功逸出功光波光波频率频率即光波频率光波频率光波波长光波波长或光速光速第1页/共30页光电管光电管测量电路：测量电路：可见，要使光电管中的自由电子逸出，频率不能太低，波长也不能太长。为入射光波长上限，也被称为“红限”。光光电电管管阴极阴极阳极阳极 电压输出电压输出光输入光输入第2页/共30页（二）光电倍增管（二）光电倍增管 光电倍增管具有放大光电子电流的能力。光电倍增管具10-1510-15级倍增电极，电位依次升高，使得阴极因接受光能而发射的电子逐级加速，且受光电子的数量逐级增多，形成较大的光电流。可用于微光测量。设单级的信号倍增率为 ，则多级的倍增率为 。光输入光输入 阳极阳极阴极阴极-+-+-+-+-第3页/共30页光电倍增管光电倍增管测量电路：测量电路：直流电源光线光线输输出出电电压压阴极阴极阳极阳极第4页/共30页二、二、光敏电阻光敏电阻 （一）工作原理（一）工作原理：由半导体材料构成，利用内光电效应而工作。光敏电阻当光线照射时，因材料中的电子空穴对增加，其电阻值会变小，当光照消失时，电阻会恢复原值。这种现象被称为光导效应。光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直流电压，也可以加交流电压工作。光照电路符号第5页/共30页（二）特性参数（二）特性参数 1.暗电阻与亮电阻 暗电阻-在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的暗阻大于等于0.1兆欧。暗电阻-在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于1000欧。2.伏安特性曲线 光敏电阻接在电路上，亮电流（大）与暗电流（小）之差被称为光电流。光敏电阻的亮电阻越大，暗电阻越小，灵敏度越高。光照度小光照度大第6页/共30页3.光电特性曲线-光照度与光电流之间的关系。4.光谱特性曲线-入射光频率与灵敏度之间的关系。光电特性光谱特性光照度光照度光光电电流流灵灵敏敏度度光波波长光波波长硫化镉硫化镉硫化跎硫化跎硫化铅硫化铅（紫外（紫外-紫紫-红红-红外）红外）第7页/共30页5.频率特性曲线-光频率与灵敏度之间的关系。6.温度特性曲线-温度对光谱特性的影响。频率特性（硫化铅）光谱温度特性硫化铅硫化铅硫化跎硫化跎 温度降低更适合检测波长长的信号温度降低更适合检测波长长的信号温度高温度高温度低温度低（紫外（紫外-紫紫-红红-红外）红外）第8页/共30页三、三、光敏晶体管光敏晶体管（一）工作原理（一）工作原理 1.光敏二极管：正常情况下，PN结反向是不导通的。当被光线照射时，PN结反向导通，可以感测光信号。NP电路符号结构示意基本电路第9页/共30页 2.光敏三极管：正常情况下，给PNP型三极管的集电极和发射极之间加正向电压，一个PN结（集电结）不导通，另一个PN结（发射结）导通。但当集电结被光线照射时，集电结会反向导通，造成三极管中出现放大电流，集电极和发射极之间导通。也可以感测光信号。无光照无输出无光照无输出有光照有输出有光照有输出+-第10页/共30页（二）基本特性（二）基本特性 1.光谱特性：一定照度下,光波波长与光敏管灵敏度的关系。2.伏安特性:不同照度下,输出电压电流关系。硅管锗管光谱特性（紫外（紫外-紫紫-红红-红外）红外）伏安特性光照度小光照度大第11页/共30页 3.光电特性：光照度-输出电流关系。一般光照加强电流增大。光敏二极管的线性度较好，光敏三极管会饱和。4.温度特性:一定照度下温度-电流关系。对亮电流、暗电流、输出电流影响程度不同。温度对亮电流小，对暗电流影响显著。4.频率特性:输入的调制光频率与输出灵敏度的关系。温度特性输出电流暗电流频率特性输出灵敏度第12页/共30页四、四、光电池光电池（一）工作原理（一）工作原理 光生伏特效应。（二）基本特性（二）基本特性 1.光谱特性：一定照度下,光波波长与光电池灵敏度的关系。（紫外（紫外-紫紫-红红-红外）红外）硅光电池硒光电池光线照射光线照射发电发电电路符号电路符号受光范围宽受光范围宽受光范围窄受光范围窄第13页/共30页 2.光电特性:光照度与输出电动势、输出电流之间的关系。3.温度特性 指开路电压、短路电流与温度变化的关系。4.频率特性:指输入的调制光频率与输出电流的关系。硅光电池的频率特性较好，频率上限约几万Hz。开路电压开路电压短路电流短路电流输出电动势输出电动势短路输出电流短路输出电流第14页/共30页第二节第二节 光电传感器与光电检测光电传感器与光电检测一、一、光电传感器的类型光电传感器的类型 光电传感器组成：被测量使得光通亮连续变化，输出光电流也连续变化。（一）模拟式光电传感器（一）模拟式光电传感器被测量第15页/共30页模拟式光电传感器的四种形式：模拟式光电传感器的四种形式：被测量是光源（测光源温度）被测量是光源（测光源温度）被测量吸收光通亮（测厚）被测量吸收光通亮（测厚）光源被投射光源被投射-反射反射（测表面粗糙度等）（测表面粗糙度等）光源被运动物体阻挡光源被运动物体阻挡（测尺寸和位置）（测尺寸和位置）第16页/共30页（二）脉冲式光电传感器（二）脉冲式光电传感器 光信号断续变化，光电元件输出的也断续变化。只有两种状态。常用于计数或测速。二、二、光电传感器的常用光源光电传感器的常用光源（一）发光二极管：（一）发光二极管：电能 光能。（二）钨丝灯泡：（二）钨丝灯泡：发射红外光。（三）激光（三）激光三、三、光电转换电路光电转换电路1.光敏电阻测量电路2.光敏晶体管测量电路3.光电池测量电路4.使用运算放大器的光敏元件测量电路。第17页/共30页光敏电阻光敏电阻测量电路测量电路光敏晶体管光敏晶体管测量电路测量电路光线增强光线增强电阻减小电阻减小基极电压基极电压输出电压输出电压感光感光感温感温不感光不感光感温感温输出输出与光通亮与光通亮成比例成比例光线增强光线增强电压变小电压变小第18页/共30页光电池光电池测量电路测量电路光线增强光线增强电压变大电压变大光线增强光线增强电压变大电压变大光线增强光线增强电压变大电压变大第19页/共30页使用运算放大器的光敏元件测量电路使用运算放大器的光敏元件测量电路光线增强光线增强PNPN导通导通负电压输入负电压输入光线增强光线增强短路电路短路电路增大增大光线强弱光线强弱影响放大倍数影响放大倍数第20页/共30页二、二、光电检测实例光电检测实例 （一）（一）WDS型光电比色高温计：型光电比色高温计：通过辐射体在两个不同波长上的辐射能量之比，测定辐射体的温度。非接触式，可测量高温。辐射体物镜瞄准反射镜光导棒不可见光可见光光阑分光镜比例计算人工观测反射镜目镜棱镜变送器记录仪第21页/共30页 （二）光电比色计（二）光电比色计 用于溶液的颜色、成分、浑浊度等化学分析。标准样品标准样品 受检样品受检样品光源光源凸透镜凸透镜凸透镜凸透镜滤色滤色滤色滤色光电池光电池光电池光电池差值差值差动放大器差动放大器显示仪表显示仪表第22页/共30页 （三）光电式带材测厚跑偏检测仪（三）光电式带材测厚跑偏检测仪 检测带材加工过程中偏离正确位置的情况。光源光源不反射带材不反射带材光源光源凸透镜凸透镜凸透镜凸透镜反射镜反射镜半透膜半透膜反射镜反射镜 光敏光敏三极管三极管正确位置电桥平衡正确位置电桥平衡U U0 0=0=0左或右偏左或右偏U UO O都会改变。都会改变。电桥电桥第23页/共30页 （四）光电式转速仪（四）光电式转速仪 1 1）反射式光电转速仪 电信号电信号 光信号光信号凸透镜凸透镜半透膜片半透膜片聚焦透镜聚焦透镜凸透镜凸透镜光源光源测测量量电电路路计计数数器器不反光位置电桥平衡不反光位置电桥平衡U U0 0=0=0反光位置输出电脉冲。反光位置输出电脉冲。第24页/共30页2 2）直射式光电转速仪 测测量量电电路路计计数数器器光信号光信号 电信号电信号 凸透镜凸透镜指示透镜指示透镜光源光源旋转盘旋转盘不透光位置电桥平衡不透光位置电桥平衡U U0 0=0=0透光位置输出电脉冲。透光位置输出电脉冲。第25页/共30页 （五）光电检测的其他应用举例（五）光电检测的其他应用举例布料宽度检测、有无检测布料宽度检测、有无检测两台行车的两台行车的安全距离检测安全距离检测空箱检测及推出处理空箱检测及推出处理被长距传送的金属板检测被长距传送的金属板检测第26页/共30页第三节第三节 光导纤维传感器光导纤维传感器一、一、光纤传感器工作原理光纤传感器工作原理（利用光的完全内反射原理）（利用光的完全内反射原理）象电路传输电信号一样，光导纤维可以传输光信号。主要应用于通讯领域。使用光导纤维的传感器被称为光纤传感器。光纤传感器传光型：作为光学通路传输光信号。功能型：被测信号 光纤及传输特性变化。包层包层2.2.光导光导纤维纤维低折射率低折射率高折射率高折射率1.1.光源光源3.3.光探光探测器测器第27页/共30页 光纤传感器的优点光纤传感器的优点:1)1)性能好、耐腐蚀、不受电磁干扰，环境适应性强。2 2）检测灵敏度高、精度高，便于利用光通信电路进行远距离测量。3 3）光纤细、可挠曲，可以进入设备内部或人体内脏进行测量。二、二、光纤传感器的应用光纤传感器的应用1.1.光纤位移传感器光纤位移传感器(传光型传光型)光源光源接受光缆接受光缆发射光缆发射光缆输出特性输出特性感光元件感光元件距离决定反射光强度距离决定反射光强度第28页/共30页 2.2.光纤压力传感器光纤压力传感器(功能型功能型)光纤微量弯曲时传输光的强度衰减，被称为微弯损耗效应。激光激光光探测器光探测器光源光源固定板固定板活动板活动板 压力压力光纤光纤光纤光纤第29页/共30页感谢您的观看！第30页/共30页