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第第6 6章章 光电传感器及其应用光电传感器及其应用 本章学习光电效应、光电元器件的结构、本章学习光电效应、光电元器件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，掌握光电开关及光电断续器的使用。掌握光电开关及光电断续器的使用。光电传感器光电传感器是将被测量的变化转换成光信号的是将被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过变化，然后通过光电元件光电元件转换成电信号，光电传感转换成电信号，光电传感器属于器属于非接触测量非接触测量。7/22/20241 电磁波辐射波谱电磁波辐射波谱可见光可见光频率频率/Hz/Hz波长波长/m/m无线无线电波电波105 红外线红外线 1010紫外线紫外线1015X射线射线1020宇宙射线宇宙射线1025 3103m310-2m310-7m310-12m310-17m7/22/20242 1905年德国物理年德国物理学家学家爱因斯坦爱因斯坦用用光量光量子学说子学说解释了光电发解释了光电发射效应，并为此而获射效应，并为此而获得得1921年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖。学奖。7/22/202436.1 6.1 光电效应及光电元器件光电效应及光电元器件一、光电效应及分类一、光电效应及分类 每一个光子具有一定的能量，光子的能量每一个光子具有一定的能量，光子的能量E Ehf，其中其中h为为普朗克常数普朗克常数，f为光的频率。因此，为光的频率。因此，光的频光的频率越高，光子的能量也就越大。率越高，光子的能量也就越大。光电效应光电效应 光照射在某一物体上，可以看作物体受到光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为一连串能量为hf的光子的轰击，被照射物体的材料的光子的轰击，被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应吸收了光子的能量而发生相应电效应电效应的物理现象。的物理现象。7/22/20244外光电效应外光电效应 在光线作用下能使在光线作用下能使电子从物电子从物 体表面逸出。体表面逸出。内光电效应内光电效应 在光线作用下能使在光线作用下能使物体电阻物体电阻 率发生变化。率发生变化。光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下，物体在光线作用下，物体产生一产生一 定方向电动势。定方向电动势。光电发射效应光电发射效应光电导光电导效应效应分类：分类：7/22/20245二、光电元件、特性及基本测量电路二、光电元件、特性及基本测量电路（一）光电管、光电倍增管（一）光电管、光电倍增管 1 1、光电管、光电管 原理：基于原理：基于外光电效应外光电效应。组成：光电管由组成：光电管由真空玻璃管、光电阴极真空玻璃管、光电阴极K K和和光电阳光电阳极极A A组成。组成。7/22/20246 当一定频率的当一定频率的光光照射到照射到光电阴极光电阴极上时，光电阴极上时，光电阴极吸收了光子的能量便有电吸收了光子的能量便有电子逸出而形成子逸出而形成光电子光电子。这。这些光电子被具有正电位的些光电子被具有正电位的阳极阳极所吸引，因而在光电所吸引，因而在光电管内便形成定向空间管内便形成定向空间电子电子流流，外电路就有了电流。，外电路就有了电流。光电管的结构光电管的结构7/22/20247 如右图，在电路中串如右图，在电路中串入一个适当的电阻，则入一个适当的电阻，则电路中的电流便转换为电路中的电流便转换为电阻上的电压。电阻上的电压。电流或电压的变化与电流或电压的变化与光成一定的函数关系光成一定的函数关系，从而实现了从而实现了光电转换光电转换。光电管符号及测量电路光电管符号及测量电路7/22/20248 2 2、光电倍增管、光电倍增管 光电阴极和阳极之间增加了若干个光电阴极和阳极之间增加了若干个光电倍增极光电倍增极D D，且外加电位逐级升高，因而逐级产生二次电子发，且外加电位逐级升高，因而逐级产生二次电子发射而获得射而获得倍增光电子倍增光电子，使得最终到达阳极的光电子，使得最终到达阳极的光电子数目猛增。数目猛增。适合适合微光微光测量测量,灵敏度高。灵敏度高。7/22/20249光电特性光电特性 指当阳极电压一定时，指当阳极电压一定时，光光电流电流I I与光电阴极接收到与光电阴极接收到的的光通量光通量之间的关系；之间的关系；光谱特性光谱特性由于不同材料的光电阴极由于不同材料的光电阴极对对不同波长的入射光不同波长的入射光有不有不同的同的灵敏度灵敏度，因此光电管，因此光电管对光谱也有选择性；对光谱也有选择性；伏安特性伏安特性 当入射光的频谱及光通量当入射光的频谱及光通量一定时，一定时，光电流光电流与与阳极电阳极电压压之间的关系称伏安特性之间的关系称伏安特性铯氧银铯氧银锑化铯锑化铯光电管的阳极电压应选择在光电管的阳极电压应选择在U UQ Q附近附近,I I才稳定才稳定3 3、特性和参数、特性和参数7/22/202410(二二)光敏电阻光敏电阻 其原理是基于其原理是基于内光电效应内光电效应。是一种没有极性的纯电。是一种没有极性的纯电阻器件。阻器件。它的结构简单，在它的结构简单，在半导半导体光敏材料体光敏材料的两端引出电极，的两端引出电极，再将其封装在透明管壳内就再将其封装在透明管壳内就构成光敏电阻。构成光敏电阻。光敏电阻器是利用光敏电阻器是利用半导体的光电效应半导体的光电效应制成的一种制成的一种电电阻值随入射光的强弱而改变阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。阻减小，入射光弱，电阻增大。7/22/202411光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻当光敏电阻受到光照时，受到光照时，光生电子光生电子空空穴对增加，穴对增加，阻阻值减小，电流值减小，电流增大。增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）7/22/202412光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时，阻值减小。阻值减小。为提高灵敏度，两电极为提高灵敏度，两电极做成梳状，以增大极板做成梳状，以增大极板面积。面积。7/22/202413光敏电阻的基本应用电路光敏电阻的基本应用电路 a a）U U与光照变化趋势相同的电路与光照变化趋势相同的电路 b b）U U与光照变化趋势相反的电路与光照变化趋势相反的电路 7/22/2024141.1.暗电阻、亮电阻及光电流暗电阻、亮电阻及光电流暗电阻暗电阻：指光敏电阻置于：指光敏电阻置于室温、全暗室温、全暗条件下，经过条件下，经过一段时间稳定后测得的一段时间稳定后测得的阻值阻值，这时在给定的电压，这时在给定的电压下测得的电流称为下测得的电流称为暗电流暗电流。亮电阻亮电阻：光敏电阻置于：光敏电阻置于室温室温和和一定光照一定光照条件下测得条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，这时在给定工作电压的稳定电阻值称为亮电阻，这时在给定工作电压下的电流称为下的电流称为亮电流亮电流。光电流光电流：亮电流与暗电流之差亮电流与暗电流之差称光敏电阻的光电流称光敏电阻的光电流I I,暗阻值与亮阻值差值越大，光敏电阻性能越好，暗阻值与亮阻值差值越大，光敏电阻性能越好，灵敏度也越高。灵敏度也越高。7/22/202415 2.2.光照特性光照特性 光敏电阻的光敏电阻的光电流光电流I I与与光通量光通量的关系。由于的关系。由于光敏电阻的光照特性呈光敏电阻的光照特性呈非线性非线性，因此不能用于光，因此不能用于光的精密测量，只能用作的精密测量，只能用作开关式开关式的光电转换器。的光电转换器。7/22/2024163.3.光谱特性光谱特性 光敏电阻对于光敏电阻对于不同波长不同波长的入射光的入射光，其相对，其相对灵敏灵敏度度K K也是不同的。因此，也是不同的。因此，在选用光敏电阻时，应考在选用光敏电阻时，应考虑虑光源的发光波长光源的发光波长与光敏与光敏电阻的电阻的光谱特性峰值的波光谱特性峰值的波长长相接近，这样才能获得相接近，这样才能获得高的灵敏度。高的灵敏度。7/22/2024174.4.伏安特性伏安特性 光敏电阻的伏安特性为光敏电阻的伏安特性为线性线性关系，且关系，且不同照度不同照度下，下，其其斜率不同斜率不同。同一般电阻一样，光敏电阻也有。同一般电阻一样，光敏电阻也有最大功最大功率率，超过额定功率将会导致光敏电阻永久性的损坏。，超过额定功率将会导致光敏电阻永久性的损坏。7/22/2024185.5.响应时间响应时间 光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，尽管不同材料的光敏电阻具有不同的响应时滞后，尽管不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，但都存在着这种间，但都存在着这种时延时延特性。因此，光敏电阻不特性。因此，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。能用在要求快速响应的场合。6.6.温度特性温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度的影受温度的影响较大响较大，随着温度的升高，它的暗电阻与灵敏度，随着温度的升高，它的暗电阻与灵敏度都下降。都下降。7/22/202419（三）光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管（三）光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管1 1结构与工作原理结构与工作原理光敏二极管光敏二极管 结构示意及符号结构示意及符号 光敏二极管的结构光敏二极管的结构和普通二极管相似，和普通二极管相似，只是其只是其PNPN结装在透明结装在透明管壳的顶部，可以直管壳的顶部，可以直接接受到光的照射。接接受到光的照射。7/22/202420工作原理基于工作原理基于内光电效应。内光电效应。光敏二极管在电路中光敏二极管在电路中必须反必须反向偏置向偏置。u无光照时：电路中只有很无光照时：电路中只有很小的反向饱和漏电流，称小的反向饱和漏电流，称暗暗电流电流。u有光照时：有光照时：PNPN结受到光子结受到光子的轰击，激发形成光子的轰击，激发形成光子空空穴对，在反向电压的作用下，穴对，在反向电压的作用下，反向电流大大增加，形成反向电流大大增加，形成光光电流电流。即反向偏置的即反向偏置的PNPN结受光照控制结受光照控制7/22/202421光敏二极管外形光敏二极管外形 将光敏二极管的将光敏二极管的PN 结设置在结设置在透明管壳透明管壳顶部顶部的正下方，光照射到光的正下方，光照射到光敏二极管的敏二极管的PN结时，电结时，电子子-空穴对数量增加，空穴对数量增加，光电流与照度成正比光电流与照度成正比。7/22/202422光敏二极管外形光敏二极管外形 7/22/202423光敏三极管光敏三极管 光敏三极管是在光敏二极管的基础上形成的。光敏三极管是在光敏二极管的基础上形成的。由于它具有放大作用，所以具有由于它具有放大作用，所以具有更高的灵敏度更高的灵敏度。和普通三极管一样，光敏三极管分和普通三极管一样，光敏三极管分PNPPNP和和NPNNPN两种两种类型，有两个类型，有两个PNPN结。结。多数光敏三极管的基极没有引出线，多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负只有正负（c c、e e）两个引脚）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。似，从外观上很难区别。7/22/202424光敏三极管外形光敏三极管外形 7/22/202425 在电路中，同普通三极管的在电路中，同普通三极管的放大状态放大状态一样，集电结一样，集电结反偏，发射结正偏。反偏，发射结正偏。反偏的集电结受光照控反偏的集电结受光照控制，光电转换原理同光制，光电转换原理同光敏二极管，敏二极管，产生的光电产生的光电流相当于普通三极管的流相当于普通三极管的基极电流。基极电流。因而在集电因而在集电极上则产生极上则产生倍的光电倍的光电流，所以光敏三极管比流，所以光敏三极管比光敏二极管有着更高的光敏二极管有着更高的灵敏度。灵敏度。结构图结构图 等效电路等效电路 图形符号图形符号7/22/202426射极输出的电压与光照的变化趋势相同；射极输出的电压与光照的变化趋势相同；集电极输出的电压与光照的变化趋势相反。集电极输出的电压与光照的变化趋势相反。光敏三极管的应用电路光敏三极管的应用电路7/22/202427将光敏三极管与另一将光敏三极管与另一只普通三极管做在一只普通三极管做在一个管壳里，称为个管壳里，称为达林达林顿光敏三极管顿光敏三极管。它有更高的灵敏度，它有更高的灵敏度，即：即：1 12 2复合管复合管7/22/202428光敏晶闸管光敏晶闸管 光敏晶闸管是由入射光触发而导通的可控硅，简称光敏晶闸管是由入射光触发而导通的可控硅，简称光控晶光控晶闸管闸管。它有三个引出电极，即。它有三个引出电极，即阳极阳极a a、阴极阴极k k和和门极门极g g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极接电源正极，它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到反偏的当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到反偏的PNPN结上结上时，将产生时，将产生门极电流门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。通状态。光敏晶闸管的特点是：光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多导通电流比光敏三极管大得多，工，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。检测控制。7/22/202429 反偏的反偏的PNPN结在透明管结在透明管壳的顶部，相当于受光壳的顶部，相当于受光照控制的光敏二极管。照控制的光敏二极管。当光照射在当光照射在J J2 2产生的光产生的光电流相当于普通的晶闸电流相当于普通的晶闸管的管的门极电流门极电流，当光电，当光电流大于某一阈值时，光流大于某一阈值时，光敏晶闸管触发敏晶闸管触发导通导通。7/22/202430光敏晶闸管外形光敏晶闸管外形光敏面光敏面7/22/2024312 2光敏晶体管的基本特性光敏晶体管的基本特性光谱特性光谱特性 不同材料的光敏晶体管不同材料的光敏晶体管对对不同波长的入射光不同波长的入射光其其相对相对灵敏度灵敏度K Kr r是不同的是不同的 即使是同一材料，只要即使是同一材料，只要PNPN结的厚度结的厚度不同，也能不同，也能得到不同的光谱特性。得到不同的光谱特性。硅光敏晶体管硅光敏晶体管7/22/202432伏安特性伏安特性a)a)光敏二极光敏二极管伏安特性管伏安特性 b)b)光敏三极光敏三极管伏安特性管伏安特性 流过它的流过它的电流与光照度电流与光照度成正比成正比，且在相当范围内，且在相当范围内与反向偏置电压与反向偏置电压U Uo o无关。无关。当当U Uo o0 0时，只要有光照，时，只要有光照，仍然有电流，此时把它看仍然有电流，此时把它看作作光电池光电池，只不过其，只不过其PNPN结结面积小，光电效应很低而面积小，光电效应很低而已，光敏二极管正常使用已，光敏二极管正常使用时应施加时应施加1.5V1.5V以上的反向以上的反向工作电压。工作电压。形状与一般三极管的输形状与一般三极管的输出特性相似，只不过将不出特性相似，只不过将不同的同的基极电流换作不同的基极电流换作不同的光照度光照度即可。即可。7/22/202433光电特性光电特性 0光照光照 光光电电流流光敏光敏 三极管三极管光敏光敏 二极管二极管3000lx4mA0.3mAIE 光电流与光照度成线性关系。光电流与光照度成线性关系。灵敏度比较灵敏度比较?7/22/202434响应时间响应时间 硅光敏二极管的响应时间约为硅光敏二极管的响应时间约为10105 510107 7s s左右，左右，光敏三极管的响应时间则比相同材料的二极管约慢一光敏三极管的响应时间则比相同材料的二极管约慢一个数量级，而锗管的响应时间要比硅管小一个数量级。个数量级，而锗管的响应时间要比硅管小一个数量级。因此在要求快速响应或入射光调制频率（明暗交替频因此在要求快速响应或入射光调制频率（明暗交替频率）较高时，应选用率）较高时，应选用硅光敏二极管硅光敏二极管。温度特性温度特性 硅管的暗电流比锗管小几个数量级，所以在硅管的暗电流比锗管小几个数量级，所以在微光测微光测量量中应采用硅管。另外硅光敏三极管的温漂大，在中应采用硅管。另外硅光敏三极管的温漂大，在高精度高精度测量中应选择测量中应选择硅光敏二极管硅光敏二极管。7/22/202435（四）光电池（四）光电池 光电池的工作原理基于光电池的工作原理基于光生伏特效应光生伏特效应,它是把它是把光能直接转换成电能的半导体光电器件。光能直接转换成电能的半导体光电器件。其中应用最广泛的是其中应用最广泛的是硅光电池硅光电池，硅光电池性能，硅光电池性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递（转换）稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递（转换）效率高且价格便宜。效率高且价格便宜。7/22/202436 在在N型衬底型衬底上上制造一薄层制造一薄层P型型层层作为光照敏感作为光照敏感面，就构成最简面，就构成最简单的光电池。单的光电池。1 1结构及工作原理结构及工作原理 当入射光子的能量足够大时，当入射光子的能量足够大时，P型区型区每吸收一个光子就产每吸收一个光子就产生一对光生电子生一对光生电子空穴对，光生电子空穴对，光生电子空穴对的扩散运动使空穴对的扩散运动使电子电子通过漂移运动被拉到通过漂移运动被拉到N型区型区，空穴留在，空穴留在P区，所以区，所以N区带区带负电，负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的结两侧就有一个稳定的光生电动势光生电动势输出。输出。7/22/202437光电池光电池外形外形光敏面光敏面7/22/202438能提供较大电流的大能提供较大电流的大面积光电池面积光电池外形外形7/22/2024392 2基本特性基本特性光谱特性光谱特性 硅光电池的响应波长约在硅光电池的响应波长约在0.450.451.1m1.1m范围，而范围，而硒光电池约在硒光电池约在0.340.340.57m0.57m范围。可见范围。可见硅光电池硅光电池可可以在很宽的波长范围内得到应用。以在很宽的波长范围内得到应用。两者不仅光谱两者不仅光谱波波峰位置峰位置不同不同,而而且且光谱响应波长光谱响应波长范围范围也不同。也不同。7/22/202440光电特性光电特性其中曲线其中曲线1 1是光电池负载是光电池负载开路时的开路时的开路电压开路电压与光照与光照度的关系曲线，显然这是度的关系曲线，显然这是非线性非线性关系，起始电压上关系，起始电压上升很快，在升很快，在2000lx2000lx以上便以上便趋于饱和趋于饱和 曲线曲线2 2是当负载短路时的是当负载短路时的短路电流短路电流与光照度的关系与光照度的关系曲线，可见为曲线，可见为线性线性关系。关系。当随着负载电阻的增加，当随着负载电阻的增加，这种线性关系将变差。这种线性关系将变差。7/22/202441频率特性频率特性 频率特性是指入频率特性是指入射光的调制频率射光的调制频率与与光电池输出电光电池输出电流流间的关系。间的关系。硅光电池具有较硅光电池具有较高的频率响应，高的频率响应，而硒光电池的频而硒光电池的频率特性较差。率特性较差。7/22/202442光电池的开路电光电池的开路电压与短路电流压与短路电流随随温度变化温度变化的特性。的特性。开路电压随温度开路电压随温度增加而下降的速增加而下降的速度较快，而短路度较快，而短路电流随温度上升电流随温度上升而缓慢增加。而缓慢增加。温度特性温度特性7/22/2024433 3光电池短路电流测量电路光电池短路电流测量电路 图为光电池短路电流测量的实用电路，即图为光电池短路电流测量的实用电路，即I/VI/V转换电路。转换电路。运算放大器相当于光电池的负运算放大器相当于光电池的负载，由于运算放大器的开环放载，由于运算放大器的开环放大倍数大倍数A Aodod，A A为虚地。为虚地。作为光电池的负载满足了短路作为光电池的负载满足了短路条件。所以条件。所以I IRfRfI I。输出电压输出电压U Uo o为：为：U Uo oU UR Rf fI IR Rf f 输出电压输出电压U Uo o与光电流与光电流I I正比，正比，从而达到从而达到I/UI/U转换转换的目的。的目的。7/22/202444光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型 太阳能太阳能 硅光电池板硅光电池板7/22/202445光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电太阳能发电7/22/202446光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用7/22/202447 休休 息息 一一 下下7/22/2024486.2 6.2 光电开关及光电断续器光电开关及光电断续器 光电开关及光电断续器是光电开关及光电断续器是开关式光电传感器开关式光电传感器的常用的常用元件，元件，主要用来检测物体的靠近、通过等状态，广泛主要用来检测物体的靠近、通过等状态，广泛用于生产流水线、自动控制等各方面用于生产流水线、自动控制等各方面开关量开关量的检测。的检测。从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由别，都是由红外线发射元件红外线发射元件与与光敏接收元件光敏接收元件组成。组成。只是光电断续器是只是光电断续器是整体结构整体结构，其检测距离只有几毫，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。十米。7/22/202449 光电开关可分为光电开关可分为直射型直射型和和反射型反射型两大类。两大类。直射型光电开关直射型光电开关 直射型光电开关的发射器和接收器相对安放，直射型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有轴线严格对准。当有物体在两者中间物体在两者中间通过时，红通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个个负脉冲信号负脉冲信号。直射型光电开关的检测距离一般可达十几米，直射型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。对所有能遮断光线的物体均可检测。一、光电开关一、光电开关7/22/202450直射型光电开关示意图直射型光电开关示意图遮断报警遮断报警7/22/202451直射型光电开关原理直射型光电开关原理Receiver 直直射射式式光光电电开开关关由由相相互互分分离离且且相相对对安安装装的的光光发发射射器器和和光光接接受受器器组组成成。当当被被检检测测物物体体位位于于发发射射器器和和接接受受器器之之间间时时，光光线线被被阻阻断断，接接受受器器接接受受不不到到红红外外线线而而产生产生开关信号开关信号。被检测物体光发射器光接收器7/22/202452 光电开关外形光电开关外形7/22/202453光电开关在流水线上的应用光电开关在流水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口直射式光电开关直射式光电开关（计数）（计数）7/22/202454光幕光幕 两个柱形结两个柱形结构相对而立，构相对而立，每隔数十毫米每隔数十毫米安装一对安装一对发光发光二极管二极管和和光敏光敏接收管接收管，形成，形成光幕光幕，当有物，当有物体遮挡住光线体遮挡住光线时，传感器发时，传感器发出报警信号。出报警信号。接收器接收器7/22/202455 当有物体遮当有物体遮挡住光线时，挡住光线时，传感器发出报传感器发出报警信号，起警信号，起保保护、预警护、预警等作等作用。用。光线被遮断（报警）光线被遮断（报警）光幕应用光幕应用7/22/202456 光幕应用（续）光幕应用（续）产品高度测量产品高度测量7/22/202457 光幕应用（续）光幕应用（续）安全区示警安全区示警7/22/202458反射型光电开关反射型光电开关 反射型光电开关分为两种情况：反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型反射镜反射型及及被测物漫反射型被测物漫反射型（简称散射型）。（简称散射型）。反射镜反射型光电开关采用反射镜反射型光电开关采用较为方便较为方便的单侧安的单侧安装方式，但需要装方式，但需要调整反射镜的角度调整反射镜的角度以取得最佳的以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感。检测距离一般为几米。角度的变化不太敏感。检测距离一般为几米。散射型安装散射型安装最为方便最为方便，但检测距离更小，只有，但检测距离更小，只有几百毫米。几百毫米。7/22/202459反射镜反射镜反射型反射型光电开关工作原理光电开关工作原理 反射镜反射镜反射型反射型光电开关集光光电开关集光发射器和光接受器于一体，与发射器和光接受器于一体，与反射镜反射镜相对安装配合使用。反相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。镜反射回来的偏振光。反射板反射镜反射镜被测物体偏振光偏振光发射光发射光7/22/202460被测物漫反射型被测物漫反射型光电开关原理光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线 漫反射型光电开漫反射型光电开关关集光发射器和光集光发射器和光接收器于一体。当接收器于一体。当被测物体经过该光被测物体经过该光电开关时，发射器电开关时，发射器发出的光线经发出的光线经被测被测物体表面反射物体表面反射由接由接受器接受，于是产受器接受，于是产生开关信号。生开关信号。额定距离额定距离7/22/202461定区域反射式光电开关原理定区域反射式光电开关原理 定区域式光电开关定区域式光电开关有一个非常确定的有一个非常确定的检检测区域测区域，不经过该区，不经过该区域的被测物体不会引域的被测物体不会引起光电开关产生开关起光电开关产生开关信号。信号。检测距离检测距离7/22/202462表面反射率表面反射率 对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回接收器，所以物表面将足够的光线反射回接收器，所以检测距检测距离离和被检测物体的表面和被检测物体的表面反射率反射率及及粗糙程度粗糙程度将决定将决定接收器接收到光线强度，被检测物体的表面还应接收器接收到光线强度，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。尽量垂直于光电开关的发射光线。7/22/202463反射型光电开关外形反射型光电开关外形电源电源指示指示信号信号指示指示7/22/202464反射型光电开关外形反射型光电开关外形（续）（续）灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器7/22/202465光电开关应用光电开关应用透明度测量、控制透明度测量、控制质量检测质量检测7/22/202466 光电开关应用（续）光电开关应用（续）加工控制加工控制7/22/202467光电传感器的其他用途（续）光电传感器的其他用途（续）断裂检测断裂检测电梯自动运行电梯自动运行条件判断条件判断7/22/202468漫反射型漫反射型光电开关的应用光电开关的应用7/22/202469自动干手机自动干手机自动干手机是一种使用很普遍的电器，用来干自动干手机是一种使用很普遍的电器，用来干燥手或物品。在这里红外线反射型传感器直接通燥手或物品。在这里红外线反射型传感器直接通过延时电路控制固态继电器，带动电炉丝和风扇过延时电路控制固态继电器，带动电炉丝和风扇工作。工作。同样的电路，将负载换成电磁阀，就可同样的电路，将负载换成电磁阀，就可以组成冲便卫生洁具。以组成冲便卫生洁具。7/22/202470自动取款机的保护玻璃控制器自动取款机的保护玻璃控制器当有人站在取款机前时红外线反射型传感器输当有人站在取款机前时红外线反射型传感器输出高电平，并通过出高电平，并通过RCRC网络延时数秒，确认来人是网络延时数秒，确认来人是取款而不是经过时，给取款而不是经过时，给PCPC机送去高电平，由机送去高电平，由PCPC控控制电机启动，保护玻璃抬起。制电机启动，保护玻璃抬起。当取款人走后，红外线反射型传感器转为低电当取款人走后，红外线反射型传感器转为低电平，平，RCRC网络在数秒后也输出低电平，网络在数秒后也输出低电平，PCPC再控制电再控制电机使保护玻璃降下来。从而完成对自动取款机的机使保护玻璃降下来。从而完成对自动取款机的保护。保护。7/22/202471直射型直射型当有物体在两者中间当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接通过时，红外光束被遮断，接收器因接收不到红外线而产生收器因接收不到红外线而产生一个电脉冲信号。这种光电开一个电脉冲信号。这种光电开关检测距离最大可达关检测距离最大可达十几米十几米 反射镜反射型反射镜反射型单侧安装，但反单侧安装，但反射镜型安装时应根据被测物体的距射镜型安装时应根据被测物体的距离调整反射镜的角度以取得最佳的离调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果，它的检测距一般为反射效果，它的检测距一般为几米几米 散射型散射型只要不是全黑的物体只要不是全黑的物体均能产生漫反射均能产生漫反射,散射型的检散射型的检测距离更小，只有测距离更小，只有几百毫米几百毫米。总结：总结：7/22/202472 光电断续器可分为光电断续器可分为直射型直射型和和反射型反射型两种。两种。光电断续器的工作原理与光电开关相同，结构上光电断续器的工作原理与光电开关相同，结构上将光电发射器、光电接收器做在体积很小的同一将光电发射器、光电接收器做在体积很小的同一塑塑料壳体料壳体中。中。直射型（也称槽式）直射型（也称槽式）通常是标准的通常是标准的U U字型结构。字型结构。槽宽、槽深及光敏元件已有系列化产品，可供选择。槽宽、槽深及光敏元件已有系列化产品，可供选择。二、光电断续器二、光电断续器7/22/202473 直射型光电断续器通常是直射型光电断续器通常是标准的标准的U U字型字型结构。结构。其发射器和接收器做在体其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，积很小的同一塑料壳体中，分别位于分别位于U U型槽的两边，并型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了对准，为安装和使用提供了方便。方便。当被检测物体经过当被检测物体经过U U型槽型槽且阻断光轴时，光电开关就且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信产生表示检测到的开关量信号。号。直射型直射型反射型反射型7/22/202474反射式反射式光电光电断续器断续器 光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。体化设备、办公设备和家用电器中。7/22/202475光电断续器外形光电断续器外形7/22/202476 齿盘每转过齿盘每转过一个齿，光电一个齿，光电断续器就输出断续器就输出一个脉冲。通一个脉冲。通过脉冲频率的过脉冲频率的测量或脉冲计测量或脉冲计数，即可获得数，即可获得齿盘转速和角齿盘转速和角位移。位移。光电断续器的应用光电断续器的应用请写出转速与频率的关系式请写出转速与频率的关系式n=？n7/22/202477 休休 息息 一一 下下7/22/202478 光电式传感器由光电式传感器由光源光源、光学元器件光学元器件和和光电元器光电元器件件组成光路系统，结合相应的组成光路系统，结合相应的测量转换电路测量转换电路而构而构成。成。光电式传感器按其输出量可分为模拟式和脉冲光电式传感器按其输出量可分为模拟式和脉冲式两类。式两类。模拟式：光电流是被测非电量的函数。模拟式：光电流是被测非电量的函数。脉冲式：光电元器件的输出仅有脉冲式：光电元器件的输出仅有“通通”与与“断断”两种稳定的开关状态。两种稳定的开关状态。6.36.3 光电式传感器的应用光电式传感器的应用7/22/202479一、模拟式光电传感器一、模拟式光电传感器 根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长1 1、2 2上的上的辐射强度辐射强度、之比之比与该与该物体的温度物体的温度成成指数关系指数关系:1 1光电比色温度计光电比色温度计 =我们只要测出我们只要测出与与之比，就可根据上式之比，就可根据上式算出物体的温度算出物体的温度T T。7/22/202480分光镜分光镜的功能是使红外光的功能是使红外光通过，可见光反射。通过，可见光反射。滤光片滤光片1010它只让红外它只让红外光中的某一特定波长光中的某一特定波长1 1的光线通过，最的光线通过，最后被硅光电池后被硅光电池1111所接所接收，转换为与发光强收，转换为与发光强度度I I11成正比的光电成正比的光电流流I I1 1。滤光片滤光片1212的作用是只让可见光中的的作用是只让可见光中的某一特定波长某一特定波长2 2的光线通过，最后的光线通过，最后被硅光电池被硅光电池1313所接收。转换为与光所接收。转换为与光强强I I22成正比的光电流成正比的光电流I I2 2。随后再经电流电压转换器随后再经电流电压转换器1414、1515转换为电压转换为电压U U1 1、U U2 2，经运算电，经运算电路算出路算出U U1 1/U U2 2值，因而根据公式即可计算出被测物的温度值，因而根据公式即可计算出被测物的温度T T 。7/22/202481比色式温度传感器温度非接触比色式温度传感器温度非接触测量中的应用测量中的应用 比色式温度传感器采用比色式比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目（双波段）测温原理实现对被测目标的标的非接触测温非接触测温，它抗烟雾、水蒸，它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强。气和灰尘能力较强。比色温度计适于比色温度计适于环境条件恶劣环境条件恶劣的工业现场中使用，的工业现场中使用，如如:烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。窑等应用现场。7/22/2024822 2光电式浊度计光电式浊度计 一路光线穿过一路光线穿过标准水样标准水样8 8到达光电三极管到达光电三极管7 7上，产生作为标准上，产生作为标准水样的电信号水样的电信号U U2 2，另一路光线穿过，另一路光线穿过被测水样品被测水样品5 5，到达光电三，到达光电三极管极管6 6上，通过光电三极管转换成与浊度成正比的电信号上，通过光电三极管转换成与浊度成正比的电信号U U1 1。再经运算器计算出再经运算器计算出U U1 1、U U2 2的比值，并进一步算出被测水的浊度。的比值，并进一步算出被测水的浊度。7/22/202483.光电式带材跑偏仪光电式带材跑偏仪它由它由光电式边缘位置传感器光电式边缘位置传感器和测量电桥、放大器等组成。和测量电桥、放大器等组成。光敏三极管（光敏三极管（8 8）接在测量电桥的）接在测量电桥的一个桥臂上。一个桥臂上。当带材处于平行光束的当带材处于平行光束的中间位置中间位置时，电桥处于平衡状态时，电桥处于平衡状态，输出信号，输出信号为为“0”“0”，如果带钢向左偏移或向，如果带钢向左偏移或向右偏移时，输出电流信号为右偏移时，输出电流信号为II和和II。这个电流变化信号由放。这个电流变化信号由放大器放大后成为控制电流，用来调大器放大后成为控制电流，用来调节带材的走偏量。节带材的走偏量。光电式边缘位置光电式边缘位置传感器原理图传感器原理图7/22/202484二、脉冲式光电传感器二、脉冲式光电传感器 光电元件的开关运用状态光电元件的开关运用状态1 1光电式测速计光电式测速计 将一个带有将一个带有遮盖挡板遮盖挡板的光的光电池接入图示的电路中，当电池接入图示的电路中，当物体以速度物体以速度移过光电池表移过光电池表面时，遮挡射向光电池的光面时，遮挡射向光电池的光线，光电池便有阶跃电压输线，光电池便有阶跃电压输出，经微分后形成出，经微分后形成两个脉冲两个脉冲输出输出，两脉冲之间的相隔时，两脉冲之间的相隔时间即为物体移过间即为物体移过距离的时距离的时间间t t。V=L/V=L/t t7/22/2024852 2光电式转速计光电式转速计光电式转速计将光电式转速计将转速的变化转速的变化变换成变换成光通量的变光通量的变化化，再经过光电元件转换成电量的变化。，再经过光电元件转换成电量的变化。根据其工作方式可分为反射型和直射型两种。根据其工作方式可分为反射型和直射型两种。7/22/202486反射式反射式当间隔数一定时，当间隔数一定时，电脉冲数便与转速成正电脉冲数便与转速成正比比，电脉冲送至数字测量电路，即成计数和显示，电脉冲送至数字测量电路，即成计数和显示直射式直射式在孔数一定时，在孔数一定时，脉冲数就和转速成正比脉冲数就和转速成正比。电脉冲输入测量电路后被放大和整形，送入频率电脉冲输入测量电路后被放大和整形，送入频率计显示。计显示。光源光源光电光电元件元件7/22/202487另一种分类方法另一种分类方法 根据根据影响光电元器件接收光通量的因素影响光电元器件接收光通量的因素可可分为以下几种形式：分为以下几种形式：、光源本身是被测物、光源本身是被测物、被测物吸收光通量、被测物吸收光通量、被测物体反射光通量、被测物体反射光通量、被测物遮挡光通量、被测物遮挡光通量7/22/202488 、光源本身是被测物的应用实例、光源本身是被测物的应用实例 光的照度光的照度E的单位的单位是是lx（勒克斯），勒克斯），它是常用的光度学它是常用的光度学单位之一，它表示单位之一，它表示受照物体被照亮程受照物体被照亮程度的物理量，可以度的物理量，可以用用照度计照度计来测量。来测量。光电池光电池（外加柔外加柔光罩光罩）7/22/202489红外线辐射温度计红外线辐射温度计 红外线辐射温度计红外线辐射温度计用于食品温度测量用于食品温度测量7/22/202490红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光仅激光仅 用于瞄准用于瞄准7/22/202491红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪7/22/202492 红外线辐射温度计在非接红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用触温度测量中的应用集成集成IC 温度测量温度测量7/22/202493红外线辐射温度计在非接触温度红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）（冷藏牛奶和面食）7/22/202494、被测物吸收光通量的应用实例、被测物吸收光通量的应用实例 光电式浊度计和光电式浊度计和含沙量测量含沙量测量将装有浊水的试管将装有浊水的试管插入仪器中插入仪器中7/22/202495烟雾报警器烟雾报警器 无烟雾时，光敏元件无烟雾时，光敏元件接收到接收到LEDLED发射的恒定发射的恒定红外光。而在火灾发红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出值判断电路后，发出报警信号。报警信号。烟雾烟雾报警报警7/22/202496 光电式转速表光电式转速表 光电式转速光电式转速表属于反射式表属于反射式光电传感器，光电传感器，它可以在距被它可以在距被测物数十毫米测物数十毫米外非接触地测外非接触地测量其转速。量其转速。n=60(f/z)、被测物体反射光通量的应用实例、被测物体反射光通量的应用实例7/22/202497水泵水泵转速测量转速测量7/22/2024984 4、被测物遮挡光通量的应用实例、被测物遮挡光通量的应用实例 光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测器 光电传感器光电传感器 带材走偏时，带材走偏时，边缘经常与传边缘经常与传送机械发生碰送机械发生碰撞，易出现卷撞，易出现卷边，造成废品。边，造成废品。当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。跑偏的方向及大小。7/22/202499 休休 息息 一一 下下7/22/2024100 自然界中的任何物体自然界中的任何物体,只要其温度只要其温度高于绝对零度高于绝对零度,都都有红外线向周围空间幅射，温度不同，幅射的红外波有红外线向周围空间幅射，温度不同，幅射的红外波长也不同。长也不同。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。外线而输出电信号的传感器。6.4 6.4 热释电元件及红外人体检测热释电元件及红外人体检测7/22/2024101一、热释电效应一、热释电效应 在某些绝缘物质中在某些绝缘物质中,由于温度的变化引起表面电由于温度的变化引起表面电荷的变化，这种现象就是荷的变化，这种现象就是热释电效应热释电效应。能实现热释电效应的物质被称为能实现热释电效应的物质被称为热电体热电体。用具有这种介质制成的元器件称为用具有这种介质制成的元器件称为热释电元件热释电元件。7/22/2024102滤光片的波段范围应选择与被测物体的红外幅射波滤光片的波段范围应选择与被测物体的红外幅射波长一致，例如，作为人体红外探测，滤光片应选取长一致，例如，作为人体红外探测，滤光片应选取7.57.514m14m波段，因为人体温度为波段，因为人体温度为3636时，辐射的红外线时，辐射的红外线在在9.4m9.4m处最强。处最强。热释电幅射传感器热释电幅射传感器由由滤光片滤光片、热释电元、热释电元件、高输入阻抗放大件、高输入阻抗放大器等组成。器等组成。7/22/2024103 热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的移动人体检测，如它可用于能产生远红外辐射的移动人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。都防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。都是根据是根据人体移动人体移动来实现控制的。来实现控制的。由于热释电元件不能连续接受光照，即是由于热释电元件不能连续接受光照，即是表面温表面温度只有变化过程才会有信号输出度只有变化过程才会有信号输出，但大部分物体，但大部分物体的红外辐射是恒定的。所以必须对红外辐射进行的红外辐射是恒定的。所以必须对红外辐射进行调制，使恒定的辐射变为交变辐射。调制，使恒定的辐射变为交变辐射。所以还得配有特制的光学透镜所以还得配有特制的光学透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜二、用于人体探测的热释电传感器二、用于人体探测的热释电传感器7/22/2024104所谓所谓菲涅尔透镜菲涅尔透镜是由一组三单元平行的棱柱型透是由一组三单元平行的棱柱型透镜组成，如图。镜组成，如图。就将人体恒定的红外幅射变成交变辐射。就将人体恒定的红外幅射变成交变辐射。7/22/2024105热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上热释电晶片表面必须罩上菲涅尔透镜菲涅尔透镜，每一单元，每一单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元两个反向串联的热释电单元将输将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是站在热释电元件前面，它是“视而不见视而不见”的。的。7/22/2024106热释电报警器热释电报警器菲涅尔透菲涅尔透镜镜设定按钮设定按钮高分贝喇叭高分贝喇叭7/22/2024107热释电报警器（续）热释电报警器（续）吸顶式吸顶式 热释电报警器热释电报警器7/22/2024108光电自动门光电自动门自动门光电传感器自动门光电传感器放大图放大图有效检测区域有效检测区域7/22/2024109热释电传感器应用热释电传感器应用 热释电传感器热释电传感器用于自动亮灯，用于自动亮灯，当然也可以用于当然也可以用于防盗。防盗。热释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围7/22/2024110自动感应灯自动感应灯7/22/2024111热释电传感器在智能空调中的应用热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测智能空调能检测出屋内是否有人，微出屋内是否有人，微处理器据此自动调节处理器据此自动调节空调的出风量，以达空调的出风量，以达到节能的目的。到节能的目的。空调中，热释电传感器的菲涅尔空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。是静止着还是走动着。上上下下范范围围左右范围左右范围7/22/2024112 休休 息息 一一 下下7/22/2024113
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