光电传感器的原理以及应用课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光电传感器的原理以及应用课件,*,第7章 光电传感器,7.1 光电传感器引入,以数码相机为例,光电传感器的原理以及应用课件,7.2 光电效应和光电器件,外光电效应:,在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管,内光电效应,:,在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。,阻挡层光电效应(光生伏特效应):,在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等,光电传感器的原理以及应用课件,7.2.1 光电效应和光电器件,外光电效应:,在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管,内光电效应,:,在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。,阻挡层光电效应(光生伏特效应):,在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,1 光电管,当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，,电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性,充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.,所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体,其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,6,紫外管外形,当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。,紫外线,光电传感器的原理以及应用课件,2 光电倍增管,在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，,光电倍增管：放大光电流,组成：光电阴极+若干倍增极+阳极,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,光电倍增管的结构 与工作原理,光电阴极光电倍增极阳极,倍增极上涂有Sb-Cs(锑-铯)或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高,阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射,二次电子发射系数, =,二次发射电子树入射电子数,若倍增极有n，则倍增率为,n,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,3 光敏电阻,1.,光敏电阻的工作原理及结构,2,光敏电阻的主要参数,3,光敏电阻的基本特性,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,(1) 光敏电阻的工作原理及结构,当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小,当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,光敏电阻的结构,1.玻璃,2.光电导层,3.电极,4.绝缘衬底,5.金属壳,6.黑色绝缘玻璃,7.引线,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，,因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。,光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。,灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。,而且体积小、重量轻、性能稳定,梳状电极,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,2 光敏电阻的主要参数,（1）暗电阻和暗电流,光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。,（2）亮电阻,光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。,（3）光电流,亮电流与暗电流之差，称为光电流。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,3光敏电阻的基本特性,（1）,伏安特性,（2）,光照特性,（3）,光谱特性,（4）,响应时间和频率特性,（5）,温度特性,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,（1）伏安特性,在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系,在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；,在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。,光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，,耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,（2）光照特性,光敏电阻的光电流与光强之间的关系,由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，,一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,（3）光谱特性,光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,（4）响应时间和频率特性,光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。,通常用响应时间t表示。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,光敏电阻的频率特性,不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,（5）温度特性,光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。,硫化镉光敏电阻的温度特性,温度系数:,在一定光照下，温度每变化1，,光敏电阻阻值的平均变化率,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,温度对光谱特性影响,随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,4 光敏二极管和光敏晶体管,1,工作原理,2,基本特性,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,(1) 工作原理,结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中,在电路中一般是处于反向工作状态的,光敏二极管,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,24,光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。,当,光照增加时，,光电流,I,与光照度成正比关系。,光敏,二极管的反向偏置接法,U,O,+,光照,光电传感器的原理以及应用课件,光敏晶体管,与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,2 基本特性,（1）光谱特性,（2）伏安特性,（3）光照特性,（4）温度特性,（5）频率响应,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,（1）光谱特性,入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降,硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性,可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。,在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,（2）伏安特性,上一页,下一页,返 回,硅光敏管的伏安特性,光电传感器的原理以及应用课件,（3）光照特性,硅光敏管的光照特性,光敏二极管的光照特性曲线的线性较好,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,（4）温度特性,其暗电流及光电流与温度的关系,温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,（5）频率响应,具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系,硅光敏晶体管的频率响应,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,32,光敏三极管外形,光电传感器的原理以及应用课件,5 光电池,有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。,1.,工作原理,2,基本特性,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,(1) 工作原理,直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负) 。,用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,(2) 基本特性,(1) 光谱特性,(2) 光照特性,(3) 频率响应,(4) 温度特性,(5) 稳定性,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,（1）光谱特性,光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,(2)光照特性,不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。,短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的,光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,光电池的短路电流,外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。,负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,(3)频率响应,指输出电流随调制光频率变化的关系,硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,(4)温度特性,开路电压和短路电流随温度变化的关系。,关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标,硅光电池的温度特性(照度1000lx),上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,(5)稳定性,当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的,硅光电池的性能比硒光电池更稳定,影响性能和寿命因素,：,光电池的材料及制造工艺,使用环境条件,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,42,光电池,外形,光敏面,光电传感器的原理以及应用课件,43,能提供较大电流的大面积光电池,外形,光电传感器的原理以及应用课件,44,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能 硅光电池板,光电传感器的原理以及应用课件,45,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,光电传感器的原理以及应用课件,46,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,光电传感器的原理以及应用课件,6 光电式传感器的应用,模拟式传感器,脉冲式传感器,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,1 模拟式光电传感器,基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是,光通量的函数,。,对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,49,1.光电式浊度计和含沙量测量,将装有浊水的试管插入仪器中,光电传感器的原理以及应用课件,50,图 7.1.7 光电比色计的工作原理,光电比色计：,光电传感器的原理以及应用课件,51,光电式浊度计工作原理,1,恒流源 2,半导体激光器 3,半反半透镜 4,反射镜 5,被测水样 6、9,光电池,7、10,电流/电压转换器 8,标准水样,参比通道,被测物吸收光通量,光电传感器的原理以及应用课件,52,2.无线,烟雾报警器,可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器,光电传感器的原理以及应用课件,53,反射式烟雾报警器,在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外,LED,发出的红外光无法到达红外光敏三极管。,当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。,被测物体反射光通量,光电传感器的原理以及应用课件,54,无线,烟雾报警器内部结构,可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器,光电传感器的原理以及应用课件,2 脉冲式光电传感器,光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。,光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。,上一页,下一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,光电式数字转速表,上一页,返 回,光电传感器的原理以及应用课件,57,图7.1.8 光电转速计的工作原理,光电转速计,分为反射式和透射式两类：,光电传感器的原理以及应用课件,58,此光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。,n,=60(,f,/,z,),光电传感器的原理以及应用课件,59,水泵,转速测量,光电传感器的原理以及应用课件,60,4.,光电式带材跑偏检测器,光电传感器,带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。,当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压,U,o,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。,光电传感器的原理以及应用课件,5. 光电电源,光电池组,:若干型号相同的光电池，经串、并联。,有光照,时光电池组发电，为负载供电，并对蓄电池充电。,无光照,时，蓄电池向负载供电。,二极管,的作用:防止无光照时，蓄电池通过光电池组放电.,光电池是,航天工业,的重要电源，也可作为,航标灯,、,高速公路警示灯,等野外无人值守设备的电源。,图 7.1.9 光电池电源电路框图,光电传感器的原理以及应用课件,6.白度计,白度:衡量物体表面对可见光全波长辐射反射率的一个参数，在纺织、丝绸、造纸、化工等行业中有广泛的应用。,62,由于被测物的白度小于100%（度），所以标准电势总是大于被测电势。,调节,使检流计,两端的电位相等，便可通过白度计的指针指示出被测物的白度。,图7.1.10,白度,计原理,光电传感器的原理以及应用课件,光电传感器实物介绍,光敏电阻,广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节,照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。,光电传感器的原理以及应用课件,光敏二极管,广泛应用于光电开关、光电控制检测，自动化控制等领域，使用时，反向接入电路中。,光电传感器的原理以及应用课件,光敏三极管,比光敏二极管灵敏度高，用于光电自动控制、光电计数、光电传感器中作光电信号转换。,光电传感器的原理以及应用课件,光照度传感器,照度定义为投射到单位面积上的光通量，单位为勒克斯lx。适用于农业大棚、城市照明、建筑环境、路灯控制等场所照度测量。,光电传感器的原理以及应用课件,硅光电池,硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，利用光生伏特效应，受到光照时产生大的电动势和电流。可用在光电探测器和光通信等领域。,光电传感器的原理以及应用课件,环境亮度传感器,亮度指光强度dIv与面元ds在垂直于发光强度方向上的投影面积之比，单位为每平方米面积上的光强度（cd/m2）。用于环境亮度测量。,光电传感器的原理以及应用课件,