项目6_光电传感器及其应用

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光敏二极管和光敏三极管
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1.光敏二极管
光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类； 硅光敏二极管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃 外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管 在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。
(d)
该形式采用功能器件构成的 高速、高传输效率的光电耦合器。
光电耦合器的组合形式
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红外线传感器
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6.2.1 红外线传感器概述
凡是存在于自然界的物体，例如人体、火焰甚 至于冰都会放射出红外线，只是其发射的红外线的 波长不同而已。 人体的温度为36～37℃，所放射的红外线波长 为9～lOµm(属于远红外线区)，加热到400～700℃ 的物体，其放射出的红外线波长为3～5µm(属于中 红外线区)。红外线传感器可以检测到这些物体发 射出的红外线，用于测量、成像或控制。 用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量， 比可见光作为媒介的检测方法要好。
光电阴极 光窗
光
阳极
光电管的结构示意图
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普通光电管
在一个真空泡内装有两个电 极：光电阴极和光电阳极。 光电阴极通常是用逸出功小 的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁 上做成，其感光面对准光的照 射孔。 当光线照射到光敏材料上， 便有电子逸出，这些电子被具 有正电位的阳极所吸引，在光 电管内形成空间电子流，在外 电路就产生电流。
警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输 过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加， 光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到 达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的
强弱便可反映烟道浊度的变化。
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吸收式烟尘浊度检测系统原理图
平行 光源 烟道 光电 探测
放大
显示
刻度 校正
报警器
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信号处理 电信号 延时电路 继电器KM 交流 电源
红外光发射
红外光
红外光接收
红外光 手
热风机
热风
红外自动干手器电路原理框图
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条形码扫描笔
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扫描笔输出的脉冲
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烟尘浊度监测仪
防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。
为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，
因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报
当光照射到光电导体上时，若光电导体为 本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强， 光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从 而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导 体的电导率变大。
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光敏电阻的结构
如图所示。管芯是一块安 电极 引线 装在绝缘衬底上带有两个欧 姆接触电极的光电导体 。光 导体吸收光子而产生的光电 引线 效应，只限于光照的表面薄 绝缘衬低 光导电材料 层，虽然产生的载流子也有 少数扩散到内部去，但扩散 光电导体 深度有限，因此光电导体一 A 般都做成薄层 。为了获得高 的灵敏度，光敏电阻的电极 金属封装的硫化镉光敏电阻结构图 一般采用硫状图案。
光 P N － RL
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SiO2 I
光 P N
+
1.
工作原理
硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散 的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时， 如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在 N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电 位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电 流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测 出光生电动势。
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2、光电耦合器的结构
采用金属外壳和玻璃绝缘的结 构，在其中部对接，采用环焊 以保证发光二极管和光敏三极 管对准，以此来提高灵敏度。
绝缘玻璃
发光二极管
采用双列直插式用塑料封装的结 构。管心先装于管脚上，中间再 用透明树脂固定，具有集光作用 ，故此种结构灵敏度较高。
发光二极管
塑料
光敏三极管
透明绝缘体
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红外线及其特性
红外线也称红外光或红外辐射，它是一种电磁波，其波 长范围在电磁波谱中的位置如图所示。由图可见，它是波长 位于可见光和微波之间的一种不可见光。 红外光的最大特点是具有光热效应，能辐射热量，它是 光谱中最大光热效应区。
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色彩传感器
E3MC-A11 2M色彩传感器
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色彩测量的原理
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光电管的结构和电路
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光电倍增管
(1)结构与原理
由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了 光电倍增管，其工作原理如图。
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光电倍增管的工作原理
光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分 组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或 铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级； 阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子 数的105～108倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百 万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万 倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。
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1、光电耦合器件特点
①强弱电隔离 输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达2000V以上。 ②对系统内部噪声有很强的抑制作用 能避免输出端对输入端地线等的干扰。发光二极管为电 流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。 （滤除噪声） 光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电 隔离。
光电传感器及其应用
1 2 3 4 5 光电效应及光电器件 红外传感器 激光传感器 光纤传感器 光电传感器应用实例
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光电效应及光电器件
将光量转换为电量的器件称为光电传感 器或光电元件。光电式传感器的工作原理是： 首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然 后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感 器的工作基础是光电效应。
N
P
N
c
RL
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b
光敏三极管的结构和电路
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光电池
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。 由于它可把太阳能直接变电能，又称为太阳能电池。它 是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结 上时，在结的两端出现电动势。 命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之 前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最 广、最有发展前途的是硅光电池。
常用的激光干涉测长传感器分为单频激光干涉传感器
和双频激光干涉传感器。
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光纤传感原理
将光源入射的光束经由光纤送入调制区, 在调制区内,外界被测参数与进入调制区的光
相互作用使光的性质如强度、波长、频率、
相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号
光，再经过光纤送入光敏器件、解调器而获
得被测参数。
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红外自动干手器
光 光 P N
P
N
RL
光敏二极管符号
光敏二极管接线
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பைடு நூலகம் 2.光敏三极管
光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其
结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它
的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且 其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路 时,集电极处于反向偏置状态。
e
P N
b E P
c
e
2
光电器件
光电管和光电倍增管 光电管和光电倍增管同属于用外光电效应 制成的光电转换器件。
光电管
光电倍增管
3
1.
光电管
光电管有真空光电管和充气光电管，或称电子光电管 和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴 极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极 装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用 金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。
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激光式位移传感器
由激光器、光学元件、光电转换元件构成的激光测量 系统，将被测位移量转换成电信号。 激光检测有精度高、测量范围大、测试时间短、非接 触、易数字化、效率高等优点。激光干涉测长技术，目前
已广泛地应用于精密长度测量，如磁尺、感应同步器、光
栅的检定；精密机床位移检测与校正；集成电路制作中的 精密定位等。
光 P N － RL (a) 光电池的结构图 SiO2 I P N 光
+
(b) 光电池的工作原理示意图
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光电耦合器件
光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个 外壳内, 一般有金属封装和塑料封装两种。发光 元件为发光二极管，受光元件为光敏二极管、光 敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输 入电信号耦合到输出端。
透明树脂
光敏三极管 (b)塑料密封型
(a)金属密封型
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3、光电耦合器典型结构
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4、 光电耦合器的组合形式
光电耦合器的组合形式有多种，如图所示。 该形式结构简单、成本低， 通常用于50kHz以下工作频率的 (a) 装置内。 该形式采用高速开关管构成 的高速光电耦合器,适用于较高频 (b) 率的装置中。 该组合形式采用了放大三极 管构成的高传输效率的光电耦合 器，适用于直接驱动和较低频率 (c) 的装置中。
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激光传感器
激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就 之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要 特性。激光波长从0.24μ m到远红外整个光频波段 范围。 激光器种类繁多，按工作物质分类为： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳 激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。
光电阴极 阳极
第一倍增极 入射光
第三倍增极
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光敏电阻
光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其 工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增 强而减小。 优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体 积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、 抗过载能力强和寿命长等。 不足：需要外部电源，有电流时会发热。
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光敏电阻的工作原理