机械工程测试技术PPT电子课件-第五章 信号的获取与调理05.3.3光电式传感器_OK

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机械工程测试技术
光敏电阻——基本特性
第五章 信号的 获取与调理
➢ 光谱特性 • 光敏电阻灵敏度与入射波长有关; • 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关。
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光敏电阻——基本特性
第五章 信号的 获取与调理
第五章 信号的 获取与调理
(3) 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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第五章 信号的 获取与调理
(4) 光电转速传感器
图示为光电式数字转速表工作原理图。图(a)表示转轴上涂黑 白两种颜色的工作方式。当电机转动时，反光与不反光交替 出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉冲。经放 大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机的转速。 图(b)为电机轴上固装一齿数为z的调制盘〔相当图(a)电机轴上 黑白相间的涂色〕的工作方式。其工作原理与图(a)相同。若 频率计的计数频率为f
硅光敏二极管结构
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第五章 信号的 获取与调理
➢工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，
✓ 无光照时，反向电阻很大， 反向电流很小；
✓ 有光照时，PN结处产生光生 电子空穴对；
✓ 在电场作用下形成光电流， 光照越强光电流越大；
（1）光敏电阻
➢ 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，某些半 导体材料的电阻随着光照强度的增大而减小。 ➢其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体 物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖 一层漆膜。
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光敏电阻结构及符号
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第五章 信号的 获取与调理
光敏二极管伏—安特性
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➢ 温度特性 由于反向饱和电流与温 度密切有关，因此光敏 二极管的暗电流对温度 变化很敏感。
第五章 信号的 获取与调理
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光敏二极管暗电流与温度关系
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第五章 信号的 获取与调理
➢ 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、 自动报警、自动计数等领域和装置。
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第五章 信号的 获取与调理
(2) 光敏二极管和光敏三极 ①光敏二极管
➢ 光敏二极管结构与一般二 极管相似，它们都有一个P－ N结，并且都是单向导电的非 线性元件。为了提高转换效 率大面积受光，PN结面积比 一般二极管大。
光敏电阻要求：暗电阻要大（暗电流要小），亮电阻 要小，光电流要大。
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光敏电阻——基本特性
第五章 信号的 获取与调理
➢ 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。 ✓ 给定偏压
光照越大光电流越大； ✓ 给定光照度
电压越大光电流越大； ✓光敏电阻的伏安特性
曲线不弯曲、无饱和，但受 最大功耗限制。
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光敏电阻伏安特性
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第五章 信号的 获取与调理
（3）光敏电阻——基本特性
➢光照特性:光电流与光强的关系 • 无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻 值； • 有光照时，电阻值随光强增加而降低，光电流增大； • 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。
光电池工作原理图
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光电池结构
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第五章 信号的 获取与调理
①光照特性 • 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲
线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度 2000lx下趋于饱和。 • 短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线 曲线，短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光 电流。
✓ 光电流方向与反向电流一致。
光敏二极管基本电路
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(2) 光敏二极管和光敏三极管 ②光敏三极管
第五章 信号的 获取与调理
➢ 与普通晶体管不同的是，光 敏晶体管是将基极—集电极结 作为光敏二极管，集电结做受 光结，另外发射极的尺寸做的 很大，以扩大光照面积。 ➢ 大多数光敏晶体管的基极无 引线，集电结加反偏。玻璃封 装上有个小孔，让光照射到基 区。
• 其优点是灵敏度高，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。不足有需要外部电源，有电
流时会发热。
光敏电阻主要参数: • 暗电阻——无光照时的电阻； • 暗电流——无光照时的电流； • 亮电阻、亮电流——受光照时的阻值、电流； • 光电流——亮电流与暗电流之差称光电流 。
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第五章 信号的 获取与调理
③频率特性 频率特性指光电池相对输出 电流与光的调制频率之间关 系。
✓ 硅、硒光电池的频率特性不 同，硅光电池频率响应较好 硒光电池较差。
✓ 所以高速计数器的转换一般 采用硅光电池作为传感器元 件。
硅、硒光电池的频率特性
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第五章 信号的 获取与调理
5.3.3 光电式传感器
主要内容：
1 光电效应 2 光电器件
光敏电阻 光电池
光电三极管 3 光电式传感器的应用
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5.3.3 光电式传感器 概述
第五章 信号的 获取与调理
➢ 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转
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第五章 信号的 获取与调理
(3) 光电池（有源器件）
➢ 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接 将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源， 广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。 ➢ 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电 池、砷化镓、氧化铜等等。
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（1）测量物体
第五章 信号的 获取与调理
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(2) 光电器件的测量方法
透射式
第五章 信号的 获取与调理
反射式
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第五章 信号的 获取与调理
门禁 指纹锁
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光
电
鼠
标
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5.3.3 光电式传感器 概述
第五章 信号的 获取与调理
光电开关
料 位 自 动 控 制
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5.3.3 光电式传感器
第五章 信号的 获取与调理
➢内光电效应 阻率改变的现象称为光电导效应，基于内
光电效应的光电元件有光敏电阻，光敏晶 体管等。
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光生伏特效应:在光线作用下物体产生一 定方向电动势的现象称为光生伏特效应， 基于光生伏特效应的光电元件有光电池 等。
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2、光电器件
第五章 信号的 获取与调理
• 对红外进行探测时用
锗管较适宜。
光敏晶体管光谱特性
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第五章 信号的 获取与调理
➢ 伏安特性 光敏二极管：当反向偏 压较低时，光电流随电 压变化比较敏感，随反 向偏压的加大，光生电 流趋于饱和，这时光生 电流与所加偏压几乎无 关，只取决于光照强度。
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第五章 信号的 获取与调理
②光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度 不同。
✓ 硅光电池的光谱响应峰值在 0.8μm附近，波长范围0.4～ 1.2μm。硅光电池可在很宽的 波长范围内应用。
✓ 硒光电池光谱响应峰值在 0.5μm附近, 波长范围0.38～ 0.75μm。
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换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料， 做成的器件称光敏器件。 ➢光敏器件种类很多，如：
光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。
在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。
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5.3.3 光电式传感器 概述
➢ 温度特性 温度变化影响光敏
电阻的灵敏度、暗电 流和光谱响应。
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硫化铅光敏电阻温度特性
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第五章 信号的 获取与调理
2 光电器件
(2) 光敏二极管和光敏三极管
➢ 光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。
➢ 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、 可靠性高;
光纤 光电管
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光栅
光敏电阻
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1 光电效应
第五章 信号的 获取与调理
传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效 应可分为： ➢外光电效应: 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现
象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管,光 电倍增管等。
光电导效应: 在光线作用下能使物体的电
➢ 频率响应: 光敏管的频率响应是指光敏 管输出的光电流随频率的变 化关系。光敏管的频响与本 身的物理结构、工作状态、 负载以及入射光波长等因素 有关。图光敏二极管频率响 应曲线说明调制频率高于 1000Hz时，硅光敏晶体管灵 敏度急剧下降。
光敏二极管频率响应曲线
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光敏晶极管结构
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第五章 信号的 获取与调理
(2) 光敏二极管和光敏三极管特性：
➢ 光敏晶体管的光谱特性
• 硅材料的光敏管峰值波长在0.9μm附近（可见光）
灵敏度最大；
• 可见光或探测赤热状
物体时一般都用硅管
• 锗管的峰值波长约为
1.5μm（红外光）
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④温度特性
指开路电压和短路电流 随温度变化的关系。
第五章 信号的 获取与调理
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3 光电传感器的应用
第五章 信号的 获取与调理
• 光电检测方法具有精度高、反应快、非 接触等优点,传感器的结构简单,形式灵活 多样,体积小。近年来,随着光电技术的发 展,光电传感器已成为系列产品,其品种及 产量日益增加,在各种轻工自动机上获得 广泛的应用。
n=60f/z 即可测得转轴转速n(r/min)。
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第五章 信号的 获取与调理
(5) 光电池 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相
同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池 工作时不需要外加电压，光电转换效率高，光谱范围宽，频 率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、 光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机 的熄火保护装置等。
光 电 池 符 号
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LED
太Байду номын сангаас
电
阳 能
警 示
供
太阳能手机充电器
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太 阳 能 电 池
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第五章 信号的 获取与调理
➢ 结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅 状受光电极，下电极是一层衬底铝。 ➢ 原理：当光照射PN结的一个面时，电子——空穴对 迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关 的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压50mA电流。