第8章光电式传感器(2015)
第8章 光电式传感器
概述
光电式传感器是将光通量转换 为电量的一种传感器，光电式传感器的 基础是光电转换元件的光电效应。 由于光电测量方法灵活多样，可测 参数众多，具有非接触、高精度、高可 靠性和反应快等特点，使得光电传感器 在检测和控制领域获得了广泛的应用。
原理：
光源
光学通路 被测量
光电器件
输出
图8-9 NPN型光敏三极管结构简图和基本电路
◆ 图为NPN型光敏三极管的结构简图和基本电路。大多
数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于 发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏 压；当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子 -空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电 流。由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电 流的β
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线
（5）光敏电阻的响应时间和频率特性
◆实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有 一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导 的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停 止光照起到电流下降到原来 的63%所需的时间，因此，t 越小，响应越迅速，但大多
数光敏电阻的时间常数都较
大,这是它的缺点之一。
光敏电阻的频率特性
光敏二极管和光敏三极管
图8-7 光敏二极管的结构原理
◆光敏二极管的结构与一般二极管相似源自它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接 受到光照射（见图a）。光敏二极管在电路中一般 是处于反向工作状态（见图b），在没有光照射时， 反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为 暗电流。
（5）伏安特性：在一定照度下，光电流I与光敏元件 两端的电压U的关系 称为伏安特性。 （6）频率特性： 在相同的电压和相同幅值的光强度 下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏 元件输出的光电流I和灵敏度S随调制频率f变化的关 系： 、 称为频率特性。 （7）温度特性： 环境温度变化后，光敏元件的光学 性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。
传感器原理与应用习题第8章光电式传感器
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。
8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。
光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。
8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
答：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。
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。
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。
8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。
答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。
光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。
8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。
8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。
8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。
8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。
答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。
应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。
8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。
光电式传感器优秀优秀课件
光电式传感器优秀优秀课件
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设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流 倍增率将为δ n 。倍增级数n可在4~ 14 之间，δ的范围一般是 3~6。
如图9-21所示是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大 管。其示值可在指示仪表P上读得。
在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。 2.光电倍增管的测量电路
常见的光电倍增管电路如图9-22所示，各倍增极的电压 由分压电阻链R1、R2……Rn获得，被放大的电流流经负载电 阻就得到了所需的输出电压。
光电式传感器优秀优秀课件
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如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的 Cn~Cn-2可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可 以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca，这样系统 将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那 么就可以用电容器耦合。
当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更 低。这时应接入隔离电容 Ca，同时用电容器Cn~Cn-2稳定最 后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增 益和防止饱和，它们通过电源去耦电容器C将脉冲电压接地。
三、光电池 1.光电池的结构与原理 （1）结构
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型 杂质形成一个大面积的PN结，如图9-11所示。
（2）原理 当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的
传感器原理与工程应用习题集
传感器原理与工程应用习题集一、单项选择题第1章传感器与检测的理论基础1.在整个测量过程中，如果影响和决定误差大小的全部因素（条件）始终保持不变，对同一被测量进行多次重复测量，这样的测量称为（C ）A．组合测量B．静态测量C．等精度测量D．零位式测量2.在同一测量条件下，多次测量被测量时，其绝对值和符号以不可预定的方式化着的误差称为（B ）A．粗大误差B．随机误差C．系统误差D．绝对误差3.超出规定条件下预期的误差称为（A ），它严重地歪曲了客观现象，应予以剔除。
A．粗大误差B．随机误差C．系统误差D．绝对误差4.在同一测量条件下，多次测量被测量时，其绝对值和符号保持不变，或在条件变化时，按一定规律变化的误差称为（C ）A．粗大误差B．随机误差C．系统误差D．绝对误差5.在直流电路中使用电流表和电压表测量负载功率的测量方法属于（B ）。
A. 直接测量B. 间接测量C. 组合测量D. 等精度测量6.宠物医院通常采用红外测温仪测量动物的温度，这种测量方法属于（D）。
A. 接触式测量B. 间接测量C. 组合测量D. 非接触式测量7.精度等级用来表示一个仪表能达到的测量精度，精度等级是由（ D ）来表示/确定的。
A. 绝对误差B. 实际相对误差C. 基本误差D. 最大引用误差第2章传感器概述8.属于传感器动态特性指标的是（B ）A．重复性B．固有频率C．灵敏度D．漂移9.不属于传感器静态特性指标的是（B ）A．重复性B．固有频率C．灵敏度D．漂移10.传感器的主要功能是（A ）。
A. 检测和转换B. 滤波和放大C. 调制和解调D. 传输和显示11.传感器的输出量通常为（B ）A 非电量信号B 电量信号C 位移信号D 光信号12.输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等是属于传感器静态特性的哪一种（D ）A:灵敏度B:线性度C:灵敏度界限D:迟滞性13.非线性度是表示校准曲线( B )的程度。
8-1
传感器原理与应用——第八章
（3）液体激光器
种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激
光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大
特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效
率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作
用。
传感器原理与应用——第八章
（4）半导体激光器
与前几种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光
+ _ + + _ +
U
当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区， 和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区 里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光 子的放出，因而发光。
传感器原理与应用——第八章
传感器原理与应用——第八章
电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带
宽度（即能量间隙） Eg。所放出的光子能量用 hν表示，
3800 – 4200 7000 – 9000 4500 30 10 45
阳极工 作电压 (V)
30 30 100
暗电流 (A)
3×10-11 8×10-11 8×10-11
环境 温度 (℃)
5 - 35 5 - 35 < 40
传感器原理与应用——第八章
3. 发光二极管（LED——Light Emitting Diode）
构成：由半导体PN结构成。 特点：工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小 、重量轻，因此获得了广泛的应用。
传感器原理与应用——第八章
原理：
+ +
iD
P R
Uφ
-
-
+ + + +
+ + + +
传感器原理及工程应用习题参考答案
《传感器原理及工程应用》习题答案王丽香第1章 传感与检测技术的理论基础（P26）1－3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa)实际相对误差 ％＝＝43.11402≈∆L δ标称相对误差 ％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）：120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。
解：当n ＝15时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.41。
则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=⨯=<=-，所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。
然后重新计算平均值和标准偏差。
当n ＝14时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.37。
则 20 2.370.01610.0382()d i G mm v σ=⨯=>，所以其他14个测量值中没有坏值。
计算算术平均值的标准偏差200.0043()mm σσ=== 20330.00430.013()d mm σ=⨯=所以，测量结果为：20(120.4110.013)()(99.73%)d mm P =±=1－14交流电路的电抗数值方程为CL X ωω1-= 当角频率Hz 51=ω，测得电抗1X 为Ω8.0； 当角频率Hz 22=ω，测得电抗2X 为Ω2.0； 当角频率Hz 13=ω，测得电抗3X 为Ω-3.0。
第八章 光电式传感器练习答案
第八章光电式传感器§8-1 真空光电器件作业题1.光电管由一个和一个封装在一个内组成。
它的技术特性主要取决于。
（阴极；阳极；光电阴极材料）2.光电管的光谱特性主要取决于的特性，光电管对入射光的具有选择性，这是因为对入射光的有选择性。
（光电阴极材料；频谱；光电阴极；频谱）3.光电管的伏安特性是指，与的关系。
当阳极电压较小时，光电流随而增加。
到电压以后，光电流，这是因为单位时间内发射的光电子全部被阳极收集了。
（一定光适量照射下；阴极电压；光电流；阳极电压增加；饱和；饱和；发射的光电子）4.光倍增管的结构与基本一样，也是在壳内，安装和，只是在之间再安装几个。
（光电管；玻璃；阳极；阴极；阳极与阴极；倍增级）5.光电倍增管倍增系数大约为数量级，故光电倍增管的极高。
随着的升高，倍增系数也增加。
（106；灵敏度；工作电压）6.当入射光不变时，被照物体在单位时间内与成正比。
（频谱；发射的光电子数；入射光强度）§8-2 光敏元件作业题1.物体受到光照以后，物体内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的或产生的现象称为。
（电阻率发生变化；光电动势；内光电效应）2.在光线的作用下，半导体的的现象称光电导效应。
（电导率增加）3.光照射使半导体原子中的吸收光子能量激发出的现象，称本征光导效应；光照射使半导体杂质吸收光子能量激发出的现象，称非本征光导效应，它的激发比本征光导效应。
（价电子；自由电子同时产生空穴；自由电子；容易）4.某种半导体能否产生光电效应，决定于照射光的，而光的强度只取决于产生的。
（频率；光子数目的多少）5.光敏电阻是用制成的，极性，是个电阻。
使用时可以加电压，亦可加电压。
不同下电阻值不同，对不同的入射光有的灵敏度。
（光导体；没有；纯；直流；交流；材料；波长；不同）6.将光敏电阻置于室温、条件下，经过一定稳定时间后，测得的阻值称暗电阻；在条件下，测得的阻值称为。
（无光照全暗；光照；亮电阻）7.一定电压作用下，与的关系称为光敏电阻的光电特性。
传感器技术与应用第2版-部分习题答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
光电式传感器及其应用ppt课件
21
第8章 光电式传感器及其应用
4) 光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光敏电阻
的光照特性。不同类型的光敏电阻,光照特性不同。
光 电 / 流 m A
0. 25 0. 20 0. 15 0. 10 0. 05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 光 通 量 / lm
光敏电阻的光照特性
多数是非线性的。不宜 做线性丈量元件，普通 用做开关式的光电转换 器。
22
第8章 光电式传感器及其应用
5)光谱特性
光敏电阻对不同波长的光,光谱灵敏度不同,而且不
同种类光敏电阻峰值波长也不同。
10 0
80
60
硫 化铅
40
硫 化铊
第8章 光电式传感器及其应用
1
第8章 光电式传感器及其应用
按任务原理分类： 光电效应传感器 红外热释电传感器 固体图像传感器 光纤传感器
2
第8章 光电式传感器及其应用
第5章 光电式传感器及其运用
光电传感器:将光信号〔红外、可见光及紫外光〕转变成为 电信号的器件。
被丈量 的变化
光信号 的变化
电信号 的变化
20
硫 化镉
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
①不同资料，其峰值 波长不同。
②同一种资料，对不 同波长的入射光，其 相对灵敏度不同，呼 应电流不同。
应根据光源的性质， 选择适宜的光电元件 〔匹配〕使光电元件 得到较高得相对灵敏 度。
光敏电阻的光谱灵敏度
23
第8章 光电式传感器及其应用
6) 伏安特性
光电式传感器的结构和功能
光电式传感器的结构和功能光电式传感器是一种常用的传感器，它利用光电效应将光信号转化为电信号，从而实现对光照强度的检测和测量。
该传感器的结构和功能十分重要，下面我将为您详细介绍。
一、结构光电式传感器主要由发光器、接收器、滤波器和输出电路等组成。
1. 发光器：发光器通常由发光二极管（LED）组成，它能够将电能转化为光能。
当电流通过LED时，LED会发出特定波长的光线，这些光线被用于照射待测物体。
2. 接收器：接收器通常由光敏电阻或光敏二极管（光电二极管）组成，它能够将光能转化为电能。
当接收器接收到照射物体反射回来的光线时，光敏元件会产生对应的电压或电流信号。
3. 滤波器：滤波器的作用是将非目标波长的光线滤除，只保留目标波长的光线。
通过选择合适的滤波器，可以提高光电式传感器的灵敏度和准确度。
4. 输出电路：输出电路负责将接收到的电信号进行放大、滤波和转换，最终输出一个与光照强度相关的电信号。
这个信号可以被连接到其他电路或设备中进行进一步的处理或控制。
二、功能光电式传感器具有广泛的应用，其功能主要体现在以下几个方面：1. 光照检测：光电式传感器能够检测环境中的光照强度，根据光照强度的变化来判断是否需要进行照明或调节照明强度。
2. 物体检测：通过测量物体反射的光线强度，光电式传感器能够实现对物体的检测。
例如，在自动门控制系统中，光电式传感器可以检测到人或物体的到来，从而触发门的开启或关闭。
3. 颜色识别：光电式传感器可以根据物体反射的光线波长来识别物体的颜色。
这在工业自动化和机器人领域有着重要的应用。
4. 位置测量：光电式传感器可以通过测量物体反射光线的强度来判断物体的位置。
这在自动化控制和机器人导航中具有重要意义。
总结：光电式传感器的结构和功能使其成为现代工业和生活中不可或缺的重要设备。
它能够准确地检测和测量光照强度，并根据需要进行相应的控制和处理。
光电式传感器的应用范围广泛，例如照明系统、自动控制和机器人领域等，为人们的生活带来了便利和高效。
光电式传感器PPT
即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物 体表面的现象。
根据外光电效应做出的光电器件有光电管和
光电倍增管。
2020年12月15日
4
光电管
（a)结构
（b)测量电路
图10.3 光电管
2020年12月15日
5
光电倍增管
2020年12月15日
6
内光电效应
内光电效应是指在光线作用下，物体 的导电性能发生变化或产生光生电动 势的现象
40
20
0 400 800 1200 1600
入射光 波长/nm
存在一个最佳灵敏度波长
2020年12月15日
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(2) 伏安特性
I（mA) 5
4
2500Lx 2000Lx
3
1500Lx
2
1000Lx
1
500Lx
外加电压（V）
0
20 40 60 80
与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特
性202一0年12样月15日。只需把光电流看作基极电流即可。30
9
12
15
18
/ m
图8 – 15 电磁波谱图
记数、有声电影等方面。
2020年12月15日
42
第三节 红外传感器
一、 红外辐射
红外辐俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位 于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长 范围大致在0.76～1000 μm，红外线在电磁波谱中的位 置如图8-15 所示。工程上又把红外线所占据的波段分 为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。
2020年12月15日
43
/ m
/ cm
10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 10 10－ 1 10
传感器与检测技术-第8章 光电式传感器
传感器与检测技术-第8章 光电式传感器
光电式传感器是一种基于光电效应的传感器技术，利用光的特性来实现对物 体的检测和测量。本章将介绍光电式传感器的原理、分类以及各种应用。
光电开关传感器
工作原理
光电开关传感器通过发送光线，并接收反射光线来检测物体的存在。
应用场景
广泛应用于自动化生产线上的物体检测、检测门的状态是否打开或关闭等。
光电测距传感器
1 原理
2 应用
光电测距传感器通过发送光脉冲并测量返 回时间来计算物体的距离。
广泛应用于测距仪、机器人导航等需要测 量距离的领域。
光电旋转编码器
原理
光电旋转编码器利用光栅原理来测量物体的旋 转运动。
应用
常见于机器人关节的位置控制、旋钮的位置检 测等。
光电非接触式测量传感器
原理
光电非接触式测量传感器利用光的干涉或散射来 测量物体的尺寸。
光电反射式传感器
原理
光电反射式传感器利用物体对光的反射来进行检 测和测量。
应用
适用于停车场的车辆检测、印刷机上的纸张检测 等。
光电遮断式传感器
1
工作原理
光电遮断式传感见于自动门、自动售货机等需要检测物体是否接近的场合。
3
创意应用
可以应用于制作光电乐器或触摸交互装置。
应用
常用于物体距离检测、非接触式测量等。
光电式压力传感器
1
原理
光电式压力传感器通过测量物体对光的压力变化来进行压力测量。
2
应用
适用于工业领域的压力监测、医疗设备中的生理参数测量等。
光电式温度传感器
原理
光电式温度传感器利用光的特性来测量物体的温度。
应用
常用于工业过程控制、医疗设备等需要精确测量温度的场景。
传感器技术课件-光电式传感器
发射器和接收器的原理和作用
光电式传感器通常由发射器和接收器组成。发射器发出光信号，接收器接收被物体反射或透过的光信号， 并转换为电信号进行处理和分析。
发射器
发出特定波长的光，并通过透明或反射介质照 射到目标物体上。
接收器
接收被物体反射或透过的光信号，并将其转换 为电信号进行处理和分析。
光电式传感器的响应时间
光电式传感器的响应时间是指从接收到输入信号到输出信号变化的时间。快速响应时间对于实时控制 和测量非常重要。
1
短响应时间
光电式传感器通常具有快速的响应时间，能够即时检测和响应变化。
2
微秒级别
一些高速光电式传感器甚至能够在微秒级别的时间内完成响应。
3
应用领域
广泛应用于高速测量、快速反应控制和精确定位等领域。
用于气体检测、水质监测和灰尘控制。
光电式传感器的特点和优势
高精度
2 非接触式
可提供精确的测量和控制结果。
无需物理接触目标物体，减少磨损和污染。
3 快速响应
具有快速的感应和响应时间。
光电式传感器的原理图解
电路
传感器的工作原理以及与其他 电子设备的连接。
组成
传感器的核心组件和工作流程 的图解。
结构
传感器技术课件-光电式 传感器
本课件将介绍光电式传感器的工作原理、分类、应用场景以及特点和优势。 我们还将讨论光电式传感器的信号处理、响应时间、精度和灵敏度，以及常 见故障与解决方法。
传感器的基本原理
传感器通过感知环境中的物理量、化学量或生物量，并将其转换为可用的信号。基本原理包括电阻、 电容、磁性和光电效应等。
1
电阻
《传感器与检测技术》第八章光电式传感器
光 检 测 放 大
烟 筒
刻 度 校 对
显 示 报 警 器
吸收式烟尘浊度监测系统组成框图
3．包装充填物高度检测
光电开光
光电信号
h 放大 整形 放大
执行机构
利用光电检测技术控制充填高度
五、光电耦合器件
1．光电耦合器 （1）耦合器的组合形式
（2）耦合器的结构形式
（3）耦合器常见的特性
对于光电耦合器的特性，应注意以下各项参数。 1）电流传输比 2）输入输出间的绝缘电阻 3）输入输出间的耐压 4）输入输出间的寄生电容 5）最高工作频率 6）脉冲上升时间和下降时间
的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。
光敏晶体管的结构与原理电路
原理：光照射在集电结上时 ，形成光电流，相当于 三极管的基极电流。因而集电极电流是光生电流的 β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
（3）基本特性 1）光谱特性
应用：光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但 对红外光进行探测时，锗管较为适宜。
运动的“粒子流”，这种粒子称为光子。每个光子具
有的能量为： E=h·υ
υ—光波频率； h—普朗克常数，h＝6.63*10-34J/Hz
对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率 越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看 做是一连串能量为hγ的光子轰击在这个物体上，此 时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部 能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传 递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射
2．光电开关 （1）典型的光电开关结构
（2）光电开关的应用
第二节 光纤传感器
光纤传感器FOS（Fiber Optical Sensor)用光作为敏 感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。 因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
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光敏晶闸管外形
光敏面
基于光生伏特效应的光电元件 ——光电池
在N型衬底上制造一薄层P型层作为光 照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射 光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光 子就产生一对光生电子—空穴对， 光生 电 子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运 动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带 负电，P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光生 电动势输出。
报警
烟雾
无线烟雾报警器内部结构
可发出高分贝 笛鸣声的蜂鸣器
无线火灾烟雾传感器
无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花 板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在 警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工 作电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到 一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝 的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射 器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报 警信息传递出去。 无线发射器的报警距离在空旷 地可以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可 以达到20米。
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 材跑偏的方向及大小。
光电式带材跑偏 检测控制器原理
1— 被测带材 2—卷取电机 3—卷取辊 4—液压缸 5—活塞 6—滑台 7—光电检测装置 8—光源 9、10—透镜
11-光敏电阻R1 12—遮光罩
有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，
所以其外型与光敏二极管相似，从外观
上很难区别。
光敏三极管外形
光敏三极管内部结构
b)管芯结构 c）结构简化图 1—集电极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜 5—发射极引脚 6—N+ 衬底 7—N型集电区 8—SiO2保护圈 9—集电结 10—P型基区 11—N型发射区 12—发射结
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
光敏电阻
当光敏电阻受到 光照时， 阻值减小。
光敏电阻演示
当光敏 电阻受到光 照时，光生 电子—空穴 对增加，阻 值减小，电 流增大。
短路电流为 线性特性
一个典型的硅光电池的光电特性
1—开路电压曲线 2—短路电流曲线
光电元件的基本应用电路
光敏电阻的基本应用电路
a）UＯ与光照变化趋势相同的电路 b）UＯ与光照变化趋势相反的电路
光敏二极管应用电路
利用反相 器可将光敏二 极管的输出电 压转换成TTL 电平。
当光照增 加，Ui<（1/2） VDD时，反相器 翻转,输出变为 什么电平？
a) 内部组成
硅光敏晶体管的光谱特性
电磁波频谱
光电特性
IΦ
请判断灵敏度的高低
光敏 三极管
4mA
光 电 流
光敏 二极管
0.3mA
光照 3000lx
E
0
请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流IΦ
光敏晶闸管
光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极 k和门极g 。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸 管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源 负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过 玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门 极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通 状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维 持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须 使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其 维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光 敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因 此输出功率大，可用于工业自动检测控制。
封装形式
TO型
TO型
光敏二极管的反向偏置接法
在没有光照时，由 于二极管反向偏置，所 以反向电流很小，这时 的电流称为暗电流，相 当于普通二极管的反向 饱和漏电流。当光照射 在二极管的PN结（又称 耗尽层）上时，在PN结 附近产生的电子-空穴 对数量也随之增加，光 电流也相应增大，光电 流与照度成正比。
（2）光电式转速表
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 )
水泵转速测量
光电式转速表外形
光电自动门
自动门光电传感器 放大图
有效检测区域
4、被测物遮挡光通量的应用实例
（1）.光电式带材械发 生碰撞，易出 现卷边，造成 废品。
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。
光照
—
UO
+
光敏二 极管的 反向偏 置接法
当光照增加 时，光电流IΦ 与光照度成正 比关系。
光敏三极管
光敏三极管有两个PN结。与普通
三极管相似，有电流增益，灵敏度比光
敏二极管高。多数光敏三极管的基极没
光的特性
光是电磁波谱中的一员，不同波长光的分布下图所示，这些光的频 率（波长）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收 等性质。
光子能量计算式 E=hv 其中，h为普朗克常量，v为光的频率。 普朗克常数的值约为： h=6.626×10－34J•s ， 单位为焦（J）· 秒（s）。
可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。
光电式传感器
8.1 光电效应及光电器件 8.2 红外线传感器 8.3 色彩传感器 8.4 CCD图像传感器
8.5 光纤传感器
8.1 光电效应与光电器件
储料仓 定区域式光电开关 罐装高度检测 咖啡罐
流水线运行方向
光电器件原理及其特性
用光照射某一物体，可以看作物体 受到一连串光子的轰击，组成这物体的 材料吸收光子能量而发生相应电效应的 物理现象称为光电效应。 外光电效应：在光线的作 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紫外光 电管、光电倍增管、光电摄像 管等。
激光仅 用于瞄准
红外线辐射温度计外形
红外线辐射温度计 用于食品温度测量
红外线辐射温度计 在非接触体温测量中的应用
耳温仪
红外线辐射温度计用于人体额温测量
红外线辐射温度计在 非接触温度测量中的应用
集成IC 温度测量
红外线辐射温度计在非接触温度 测量中的应用（续）
利用红色激光瞄准被测 物（冷藏牛奶和面食）
APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）
硅雪崩光电二极管是采用n+p-πp+型结构的可见 光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比， 高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、 长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息 传输和光电对抗系统。
GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数
参数 光敏面直径 单位 mm GD3250-A GD3250-B 0.2 0.5 GD3250-C 0.8
光敏三极管光控继电器电路
当无光照时，V1截止，IΦ =0，则V2处于什 么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与 R b2位置上下对调，其结果如何？
光电池的应用电路
I/U 转换电路的输出电压Uo与光电流IΦ成正 比。若光电池用于微光测量时，IΦ可能较小，则 应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP 微调总的放大倍数。
暗电流（越小越好）
光敏二极管
将光敏二极管的 PN 结设置在透明管 壳顶部的正下方，光 照射到光敏二极管的 PN结时，电子-空穴 对数量增加，光电流 与照度成正比。
光敏二极管外形
光敏二极管阵列
包含1024个铟砷化镓 InGaAs元件的线性光电二极 管阵列，可用于分光镜。
红外发射、接收对管外形
红外发射管
指针将偏向左边还是右边？
带材纠偏系统
8.2 红外线传感器
1.红外线辐射温度计
红外辐射温度计既可用于高温测量，
又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐
射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温
度计的温度范围可以从-30℃~3000℃，中
间分成若干个不同的规格，可根据需要选
择适合的型号。
红外线辐射温度计外形
光电器件的应用
1、光源本身是被测物的应用实例
光的照度E 的单位是lx（勒 克斯），它是常 用的光度学单位 之一，它表示受 照物体被照亮程 度的物理量，可 以用照度计来测 量。
光电池 （外加柔 光罩）
2、被测物吸收光通量的应用实例
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
光电式浊度计工作原理
3、被测物体反射光通量的应用实例
（1）.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。
光电池外形
光敏面
能提供较大电流的 大面积光电池外形
其他光电池及在照度测量中的应用
柔光罩下面为圆形光电池
光电池在动力方面的应用
太阳能赛车 太阳能 硅光电池板
太阳能电动机模型
光电池在动力方面的应用（续）
太阳能发电
光电池在动力方面的应用（续）
光电池在人造卫星上的应用
光电池的光电特性
开路电压为 对数特性
参比通道
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
烟雾报警器外形
无烟雾时，光敏 元件接收到LED发射 的恒定红外光。而在 火灾发生时，烟雾进 入检测室，遮挡了部 分红外光，使光敏三 极管的输出信号减弱， 经阀值判断电路后， 发出报警信号。