第8章光电式传感器(2015)

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。
红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用 （续）
温度 采集系统
利用红色激光瞄准被 测物（电控柜、天花 板内的布线层）
比色式温度传感器温度非接 触测量中的应用
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标的非接触测 温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟 雾、水蒸气和灰尘能力较强，Hale Waihona Puke Baidu受窗口玻 璃影响，能瞄准 ,测量小目标，可不考虑 距离系数，可以不完全被目标充满，不需 调焦就可准确测量。 比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如 : 烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现 场。
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
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。
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
热释电传感器的内部电路
场效应管
两块反向 串联的热 释电晶片
热释电传感器工作原理
热释电晶片表面必须罩上一块由一组平 行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透 镜单元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、第二单元透镜的视场，晶片上的两个 反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲 信号。当然，如果人体静止不动地站在热释 电元件前面，它是“视而不见”的。
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。
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
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。
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？
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
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
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。
2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用
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人体检 测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的 控制等。 热释电元件外形
热释电传感器简介
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。早在1938年，有人提出过利用热释 电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又 兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电 晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。 除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领 域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮 水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的 电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相 机自动记录动物或人的活动等等…… 您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加 优秀的新产品。或自动化控制装置。
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。
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。
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。
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
红外接收管
PIN光电二极管
PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻 率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作 频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压） 高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的 光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作 各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接 收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关、中波频带 到1000MHZ之间电流控制、可变 衰减器、各种通信设备收发天线的 高频功率开关切换和RF领域的高 速开关等。特殊结构的PIN二极 管还可用于测量紫外线或射线等。
（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。
工作电压
暗电流 响应度 上升时间
V
nA V/w ns pF
100~150
≤15 60 ≤1 ≤1 -20~+40
TO型 光纤型
100~150
≤25 60 ≤3 0.07 ≤1.5 -20~+40
150~250
≤35 60 ≤4 0.09 ≤2 -20~+40
噪声等效功率 Pw/Hz1/2 0.05 结电容 使用温度范围 ℃
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。
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。
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）
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
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