第7章 光电式传感器
第7章 传感器技术-光电效应及传感器
光源
被测非电量 位移、转速、 振动等
光学通路
光量
光电传感元件
△U 或△I
测量/显示
光电传感器的分类 按传感器输出量的性质， 按传感器输出量的性质，可以分为模拟式 开关式（脉冲式）二大类。 和开关式（脉冲式）二大类。
模拟式光电传感器
该类传感器基于光电元件的光电特性， 该类传感器基于光电元件的光电特性，其 基于光电元件的光电特性 光通量是随被测量而变， 光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 传感器输出量为连续变化的光电流， 传感器输出量为连续变化的光电流，器件 的光照特性呈单值线性， 的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持 均匀稳定。 反射式、 均匀稳定。它的形式有吸收式、反射式、遮光 式和辐射式。
5、时差测距。典型应用如光电测距仪， 时差测距。典型应用如光电测距仪， 是将恒定光源发出的光投射到目的物， 是将恒定光源发出的光投射到目的物，并用 光电元件接收反射光， 光电元件接收反射光，通过对光信号在光源 与目的物之间往返时间的测量， 与目的物之间往返时间的测量，从而计算出 光源与目的物间的距离。 光源与目的物间的距离。
发光二极管阵列（SSPA） 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件（CCD）
这两类光电器件实际上是集成化、 这两类光电器件实际上是集成化、 模块化的光电元件组合， 模块化的光电元件组合，他们的工作原 理类似，根据需要， 理类似，根据需要，可以做成线阵或面 阵的形式。 阵的形式。目前在图象采集与处理技术 电荷耦合器件CCD CCD已经得到了大量 中 ， 电荷耦合器件 CCD 已经得到了大量 的应用。 的应用。
内光电效应－ 内光电效应－
光电式传感器
-20 ºC 3.0 4.0 λ/μm
21
常用光敏电阻旳性能参数
给出常用国产MG型光敏电阻旳性能参数
表2.5（1）
常用旳光敏电阻器型号有密封型旳MG41、MG42、MG43和非密封型旳MG45（售22价便 宜）。它们旳额定功率均在200mW下列。
② 光敏晶体管
广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电 机转速旳检测、光电读出装置等场合。
根据能量守恒定理
h
1 2
m02
A
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。 h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光旳频率（s-1）
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
可见：光电子能否产生，取决于光子旳能量是否不小于该物体旳表面逸出功。
h A
hc A
1.239 A
m
0
即入射光波长不大于波长限
光敏二（三）极管存在一种最佳敏捷度旳峰值波长。当入射光旳波长增长时， 相对敏捷度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光旳 波长缩短时，相对敏捷度也下降，这是因为光子在半导体表面附近就被吸收， 而且在表面激发旳电子空穴对不能到达PN结，因而使相对敏捷度下降。01.239 A Nhomakorabeam
时才干产生外光电效应 6
光电管
光电管是装有光阴极和阳极旳真空玻璃管，其阴极受到合适旳光照后发 射光电子，这些光电子被具有一定电位旳阳极吸引，并在管内形成空间 电子流，称为光电流。 此时若光强增大，轰击阴极旳光子数增多，单位时间内发射旳光电子数 也就增多，光电流变大。 在光电管旳外电路上接合适电阻，电阻上旳电压降将和管内空间电流成 正比，或与照射到光电管阴极上旳光有函数关系，从而实现光电转换。
第七章 光电型传感器与测量电路
2．光生伏特效应及器件 光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。 当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着 内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图7-12所示。 当光照射到结区时，光照 产生的电子一空穴对在结电场 作用下，电子推向N区，空穴推 向P区；电子在N区积累和空穴 在P区积累使PN结两边的电位 发生变化，PN结两端出现一个 因光照而产生的电动势，这一 现象称为光生伏特效应。由于 它可以像电池那样为外电路提 供能量，因此常称为光电池。
图7-8 金属封装的CdS光敏电阻
图7-9 光电二极管原理图
(2) 光敏二极管PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特 效应工作。如图7-9所示，处于反向偏置的PN结，在无光照时 具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子一 空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈 大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此 光照时的反向电流基本上与光强成正比。
图7-3 光电管
光电倍增管的结构如图7-4 所示。在玻璃管内除装有光电 阴极和光电阳极外，尚装有若 干个光电倍增极。光电倍增极 上涂有在电子轰击下能发射更 多电子的材料。光电倍增极的 形状及位置设置得正好能使前 一级倍增极发射的电子继续轰 击后一级倍增极。在每个倍增 极间均，依次增大加速电压。 光电倍增管的主要特点是： 光电流大，灵敏度高，其倍增 率为N=δn，其中δ为单极倍增 率(3～6)，n为倍增极数(4～14)。
7.3常用光电器件
光电器件是光电传感器的重要组成部分，对传感器的性能 影响很大。光电器件是基于光电效应工作的，种类很多。所谓 光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的 能量而产生的电效应。一般地，光电效应分为外光电效应和内 光电效应两类。因此，光电器件也随之分为外光电器件和内光 电器件两类。 7.3.1 外光电效应及器件 在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现 象称为外光电效应。 根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。 因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该 物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A， 因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λ0)，称 为“红限”，不同金属光电效应的红限见表7-2。
传感器(电子教案)第7章
表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上 光通量φ之间的关系。
2．伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同 光电流的关系叫伏安特性 ，如图7-4(c)所示。
3．光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。 保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系 叫光电管的光谱特性。光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯 性特性、暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和 有关手册合理选用。
第7 章
光电式传感器
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。
7.1光电效应 7.2光电元件及其特性 7.3光电式传感器的测量电路 7.4光电传感器及其应用 7.5光纤传感器 7.6电荷耦合器件（CCD） 7.7光栅式传感器 7.8激光式传感器 本章要点
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7.1 光电效应
由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒 子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。 光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击 在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后 产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型。
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7.3光电式传感器的测量电路
要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光 电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 图7-14 真空光电管的差接测量电路 钨丝灯泡 图7-15 光电倍增管的测量电路 电弧灯或石英灯 激光 图7-16 光敏电阻开关电路 7.3.2测量电路 图7-18 具有温度补偿的光敏二极管 光电管的测量电路 测量电路 光电倍增管的测量电路 光敏电阻的测量电路 光敏晶体管的测量电路 光电池的测量电路
光电式传感器工作原理
光电式传感器工作原理
光电式传感器利用光电效应的原理来感知物体的存在或测量物体的位置、距离等信息。
其工作原理如下：
1. 光电效应：光电效应是指当光线照射到某些物质表面时，能够使物质中的电子获得足够的能量从而从原子或分子中脱离出来。
这些脱离的电子称为光电子。
2. 光电传感器结构：光电式传感器通常由光源、探测器和信号处理电路组成。
光源一般为发光二极管（LED）或激光二极管（LD），用来发射光束。
探测器一般为光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光电二极管等，用来接收光束。
信号处理电路则用来处理探测器接收到的光强信号，并将其转化为电信号输出。
3. 功能原理：光电式传感器的工作原理可以分为两种不同的方式。
- 光电隔离式：光源和探测器分别位于传感器的两侧，通过
光束在两侧之间的遮挡来感知物体的存在。
当物体遮挡了光束，探测器接收到的光强就会减弱，从而触发传感器输出信号。
这种方式常用于物体检测、计数和测量等应用。
- 反射式：光源和探测器位于同一侧，通过物体对光线的反
射来感知物体的存在或测量物体的位置。
当光束照射到物体上并反射回探测器时，探测器接收到的光强会发生变化，从而触发传感器输出信号。
这种方式常用于物体的位置检测和距离测
量等应用。
总的来说，光电式传感器利用光电效应，通过光源和探测器的组合来感知物体的存在或测量物体的位置、距离等信息。
不同的工作方式可以适用于不同的应用场景。
(整理)第七章光电传感器习题答案
•第七章光敏传感器•1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。
与之对应的光电器件有哪些？•2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？•4．试述光电倍增管的组成及工作原理？•5．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别？•6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？•7．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。
答案：一、光电效应分为两类：外光电效应和内光电效应外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。
内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。
分为光电导效应（如：光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管、光电三极管）。
二、、对于不同的本征半导体材料，禁带宽度Eg不同，对入射光的波长或频率的要求也不同，一般都必须满足：7he1.24「hv=T^^-Eg式中v、A分别为入射光的频率和波长。
对于杂质半导体：Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。
欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。
在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。
在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。
2、热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。
要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。
3、残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。
这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。
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。
光电式传感器工作原理
光电式传感器工作原理
光电式传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置。
其工作原理基于光电效应，即当光线照射到光敏元件上时，会引起该元件内部电子的跃迁，从而产生电流或电压。
光电式传感器通常由发射器和接收器两部分组成。
发射器通常是一个光源，它会产生一个特定的光束，并将其照射到待测物体上。
接收器则是光敏元件，它能够接收被物体反射、散射或透过的光束。
当光线照射到待测物体上时，一部分光线会被物体吸收，一部分光线会被物体反射回来。
接收器会接收到被物体反射回来的光线，并将其转化为相应的电信号。
这个电信号可以被放大、处理和解读，从而得到相应的物体信息。
光电式传感器可以应用到各种不同的领域中，如自动控制、检测和测量。
在自动控制中，它可以用来检测物体的位置、颜色、形状等属性，从而实现自动化的控制系统。
在检测和测量中，它可以用来检测流体的液位、物体的距离、物体的速度等参数。
总的来说，光电式传感器通过光电效应将光信号转化为电信号，从而实现对物体进行检测和测量的功能。
其工作原理简单而有效，被广泛应用于各个领域中。
光电式传感器的检测方法
光电式传感器的检测方法光电式传感器是一种常见的传感器类型，它可以利用光电效应来检测目标物体的存在与否、位置或其他特定属性。
在本文中，我们将一步一步地介绍光电式传感器的检测方法。
第一步：确定检测目标在使用光电式传感器进行检测之前，我们首先需要确定我们要检测的目标是什么。
光电式传感器可以用来检测许多不同类型的物体，如金属、木材、纸张等。
根据目标物体的特性，我们可以选择合适的光电式传感器类型。
第二步：选择合适的光电式传感器根据目标物体的特性，我们可以选择合适的光电式传感器。
常见的光电式传感器类型包括对射式传感器、反射式传感器和光纤传感器。
对射式传感器由发光器和接收器组成，其工作原理是通过测量目标物体与传感器之间的光的遮挡程度来进行检测。
反射式传感器则是通过目标物体对发射出去的光进行反射来进行检测。
光纤传感器则通过传输光信号并检测信号的变化来进行检测。
第三步：安装光电式传感器一旦选择了合适的光电式传感器，我们需要将其正确地安装到目标物体的检测位置。
安装的位置和方式会影响传感器的检测性能。
通常情况下，光电式传感器应该被安装在一个适当的高度和角度，以便与目标物体进行有效的交互。
此外，我们还需要确保光电式传感器与外界环境的适应性，例如避免暴露在直接阳光下或湿度较高的环境中。
第四步：调整传感器的参数一旦光电式传感器安装完毕，我们需要根据具体的应用要求来调整传感器的参数。
这些参数包括灵敏度、响应时间、检测距离等。
通过调整这些参数，我们可以使光电式传感器适应不同的工作环境和目标物体的需求。
值得注意的是，在调整传感器参数时，我们需要根据实际情况进行适当的测试和调试，以确保传感器的准确性和稳定性。
第五步：进行测试和校准在光电式传感器安装和参数调整完成后，我们需要进行测试和校准来确保传感器的准确性和可靠性。
通过测试，我们可以验证光电式传感器是否能够准确地检测目标物体的存在与否，以及在不同条件下的工作性能。
如果测试结果不符合要求，我们可以根据实际情况进行校准，以提高传感器的检测性能。
(完整word版)第7章 光电式传感器习题
第7章光电式传感器习题1. 什么是光电效应? 什么是内、外光电效应?当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。
这种现象称为光电效应。
2 试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异．给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述。
3假如打算设计—种光电传感器，用于控制路灯的自动亮灭(天黑自动点亮，天明白动熄灭)。
试问可以选择哪种光电器件?试设计电路。
4光电转速传感器的测量原理是将被测轴的转速变换成相应频率的脉冲信号，然后，测出脉冲频率即可测得转速的数值。
试根据这一思路画出光电转速传感器的检测变换部分的工作原理示意图，图中的光电转换元件选用哪种光电器件比较合适?为什么？5 利用光敏器件制成的产品计数器，具有非接触、安全可靠的特点，可广泛应用于自动化生产线的产品计数，如机械零件加工、输送线产品、汽水、瓶装酒类等。
还可以用来统计出入口入员的流动情况。
试利用光电传感器设计一产品自动计数系统，简述系统工作原理。
产品计数器的工作原理，如图所示。
产品在传送带上运行时，不断地遮挡光源到光敏器件间的光路，使光电脉冲电路随着产品的有无产生一个个电脉冲信号。
产品每遮光一次，光电脉冲电路便产生一个脉冲信号，因此，输出的脉冲数即代表产品的数目。
该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来一、单项选择题1、晒太阳取暖利用（）；人造卫星的光电池利用（）；植物生长利用了（）；A光电效应 B 光化学效应 C 光热效应 D 感光效应2、蓝光的波长比红光（），相同光通量的蓝光能量比红光（）。
A大 B 小 C长 D短3、光敏二极管属于（ B ），光电池属于（）。
A外光电效应 B 内光电效应 C光生伏特效应4、光敏二极管在测光电路中应处于（）偏置状态，光电池处于偏置状态( )A正向 B反向 C零5、光纤通信中，与出射光纤耦合的光电元件选用（）。
传感器与检测技术 (胡向东 刘京诚 著) 机械工业出版社 课后答案
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250～350kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10MΩ，R3=250kΩ，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。
传感器与检测技术光电式传感器解读
二、光子探测器
光子探测型器件基于光电效应原理，即利用光 子本身能量激发载流子。这类器件有一定的截 止波长，但响应速度快，灵敏度高，使用最为 广泛。
什么是光电效应？
光是由光子组成的，其能量和频率关系为
E=hf
光照在物体上可看成是一连串具有能量为E的光 子轰击物体，如果光子能量足够大，物质内部
第七章 光电式传感器
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组成
光电传感器一般由辐射源、光学通路、光电器 件组成。
工作原理
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。
被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将待 测信息调制到光波上，通过改变光波的强度、 相位、空间分布和频谱分布等，由光电器件 将光信号转化为电信号。电信号经后续电路 解调分离出被测量信息，实现测量。
特点：灵敏度高，体积小，重量轻，光 谱响应范围宽，机械强度高，耐冲击和 振动，寿命长。纯电阻元件，无源器件， 有电流通过时，会产生热的问题。电路 简单。适用于红外探测。
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（三）光电结型探测器 与光电导型工作原理相似，利用光子引 起的电子跃迁将光信号转变为电信号， 只是光照射在半导体结上而已，。 主要有：光电二极管和光电三极管。
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图7-8 硅光电池构造原理和图示符号
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半导体光电器件的特性 包括：光电特性、伏安特性、光谱特性、件的光电特性
a）硒光敏电阻的光电特性 b）光敏晶体管的光电特性 c）硅光电池的光电特性
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图7-11 半导体光电器件的伏安特性
a）光敏电阻的伏安特性 b）锗光敏晶体管的伏安特性 c）硅光电池的伏安特性
气体放电光源 激光器 电致发光器件
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光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度
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7.2.1 红外辐射的基本定律
3 、维恩位移定律 热辐射发射的电磁波中包含着各种
波长。物体峰值辐射波长 与物体的自 身的绝对温度 成反比，即
T a
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7.2.2 红外传感器的组成及原理
红外传感器一般由光学系统、敏感元 件（也叫探测器）、前置放大器和信 号调制器等组成。红外探测器是红外 传感器的核心。红外探测器是利用红 外辐射与物体相互作用所呈现的物理 效应来探测红外辐射的。红外探测器 的种类很多，按探测机理的不同，分 为热探测器和光子探测器两大类。
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②光敏三极管外形
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③ 光敏晶闸管
光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管 光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有
的可达数百伏，导通电流比光敏三极管 大得多，因此输出功率很大，在自动检 测控制和日常生活中应用会越来越广泛。
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光敏晶闸管外形
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7.1.4 光电传感器的应用
1、烟尘浊度监测仪 烟囱里的烟尘浊度是通过光在烟囱里
传输时的变化大小来检测的。如果烟尘 浊度增加，那么光源发出的光被烟尘颗 粒的吸收和折射就会增加，使到达接收 端的光减少，因而光检测器输出的信号 就会减弱；反之，烟尘浊度减少，光检 测器输出的信号就会增强。
典型的光电开关结构
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1—发光元件 2—接收元件 3—壳体 4—导线 5—反射物 6—窗体
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光电开关外形
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应用范围
用光电开关检测物体时，大部分只要求 其输出信号有“高—低”之分即可。
光电式传感器的4种应用形式
光电式传感器的4种应用形式光电式传感器是一种利用光电效应来实现信号检测和转换的传感器。
它通过光电元件将光能转化为电能，然后再将电能转化为与被测物理量有关的信号，从而实现对被测量的检测和测量。
光电式传感器的应用形式多种多样，可以广泛应用于工业生产、安防监控、医疗健康、环境检测等领域。
下面将分别介绍光电式传感器的四种主要应用形式。
第一种应用形式是接近开关。
光电式传感器可以通过检测物体与传感器之间的距离来实现接近开关的功能。
当被测物体靠近或远离传感器时，光电信号的强度会发生变化，通过检测光电信号的变化即可实现接近开关的控制。
这种应用形式在工业生产中得到广泛应用，例如在流水线上控制物体的进出、在自动门系统中控制门的开关等。
第二种应用形式是测距传感器。
光电式传感器可以利用光的传播速度和探测到光的时间差来测量被测物体与传感器之间的距离。
这种应用形式在机器人导航、无人驾驶等领域具有重要意义。
例如，在无人驾驶汽车中使用光电式传感器来测量与前方物体的距离，以便及时做出避让或制动的决策。
第三种应用形式是光电编码器。
光电式传感器可以利用光电元件对光信号的变化进行检测和计数，从而实现对物体运动的监测和控制。
光电编码器常用于旋转运动的测量和控制，可以精确地测量物体的角度和转速。
在机械制造、自动化控制等领域中，光电编码器被广泛应用于机器人关节的控制、数控机床的位置反馈等方面。
第四种应用形式是光电传感器阵列。
光电式传感器阵列由多个光电元件组成，可以实现对多个位置的物体进行检测和识别。
光电传感器阵列常用于图像传感和图像处理领域，如机器视觉、物体识别和跟踪、人脸识别等。
通过光电传感器阵列可以获取物体的形状、大小、颜色等信息，进而实现对物体的自动识别和分类。
总的来说，光电式传感器的应用形式多种多样，可以根据不同的需求和场景进行选择和组合。
它在工业生产、安防监控、医疗健康、环境检测等领域发挥着重要作用，为人们的生活和工作带来了便利和安全。
传感器(第6版) PPT课件第7章
第二节 光电器件
一、热探测器 原理及特点：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器， 它的突出优点是能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应， 尤其适用于红外的探测。 种类：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。 1、测辐射热电偶 与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层，当 有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。 2、测辐射热敏电阻 用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度 的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。
第一节 光源
四、激光器 激光产生的过程： ➢某 些 物 质 的 分 子 、 原 子 、 离 子 吸 收 外 界 特 定 能 量 （ 如 特 定 频 率 的 辐 射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）； ➢如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反 转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射 出与激发光子频率相同的光子（受激发射）； ➢由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为 光的受激辐射放大。 ➢具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
传 感 器（第6版）
哈尔滨工业大学 唐文彦 主编
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
第七章 光电式传感器
第一节 光源 第二节 光电器件 第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件 第四节 光纤传感器 第五节 光栅式传感器 第六节 激光式传感器
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第七章 光电式传感器
波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线
第一节 光源
红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
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3． 光敏电阻的主要参数
（１） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。
（２） 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 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。
4． 光敏电阻的基本特性 （1） 伏安特性：在一定光照度下, 流过光敏电阻的
光电管结构
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 的光敏材料涂敷在玻璃泡内 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。
光电倍增管
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，其工作原理如下图。
电流与光敏电阻两端的电压的关系
I随着光照E增强而增大。 E↑→R↓→I↑。
(2) 光照特性（I～E）
光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元 件，主要用于自动控制中。
如光照度计：农作物日照时数测定。
VH
无光照V0=VL 。有光照V0=VH。
Rw
RC
输出接单片机的I/O口，每2分
A
V0 钟对此口查询1次，为高电平， 9013 计数一次，为低电平，不计
自动干手器
手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电 池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器 吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。手 干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上， 产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止， 继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。
(2) 温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和 短路电流随温度变化的情况。
第七章 光电式传感器
• 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
光电器件变换成电信号。
光电式传感器的组成
光电式传感器特点：
• 频谱宽 • 不受电磁干扰的影响 • 非接触测量 • 体积小 • 重量轻 • 造价低
第一节 光源
一、热辐射光源 二、气体放电光源 三、电致发光器件－－发光二极管 四、激光器
1.气体激光器 2.固体激光器 3.半导体激光器
第二节 光电器件
光电器件的作用是将光信号转变为电信号。 其工作的物理基础是光电效应。
h
Rg
h E
内光电效应：光作 用，使光电器件的 电阻率变化。
器件：光敏电阻。
阻挡层光电效应：光作用，使光 电器件产生一定方向的电动势。
器件：光电池，光敏二极管、光 敏三极管。
h Eg
或 hc
Eg
产生内光电效应的临界波长为
0
1293 Eg
(nm)
0越小，Eg 越大, 需光子能量越高。
制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物和金 属硒化物。
（三）光电结型探测器
1.光电二极管
工作原理与光电导型探测器相似，利用光子引 起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电 流与光强成正比。
阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。
2.光敏电阻的结构
它是涂于玻璃底板上的 一薄层半导体物质, 半导 体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端相 连接, 光敏电阻就通过引 出线端接入电路。
为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆
盖了一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏
感的波长范围内透射率最大。
开路电压随温度升高而下降的速度较快, 短路电流随温度升高而缓慢增加。
所以把光电池作为测量器件应用时, 应保证温度 恒定或采取温度补偿措施。
（二）光电导探测器
半导体材料在光线作用下，其电阻值变小，这种现象称为 光导效应，具有光导效应的材料称为光敏电阻，也叫光导 管。
一、
１． 光敏电阻的结构与工作原理
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。二极管处于截止状态。
当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附 近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场 作用下作定向运动, 形成光电流。二极管处于导通状态。 光的照度越大, 光电流越大。
2.雪崩二极管
光电池工作原理图
uA
输出电流
mV
输出电压映短路电流、开路电压与光照度的关系。
短路电流在很大范围内与光照强度成线性关 系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。
开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度 的关系是非线性的。光电池工作于开路电压状态， 可做开关元件。
光电器件按探测原理分为：热探测型和光子探测型 一、热探测器： 基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器 （一）测辐射热电偶 （二）测辐射热敏电阻 （三）热释电探测器 二、光子探测器
基于一些物质的光电效应 光子的能量与频率的关系为
E hf
h——普朗克常数，h=6.626×10-34J.S
（一）光电发射探测器
光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成 的光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使 用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。无光照时, 光敏 电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻 值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此 时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电
光电池
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。 光电 池在有光线作用下实质就是电源, 电路中有了这种器件就不 需要外加电源。
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。 它实质上 是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面, 例如p型面 时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么p型区每吸 收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面 向内迅速扩散, 在结电场的作用下, 最后建立一个与光照强度 有关的电动势。
RG
VL
数。1天查询720次。 H N 24(h) 720
二、光敏电阻工作原理 内光电效应。
光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收 了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强 了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又 复合，阻值恢复。
导带
uA
h
Eg
E
I Rg
价带
要使价带电子跃迁到导带，入射光子的能量满足