8光电式传感器
光电式传感器原理与应用
光电式传感器原理与应用光电效应与光电器件一、光电效应光电效应可以分为以下三种类型：(1)外光电效应(2)光电导效应(3)光生伏特效应.(1)外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应。
只有当光子能量大于逸出功时，即时，才有电子发射出来，即有光电效应，当光子的能量等于逸出功时，即时，逸出的电子初速度为0，此时光子的频率为该物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。
利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。
(2)光电导效应.在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。
.由于这里没有电子自物体向外发射，仅改变物体内部的电阻或电导，有时也称为内光电效应。
与外光电效应一样，要产生光电导效应，也要受到红限频率限制。
利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。
(3)光生伏特效应.在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。
.利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。
二、光电器件的特性(1)光电流光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。
(2)暗电流光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。
(3)光照特性当光敏元件加一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E之间的关系，称为光照特性。
一般可表示为。
(4)光谱特性.当光敏元件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射光功率不变时，光电流随入射光波长变化而变化的关系，称为光谱特性。
.光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。
在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。
(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。
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。
光电式扭矩传感器工作原理
光电式扭矩传感器工作原理
光电式扭矩传感器是一种用于测量旋转装置扭矩的传感器。
它
的工作原理基于光电效应和应变测量技术。
首先，光电式扭矩传感器利用光电效应来测量扭矩。
在传感器
的内部，通常会有一对光栅或者光栅条，其中一个固定在传感器的
外壳上，另一个连接到旋转装置上。
当旋转装置受到扭矩作用时，
连接到旋转装置上的光栅条会发生相对于固定光栅的微小位移。
这
种位移会改变光栅之间的光学信号传输，进而产生一个与扭矩大小
成正比的光学信号。
其次，传感器会将光学信号转换成电信号。
这通常是通过内部
的光电传感器和信号处理电路来实现的。
光电传感器会检测光栅之
间的光学信号变化，并将其转换成电信号。
信号处理电路会进一步
放大、滤波和转换电信号，以便于后续的数字化处理或者直接输出
给用户。
最后，传感器会输出扭矩数值。
经过信号处理电路处理后的电
信号会被转换成扭矩的数值。
这个数值可以通过显示屏、数据接口
或者其他输出方式呈现给用户，以便用户能够实时监测扭矩的数值。
总的来说，光电式扭矩传感器通过光电效应测量扭矩，并通过
信号处理电路将光学信号转换成电信号，最终输出扭矩数值给用户。
它的工作原理相对简单，但在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。
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。
光电传感器有哪几种分类？
光电传感器有哪几种分类？光电传感器有哪几种？根据光电效应现象的不同将光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应及光生伏特效应。
光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。
下面小编介绍下光电传感器分类。
标准类型1）漫反射型：一般型或能量型(-8)，聚焦式(-8-H)，带背景抑制功能型(-8-H)光电传感器光电传感器，带背景分析功能型(-8-HW)2）反射板型：一般型(-6)，带偏振滤波功能型(-54,-55)，带透明体检测功能型(-54-G)，带前景抑制功能型(-54-V)3）对射型4）槽型5）光纤传感器：塑料光纤型，玻璃光纤型6）色标传感器，颜色传感器，荧光传感器7）光通讯8）激光测距：三角反射原理型，相位差原理型，时间差原理型9）光栅10）防爆/隔爆型安全类型1）安全对射光电2）安全光栅3）安全光幕4）安全控制器门控类型1）雷达传感器：区域检测型雷达传感器雷达传感器2）主动式传感器：单光束型，多光束型，区域检测型3）被动式传感器：区域检测型4）电梯光幕5）通用光电：槽形，对射型等特长①检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法远距离检测。
②对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。
③响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。
④分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。
也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。
⑤可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。
因此，传感器能长期使用。
⑥可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。
传感器-(光电式)讲课文档
第2章 光电式传感器 10
莫尔条纹
第三十九页，共91页。
第2章 光电式传感器 10
（1）莫尔条纹移动方向与两光栅相对移动方向垂 直。 （2）莫尔条纹有位移的放大作用。
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第2章 光电式传感器 10
第四十一页，共91页。
第2章 光电式传感器 10
光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移，若用光电 器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的 距离，也就测得了被测物体的位移量。
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第11、2章什么是光光电纤式传感传器感？器其在11检测液位、温度方面
怎么应用？
第四十六页，共91页。
第2章 光电式传感器 11
光纤传感器
光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也 称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量 可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化， 从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成 简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四 个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。
第八页，共91页。
图8-4
第2章 光电式传感器 4
4、光电二极管、光电三极管的结构？光电特性？
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。
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第2章 光电式传感器 4
光敏二极管 w光敏二极管在电路中的符号如图8-5所示。光敏二极 管的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光的 照射。使用时要反向接入电路中，即正极接电源负 极，负极接电源正极。即光敏二极管在电路中处于 反向偏置状态。无光照时，与普通二极管一样，反 向电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏电流， 称暗电流。
光电式传感器全解
7.1光电式传感器的基本元件
3.光敏晶体管
光敏二极管的PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏
二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时反向 电阻很大，反向电流很小。当光照射光敏二极管时，光子打在PN 结附近，使PN结附近产生光生电子—空穴对，它们在PN结处的 内电场作用下定向运动形成光电流。光的照度越大，光电流越大。 因此在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时， 光敏二极管处于导通状态。
7.1光电式传感器的基本元件
4.光电倍增管 光电倍增管是基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。
7.2 新型光电器件
7.2.1 CCD
电荷耦合器件(CCD)是一种大规模金属氧化物半导体(MOS)集成 电路光电器件，以电荷为信号。它具备光电信号转换、存储、转 移的功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优 点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、 传真、通信以及工业检测和自动控制系统。
7.3 光栅式传感器
7.3.1 工作原理
光栅式传感器(或称光栅测量系统)是指利用光栅原理对输入量(位移量)进行 转换、显示的整个测量装置。它包括三大部分：光栅光学系统；实现细分、 辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。
7.3 光栅式传感器
莫尔条纹 : 光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出的正弦
7.5 典型应用
6.光电开关 光电开关是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，
从而检测物体的有无。
7.5 典型应用
7.多普勒测速装置 当单色光束入射到运动体上某点时，光
波在该点被运动体散射，散射光频 率与入射光频率相比，产生了正比 于物体运动速度的频率变化，称为 多普勒频移。这种现象也称为光学 多普勒效应。多普勒频移不仅与入 射光频率有关，而且还带有运动体 的速度信息。因此，如果能测出多 普勒频移，就可以知道物体运动速 度。
光电传感器的应用与发展
一、引文光电传感器主要作为一种检测装置，目前常用的光传感器类型主要有光电管、光电倍增管和半导体光敏元件。
由于它具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵便多样，体积小，已经获得了广泛应用。
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现的，普通情况下，它有三部份组成，可分为发送器、接收器和检测电路。
投光器发出的光束被物体阻断或者部份反射，受光器最终作出判断，发射器发射光束普通来源于半导体的光源——发光二极管和激光二极管，光束不间断的发射或者改变脉冲宽度，接收器有光电二极管或者光电三极管组成，在接收器前面装有光学元件——透镜或者光圈，在其后面检测电路，滤出有效信号和应用信号，实现控制。
图 1 光电传感器的四种基本形式光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
如自动门传感、色标检出等。
在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。
这种物理现象称为光电效应。
通常把光电效应分为三类：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。
图 2 光电管基本结构在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。
基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。
图 3 光敏电阻基本结构在光线作用下，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。
二、研究现状与前景1) 检测距离长。
在对射型中保留10m 以上的检测距离等，便能实现其他检测手段。
2) 对检测物体的限制少。
由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。
光电式传感器PPT课件
第8章 光电式传感器
图 8-2 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图
第8章 光电式传感器
2.光敏电阻的主要参数
(1) 暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值 称为暗电阻，此时流过的电流成为暗电流。
(2) 亮电阻与亮电流 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。
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现 象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效 应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。
光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物 体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就 会逸出物体表面，产生光电子发射， 超过部分的能量表现为逸 出电子的动能。
8.1.2
1. 结构原理
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结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图8-8）。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-9），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，当光照射在PN结上，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。光的照度越大，光电流越大。因此 光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导 通状态。
第8章 光电式传感器
光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在 需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图8-11 是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体 管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流 放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步 放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也 增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。
8光电式传感器
8. 1光电效应及光电器件
8.2光纤传感器
8.3电荷耦合器件
8. 1光电效应及光电器件
8.1.1光电效应 1.光电效应的类型 根据爱因斯坦的光子假说:光是一粒一粒运动着的粒子流，
这些光粒子称为光子。每个光子具有一定能量，它的能量 由下式确定，即 E=hν (8一1) 式中:h—普朗克常数，h=6.626 x10-3J·s，; ν—光子频率。 光子以光速c传播，频率为ν，相邻两峰间的距离即为波 长λ，它们之间的关系为 λ=c/ν (8一2)
感。将其PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗日， 以便使光线集中在PN结上。
光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态，如图8
一13所示。当无光照时，与一般二极管一样，电路中 仅有很小的反向饱和漏电流，称暗电流，当有光照射 时，PN结附近受光子轰击，产生电子一空穴对，使 PN结内的载流子大大增加。在反向电压的作用下，反 向饱和漏电流增大，称为光电流。
3.色散
当光信号以光脉冲形式输入到光纤，经过光纤传输 后脉冲变宽，这种现象称为色散。光的色散是由于光 在介质中的速度以及介质的折射率与光的波长有关。 光纤色散使传播的信号脉冲发生畸变，从而限制了光 纤的传输带宽，所以在光纤通信中，它关系到通信信 息的容量和品质。光纤的色散分为材料色散、波导色 散和多模色散3种。对于多模光纤中的色散主要是由多 模色散引起的，单模光纤的色散主要由材料色散引起。
2)光电导效应 在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡
到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为 光电导效应。由于这里没有电子从物体向外发射，仅 改变物体内部的电阻或电导，与外光电效应对照，有 时也称为内光电效应。 光电导效应是由于在光线的照射下，半导体中的原子 受激发成为自由电子或空穴，它们参加导电使半导体 的电导率增加了。与外光电效应一样，要产生光电导 效应，一也要受到红限频率限制。 利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。
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。
光电传感器PPT
光敏二极管是最常见的光传感器。 光敏二极管的外型与一般二极管一样， 当无光照时，它与普通二极管一样， 反向电流很小（<µA），称为 光敏二极管的暗电流；当有光照时， 载流子被激发，产生电子-空穴，称 为光电载流子。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将 光信号转换成电信号的功能外，还有对 电信号放大的功能。光敏三级管的外型 与一般三极管相差不大，一般光敏三极 管只引出两个极——发射极和集电极， 基极不引出，管壳同样开窗口，以便光 线射入。为增大光照，基区面积做得很 大，发射区较小，入射光主要被基区吸 收。工作时集电结反偏，发射结正偏。 在无光照时管子流过的电流为暗电流 Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三 极管的穿透电流还小；当有光照时，激 发大量的电子-空穴对，使得基极产生的 电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光 电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见 光电三极管要比光电二极管具有更高的 灵敏度。
应用
一、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。
六、光电池在光电检测和自动控制方面的应用 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。
光电传感器工作原理及分类
光电传感器工作原理及分类
光电传感器是一种小型电子设备，各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件。
它主要是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
光电传感器光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电效应原理光电元件是光电传感器中最重要的组成部分，它的核心工作原理是不同类型的光电效应。
根据波粒二象性，光是由光速运动的光子所组成，当物体受到光线照射时，其内部的电子吸收了光子的能量后改变状态，自身的电性质也会发生改变，这样的现象称为光电效应。
根据电属性状态的不同变化，将光电效应分为以下三种：
1）外光电效应
在光线作用下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
2）光电导效应
半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。
内光电效应按其工作原理可分为光电导效应和光生伏特效应。
基于光电导效应的光电元件有光敏电阻，光敏晶体管等
3）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和光敏二极管、三极管等。
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照射时处于截止状态， 受光照射时处于导通 状态。
应用：光亮度测量、光耦合器件、非接触测量转速
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 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。
2021/2/13
第七章 光电式传感器
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。
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暗电流（越小越好）
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第七章 光电式传感器
光敏晶体管（二极管、三极管），有极性：
光照射——光电子空穴对——光生载流子 ——内建电场作用——光电流——PN结反向导通
在没有光照射时，反向电
信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅，信号电荷转移到移位 寄存器，奇数光敏单元的电荷转移到A寄存器，偶数光敏单元的 电荷转移到B寄存器。双通道线阵总的转移效率比单通道高。
转移栅
A寄存器
光积分区
输出
X
B寄存器
第七章 光电式传感器
面阵：光敏元排列成矩阵
光敏元面阵、 存储器面阵、 读出移位寄存 器线阵。
光照
第七章 光电式传感器
第七章 光电式传感器
• 原理
首先把被测量的变化转换成光信号的变化， 然后通过光电器件变换成电信号。
辐射源
光学通路
光电器件
输出
被测量
被测量
• 特性
频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等
第七章 光电式传感器
§7-1 光源
光源是光电式传感器的一个组成部分，大多 数光电传感器都离不开光源。
电电流的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体
• 代表：日光灯
第七章 光电致发光器件
• 原理：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象
称为电致发光
• 特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快 • 代表：发光二极管
第七章 光电式传感器
四、激光器
• 定义：能够产生光受激辐射放大现象的器件 • 特点：单色性好、方向性好、亮度高 • 分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、
二、光电器件
光信号→电信号
1、外光电效应应用器件
光电管
A
A
A——阳极，K——阴极
K
K
金属底层光电管
光透明光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时发射电子，中央带正 电的阳极吸引从阴极上逸出的电子，这样在光电管内就有电 子流，在外电路中便产生电流。
伏安特性
第七章 光电式传感器
入射光的频谱及光通量一定时，阳极 电流与阳极电压之间的关系。
逸出物体表面电子具有的动能
m——电子质量； v0——电子逸出速度； A0——物体的表面电子逸出功。
不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率限，
当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发
电子，此频率限成为“红限”，其临界波长λK为：
K hc/ A0
c ——光在真空中的速度。
第七章 光电式传感器
第八章 光电式传感器
太阳能电池片
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？
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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
外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。
2、内光电效应：又称光导电效应， 在光照作用下， 物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现
象。典型的光电元件有光敏电阻等。
3、光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生
一定方向的电动势的现象。典型光电元件有光电池、 光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。
第七章 光电式传感器
驱动电路 CCD
分类箱 3
2 1
细化二值化 处理
透镜
计算机
传送带
分类机构
第七章 光电式传感器
例3： 汽车信息无线传送系统
传回信号
汽车车牌
CCD
後端電腦
拍照 收发信号
触发
通过API传送
存取資料
RFID Tag
RFID Reader
後端資料庫
第七章 光电式传感器
§7-3 光电码盘
一、概述
脉冲式：需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感 元件给出一系列脉冲，它在计数器中对某个基数 进行加或减，从而记录了旋转的位移量。
Mn
所以
I in
式中，i为光电阴极的光电流
第七章 光电式传感器
几种光电倍增管的外形
第七章 光电式传感器
2、内光电效应应用器件：
光敏电阻 • 结构
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 电值阻在的几暗千电欧阻以值下用一。半般导在体兆材欧料量制级成， 亮电阻
暗电阻 暗电流 亮电阻 亮电流 光电流
• 热辐射光源 • 气体放电光源 • 电致发光器件 • 激光器
第七章 光电式传感器
一、热辐射光源
• 原理：热物体都会向空间发出一定的光辐射 • 特点：物体温度越高，辐射能量越大 • 代表：白炽灯、卤钨灯
第七章 光电式传感器
第七章 光电式传感器
二、气体放电光源
• 原理：电流通过气体会产生发光现象 • 特点：改变气体成分、压力、电流、阴极材料和放
黑色不透光区和白色透光 区分别代表二进制的“0” 和“1”。在一个六位光电 码盘上，有四六圈数字码 道，每一个码道表示二进 制的一位，里侧是高位， 外侧是低位，在360°范 围内可编数码数为26=64 个。
第七章 光电式传感器
2、误差问题 1） 编码器的精度取决于码盘的精度，分辨率则
决定于码道的数目。 措施：需要增大码盘的尺寸以容纳更多的码道 （对工艺提出很高要求）
阻很大，反向电流很小，
这光反敏向二电极流管称的为结暗构电与流一， 当般光二照极射管在相PN似结、上光，敏光
子二打极在管PN在结电附路近中，一使般PN是 结处附于近反产向生工光作生状电态子。和光
R U>0
生空穴对，它们在PN结
光
处的内电场作用下作定向
光敏二极管在不受光
运动，形成光电流。光的 照度越大，光电流越大。
硅光敏晶体管的光谱特性
电磁波频谱
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IΦ
4mA
光 电 流
光电特请判性断灵敏度的高低
光敏 三极 管
0.3mA
光敏 二极 管
光照
0
3000lx
E
2021/2/13 请计算当E=100lx时，光敏二极管的光25电流IΦ
第七章 光电式传感器
3、光生伏特效应应用器件：
+
P
P
----+++++
？如果将V1与R b2位置上下对调，其结果
2021如/2/13何？
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光电池的应用电路 ——光电池短路电流测量电路
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。
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第七章 光电式传感器
光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相 应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。
第七章 光电式传感器
光电效应按原理又分为以下3种：
1、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出 物体表面，形成光电流。
光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功
A0和动能，即：
Ek 12mv02 hf A0
单通道线阵 传输区：由转移栅及一系列移位寄存器组成。
光积分单元
转移栅
输出
不透光
移位寄存器
原理：光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏单元中，
接通转移栅后，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以 防因光生噪声电荷干扰导致图像模糊。
第七章 光电式传感器
双通道线阵
原理：有两个移位寄存器平行地配置在感光区的两侧。当光生
V3沟=1阻5V
少数载流子 P－Si
耗尽区
V2=10V（势阱）
衬底
V1=5V
(a) 剖面图
SiO2
VG 栅极
金属
P-Si
SiO2
表面势
电极
信号电荷 势阱
(b) 结构
P型或N型衬底(c) 有信号电荷势阱图
光
施加正电压于电极上——P型区形成势阱——产生 电子和空穴——势阱俘获电子（与光强成正 比）——形成MOS光敏元（象素）
第七章 光电式传感器
光电倍增管
• 由光电阴极、若干倍增极和阳极三
K
部分组成。
• 倍增极上的涂料在电子轰击下能发射 更多电子；
• 倍增极之间有依次增大的加速电压。
A • 二次发射系数
第七章 光电式传感器
• 倍增系数M
等于各倍增电极的二次发射系数σi 的乘积。如果
n个倍增电极的σi 都一样（ i ），则
2）同步困难：相邻两码之间若有一个码道提前 或延后，会造成读码误差。
解决措施 ：a、编码技术； b、扫描技术
第七章 光电式传感器
3、循环码盘
右图为6位循环码码盘。 （1）n位循环码有2n种不同
编码； （2）循环码为无权码； （3）循环码码盘相邻区域
的编码只有一位变化。
液体激光器
第七章 光电式传感器
§7-2 光电效应与光电器件