光照度传感器 最全

光电式传感器原理
光电式传感器一般由辐射源、光学通路、 welcome to use these PowerPoint templates, New
光电C器ont件ent 三des部ign,分10组yea成rs e。xpe被rien测ce 量作用于辐射 源或光学通路，从而将被测信息调制到光 波上，使光波的强度、相位、空间分布和 频谱分布等发生改变，光电器件将光信号 转换为电信号，电信号经后续电路解调分 离出被测信息，从而实现对被测量的测量 。
基于内光电效应的光电器件有光敏电 阻、光电池、光敏二极管和光敏三极 管等
内光电效应
内光电效应→光敏电阻
• 1-梳状电极； 光敏电阻结构图 • 2-光导体； • 3-透光窗口; • 4-外壳; • 5-绝缘基体； • 6-黑色玻璃支柱： • 7-引脚
内光电效应→光敏电阻
RG RL
光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是一种均 质半导体光电器件。在玻璃底板 上均匀地涂上一层薄薄的半导体 材料，两端装上金属电极，然后 压入塑料封装体内。
光电效应
Heinrich Hertz（ 1857—1894） 当弧光灯发出的光束照射到锌板上时，验电器指针摆动 。 提出著名的普朗克辐射公式、光量子假说（能量量子）
在《关于光的产生和 转化的一个启发性观 点》一文中，用光量 子理论对光电效应进 行了全面的解释。
Heinrich Ludwig Planck 1858A-1lb9e4r7t Einstein（1879 - 1955）
(i=1,2,…)的乘积，若有n个倍增电极，且每级的
di都一样，则
M
d
n i
(7.4)
一般M在105～108之间。因此，设光电阴极的
光电流为I0 ，则到达阳极的电流为
I
I
0d
n i
(7.5)
外光电效应器件→光电倍增管
光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常高， 信噪比大，线性好，多用于微光测量。
几种光电倍增管的外形如图所示。
φ
D1
D3 A
K
D2
D4
RU
L0
图光电倍增管结构及工作原理
外光电效应器件→光电倍增管
工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极K时， 立刻有电子逸出，逸出的电子受到第一倍增极正电位作用，使 之加速打在第一倍增极，第一倍增极发射的电子(即二次发射) 在第二倍增极更高正电位作用下，再次被加速打在第二倍增极 上，第二倍增极又会产生二次电子发射，这样逐级前进，直到 电子被阳极A收集为止。
– 暗电流：无光照时，光电流不为零的现象； – 温度特性：光电管的光照特性、伏安特性等会受温度影响； – 频率特性：当光强按照一定频率变化时，光电流随频率变化的关
系； – 稳定性和衰老：短期稳定性好；入射光越强衰老越快。
外光电效应器件
外光电效应器件→光电倍增管
光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的 基础之上。在玻璃管内除有光电阴极和光电阳极外，还有若 干个光电倍增极，光电倍增极的形状及位置设置得正好使前 一倍增极发射的电子继续轰击后一倍增极。光电倍增极上涂 有在电子轰击下能放射更多“次级电子”的材料，常用的有 锑化钨、氧化银镁合金等。
无光照射时：呈现高阻状态，称 暗阻，一般在兆欧级。
有光照射时：呈现低阻状态，称 亮阻，一般在几千欧以下。
灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价 格便宜。在检测与自动化技术中广泛应用
内光电效应→光敏电阻
将光敏电阻接到外电路中时，若改变光照射，回路电流改 变。为提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。面 积较大的光敏电阻，通常采用在光敏电阻薄膜上蒸镀金属梳状 电极。常用的光敏电阻材料有硫化镉、硒化铅、碲化铝等。
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光照度检测
什 么 是 光 照 度
怎
光
光
样 检 测 光 照
光 电 效 应
电
电
传
传
感
感
器
器
的
的
分
应
度
类
用
什么是光照度？
光照度即每平方米的流明（lm）数，也叫做勒克斯 （Lux），是照度的国际单位，又称米烛光。可以标作勒 ［克斯］，简称勒。英为lux，简作lx.
光电效应
光电元件的理论基础是光电效应。 光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所形成， 每个光子具有的能量hγ正比于光的频率γ（h为普朗 克常数）。 用光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量 为hγ的光子所轰击。 物体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。
光电传感器
光 外光电效应 电 效 应 内光电效应
• 一个普通40瓦的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10 流明，因此可以发出400流明的光。
• 40瓦的白炽灯220伏时，光通量为340流明。光通量是 描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力， 单位是流明，也叫明亮度。
• 照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义 是照射到单位面积上的光通量.
• 1967年法国第十三届国际计量大会规定了以坎 德拉、坎德拉/平方米、流明、勒克斯分别作 为发光强度、光亮度、光通量和光照度等的单 位，为统一工程技术中使用的光学度量单位有 重要意义。
内光电效应→光电池 光电池 光电池是在光线照射下，利用光生伏特效应， 将光量转变为电动势的光电器件。由于它常用于 把太阳能变成电能，因此又称太阳能电池。
外光电效应器件
外光电效应器件→光电管
1. 光电管
可分为两大类：真空光电管和充气光电管，结构类似， 都是内装有光阴极和阳极的玻璃管。
外光电效应器件→光电管
(1)真空光电管 真空光电管由一个阴极K和一个阳极A 构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相 联，阳极A通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电 场。当光照射阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下被 阳极收集，形成电流，该电流引起负载上的压降随光照强弱 而变化，从而实现了光信号转换为电信号的目的。
各种环境照度值：单位 lux
各种环境照度值：单位 lux
3000 ～ 1500 制图、精密工作
1500 ～ 750 设计室、分析、组立线、涂装 开刀房
750 ～ 300 包装、计量、表面处理、仓库办公室
300 ～ 150 床
150 ～ 75
染色、铸造、电气室 病房、药品室、病 走廊、通道、楼梯、化妆室、厕所
材料的表面，进入外界空间，这种现象称为外光电效应
。
外光电效应
外光电效应可由爱因斯坦光电方程来描述：
h 1 m 2 A
2
式中： h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s) γ——光的频率（s-1） m——电子质量； v——电子逸出速度。
因此，光电材料表面多数涂覆一层薄的逸出功小的化合物， 例如，铯、氧化铯和锑化铯等。入射光的频率愈高（其波长 愈短），其光子能量愈大，愈容易产生外光电效应，而与光 强无关。在能产生外光电效应的前提下，单位时间内逸出的 电子数量与光强成正比，因此光电流与光强成正比。 根据外光电效应制造的光电元件有光电管和光电倍增管等。
75 ～ 30 仓库、屋外动力设备、 医 院
概述
光电式传感器是采用光电元件作为检测元件
、将光通量转换为电量的一种传感器。其基础 是光电转换元件的光电效应。先把被测量的
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。光电传感器一般由 光源、光学通路和光电元件三部分组成。具有非 接触、高精度、高分辨率、高可靠性、反映快等 特点，使其在检测和控制领域获得了广泛的应用 。
有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置， 使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一方向 被照面上的照度。例如摄像、摄影照明灯、手电筒和汽车 前灯等都装有反光镜。
关系：1 lux=1 lm/平方米=1 cd× sr/平方米
• 流明，光通量的单位。发光强度为1坎德拉(cd)的点光 源，在单位立体角sr（1球面度）内发出的光通量为 “1流明”，英文缩写(lm)。简单来说，就是指蜡烛一 烛光在1公尺（1米）以外所显现出的亮度。
• 光敏电阻和其它半导体 器件一样，受温度影响 较大。温度变化时，影 响光敏电阻的光谱响应、 灵敏度和暗电阻。
• 硫化铅光敏电阻受温度 影响更大。
• 右图为硫化铅光敏电阻 的光谱温度特性
S / (%)
100
80 ＋ 20℃
－ 20℃
60
40
20 0 1.0 2.0 3.0 4.0
/ m
内光电效应
内光电效应
内光电效应按其工作原理可分为：光电导效应、光生伏特效应 1.光电导效应
在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态 ，从而引起材料载流子浓度增加，使电阻率变化，这种现象称为光电导效应。
2.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称为光生伏 特效应。典型光电元件有光电池等。
• 右图为硫化镉光敏电阻 的伏安特性
光敏电阻的基本特性
• ③光谱特性
• 光敏电阻的相对光敏灵
敏度与入射波长的关系。
即光敏电阻对入射光的
100
光谱具有选择作用，即
80
Sr / (%)
光敏电阻对不同波长的
60
入射光有不同的灵敏度。
40
20
0
硫化铅
硫化铊
硫化镉
1.5
3
/A
光敏电阻的基本特性
• ④温度特性
外光电效应器件→光电管
(2)充气光电管 如果在玻璃管内充入少量的惰 性气体(如氩、氖等)，即构成充气光电管。当充气 光电管的阴极被光照射后，产生的光电子在飞向阳 极的途中，对惰性气体进行轰击，使其电离，从而 产生更多的自由电子，形成数倍于真空光电管的光 电流，提高了光电变换的灵敏度。但充气光电管的 光电流与入射光强度不成比例关系，所以较少采用。 充气光电管的管内可充单纯气体或混合气体。
内光电效应→光敏电阻
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。
光敏电阻的基本特性
• ②光照特性
• 指光敏电阻的光电流I和
光照强度之间的关系
I mA
• 右图为光敏电阻的光照
5
特性
4
3
2 1
0
1000
2000
lx
光敏电阻的基本特性
• ①伏安特性：在一定照 度下，流过光敏电阻的 电流与光敏电阻两端的 电压的关系。
光电传感器的四种工作方式
1) 吸收式
1.被测物体位于恒定光源与光 电元件之间，根据被测物对光 的吸收程度或对其谱线的选择 来测定被测参数。如测量液体 、气体的透明度、混浊度，对 气体进行成分分析，测定液体 中某种物质的含量等。
2) 反射式
2.恒定光源发出的光投射到被 测物体上，被测物体把部分光 通量反射到光电元件上,根据反 射的光通量多少测定被测物表 面状态和性质。例如测量零件 的表面粗糙度、表面缺陷、表 面位移等。
3) 遮光式
4) 辐射式
3.被测物体位于恒定光源与光 电元件之间，光源发出的光通 量经被测物遮去其一部分，使 作用在光电元件上的光通量减 弱，减弱的程度与被测物在光 学通路中的位置有关。利用这 一原理可以测量长度、厚度、 线位移、角位移、振动等。。
4.被测物体本身就是辐射源， 它可以直接照射在光电元件上 ，也可以经过一定的光路后作 用在光电元件上。光电高温计 、比色高温计、红外侦察和红 外遥感等均属于这一类。这种 方式也可以用于防火报警和构 成光照度计等。。
外光电效应器件 内光电效应器件
光电管
光电倍增 管
光敏电阻、 光电池、 光敏二极管 光敏三极管
外光电效应
光照射在某些物质上，物质的电子吸收光子的能量而释放电 子的现象称为光电效应。释放的电子称为光电子。能产生光电效 应的物质称为光电材料。
光照射在某些光电材料上时，材料表面的电子吸收光子的能 量，若电子吸收的能量足够大，它能克服正离子的束缚而逸出
外光电效应器件→光电管 光电管的图形符号及测量电路如图所示。
（+50 ~ +70）V Iφ
E
RO
UL
光电管符号及测量电路
外光电效应器件→光电管
23 1
4
6
5
一种常见的光电管外
形
1-阳极ABaidu Nhomakorabea2-阴极K 3-玻璃 外壳
4-管座 5-电极引脚 6-定 位销
129464N 紫外光电管
光电管的基本特性
光电管的基本特性
阴极K 第二倍增极 第四倍增极
入射光
第一倍增极 第三倍增极 阳极A
IA RL
A
R5
U0
特点：
R4
D4
D3 R3
R2
D2
R1
D1 K
灵敏度高 适合弱光 强光易损坏
外光电效应器件→光电倍增管
光电倍增管的放大性能用倍增系数M衡量。M
等 于 各 个 倍 增 电 极 的 二 次 发 射 电 子 倍 数 di