传感器原理及应用第五章 光电式传感器
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9
光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于光电导效应， 由掺杂的光导体薄膜（光导体）沉积在绝 缘基片上而成，纯粹是个电阻，没有极性
10
测量电路
当无光照时，由于光敏电
阻的阻值太大，电路中电 电极
光
流很小；
当有适当波长范围内的光 线照射时，因其阻值变得 很小，电路中电流增加
根据电流表测出的电流值 的变化，即可推算出照射 光强的大小
7
原理
无光照射时，电路不通
有光线照射时，如果光子
能量大于电子的逸出功， 光
会有电子逸出，产生电子 发射
A（阳极） IR
电子被带有正电的阳极吸 引，在光电管内形成光电
K（阴极）
U0 E
流
根据电流大小可知光量的 大小
8
光电倍增管
在光电管的阴极与阳极之间（光电子飞跃 的路程上）安装若干个倍增极，就构成了 光电倍增管，
c arcsin( 1
N0
N12
N
2 2
)
27
光纤的类型
光纤
光纤
光
被 测 对
传 感
源 空载波
被传 测感
象
元
对元
件
光
象件
敏
调制波 元 件
光 源 空载波
光 敏 调制波 元 件
传光型：光纤仅作为光 功能型 ：光纤不仅起到
Fra Baidu bibliotek
的传播媒质
传光作用，而且是传感
元件
28
光纤传感器的应用
光纤 温度 传感 器
X 发光元件
下臂厚
外径尺寸
35
CCD传感器的应用
工业尺寸检测
视频
工件
光源 微机
36
CCD传感器的应用
高度自动检测
光源
hα
L
被测体
CCD摄像机 成像
37
趣味小制作：报警器
110V 220V
vv ~~
8 9 10 11 12 13 14
5 43
21
透射式光电开关
1 2 220 3 4～
18
红外光电开关
红外光电开关是用来检测物体的靠近、通 过等状态的光电传感器，也有人称其为红 外传感器，简称光电开关
光电开关可分为透射式和反射式两种 反射型又分为两种情况：反射镜反射型和
被测体反射型
19
红外光电开关
透射型 发光二极管和光敏三极
管相对安放，轴线严格 对准。当有不透明物体 在两者中间通过时，红 外光束会被阻断，光敏 三极管因收不到红外线 而产生一个电脉冲信号
发射
光敏元件
接收
光纤 d
29
发射 式光 纤位 移传 感器
光纤温度传感器
折 光 型
光 谱 型
30
光纤传感器的应用
光纤压力 传感器
光纤流速 传感器
31
指纹机
CCD传感器 摄像头
数码摄 像机
32
数码相机
扫描仪
CCD传感器的种类
种类 CCD有面阵和线阵之分 面阵是把CCD像素排成1个平面的器件；
而线阵是把CCD像素排成1直线的器件
33
CCD传感器的工作原理
当物体通过物镜成像，这些光敏元就产生与照 在它们上面的光强成正比的光生电荷（光生电 子－空穴对），同一面积上光敏元越多分辨率 越高，得到的图象越清楚
34
CCD传感器的应用
管径测量
物镜 平 行 光 线
玻璃管
CCD视频输出
CCD
上臂厚
1-光源 2-透镜 3-半透 明膜 4-透镜 5-转盘 6透镜 7-光电元件
15
表面缺陷光电传感器
表面光滑
表面有缺陷
1-光源 2-透镜 3-被测物 4-透镜 5-光电元件
16
燃气热水器脉冲点火控制器
打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀 门关闭，保证使用燃气器具的安全性
17
红外光电开关
22
应用
自动扶梯自动 起停
产品计数
高度辨认
23
仓库门警卫
烟雾检测 自动注料
光电鼠标
第二代光 电鼠标
机械鼠标
24
第一代光 电鼠标
光纤传感器
25
光纤的结构
中心－纤芯、外层－包层、护套－尼龙塑 料
26
光纤的传光原理
光被全反射时的入射角θc称临界角
只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上，经若干次 全反射向前传播，最后从另一端面射出
4
光电伏生效应
光生伏特效应是半导体材料 吸收光能后，在PN结上产 生电动势的效应。
处于反偏的PN结 ，当有光 照时，形成光电流I，并且 光照越大，光电流越大。
光照
＋
－
P
－ －
＋
＋ ＋
N
－
－
＋
I
空穴
电子
基于此效应的光电元件有光
E
敏二极管、光敏三极管。
5
光电管
6
光电管结构
光电管由一个光电阴 极和阳极封装在玻璃 壳内组成，光电阴极 涂有光敏材料。
13
光敏三极管
光
c NPN e
基区
光
c
e
E
结构
14
发射区
基区
c＋
光N
RL
N
P
P
N
E
N
e－
平面和剖 面结构
电路
应用 －光电转速传感器
当被测物体旋转起来， 每相邻一对黑、白标志， 使光电元件由导通变为 不导通，对应输出一个 电脉冲。
被测体每转一周，产生 6个电脉冲，通过频率 计对脉冲计数，即可得 到旋转物体转速。
μA
E
11
光敏二极管
光敏二极管封装在透 明玻璃外壳中，PN结 在管子的顶部，可以 直接受到光照，为了 提高转换效率大面积 受光，PN结面积比一 般二极管大。
12
光敏二极管
当无光照射时，与普通二极管一 样，电路中仅有很小的暗电流， 此时相当于光敏二极管截止
当有光照射时，在反向电压作用 下，反向饱和电流大大增加，形 成光电流，这时相当于光敏二极 管导通。
第五章 光传感器
光电效应 光电式传感器 光纤式传感器 CCD传感器 趣味小制作－报警器
1
光电效应-外光电效应
光线照射在某些物体上，引起电子从这些物体 表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发 射。
光的频率必须高于某一限值，这个能使物体发 射光电子的最低光频率称为红限频率。
小于红限频率的入射光，光再强也不会激发光 电子；大于红限频率的入射光，光再弱也会激 发光电子。
2
光电效应-内光电效应
物体受光照射后，其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 电阻率发生变化或产生光电动势的现象称 为内光电效应。
内光电效应又细分为光电导效应和光电伏 生效应。
3
光电导效应
入射光强改变物质导 电率的物理现象称光 电导效应
基于光电导效应的光 电器件有光敏电阻
20
红外光电开关
反射镜反射型传感器单侧安 装
需要调整反射镜的角度以取 得最佳反射效果
当有物体通过时，红外光束 被隔断，光敏三极管收不到 红外线而产生一个电脉冲信 号，其检测距离不如透射型
21
红外光电开关
被测体反射型 发光二极管与光敏三极管光
轴在同一平面上，以某一角 度相交，交点处为待测点， 当有物体经过待测点时，发 光二极管的红外线经被测体 上的标记反射，被光敏三极 管接收，从而使光敏三极管 产生电脉冲信号
光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于光电导效应， 由掺杂的光导体薄膜（光导体）沉积在绝 缘基片上而成，纯粹是个电阻，没有极性
10
测量电路
当无光照时，由于光敏电
阻的阻值太大，电路中电 电极
光
流很小；
当有适当波长范围内的光 线照射时，因其阻值变得 很小，电路中电流增加
根据电流表测出的电流值 的变化，即可推算出照射 光强的大小
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原理
无光照射时，电路不通
有光线照射时，如果光子
能量大于电子的逸出功， 光
会有电子逸出，产生电子 发射
A（阳极） IR
电子被带有正电的阳极吸 引，在光电管内形成光电
K（阴极）
U0 E
流
根据电流大小可知光量的 大小
8
光电倍增管
在光电管的阴极与阳极之间（光电子飞跃 的路程上）安装若干个倍增极，就构成了 光电倍增管，
c arcsin( 1
N0
N12
N
2 2
)
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光纤的类型
光纤
光纤
光
被 测 对
传 感
源 空载波
被传 测感
象
元
对元
件
光
象件
敏
调制波 元 件
光 源 空载波
光 敏 调制波 元 件
传光型：光纤仅作为光 功能型 ：光纤不仅起到
Fra Baidu bibliotek
的传播媒质
传光作用，而且是传感
元件
28
光纤传感器的应用
光纤 温度 传感 器
X 发光元件
下臂厚
外径尺寸
35
CCD传感器的应用
工业尺寸检测
视频
工件
光源 微机
36
CCD传感器的应用
高度自动检测
光源
hα
L
被测体
CCD摄像机 成像
37
趣味小制作：报警器
110V 220V
vv ~~
8 9 10 11 12 13 14
5 43
21
透射式光电开关
1 2 220 3 4～
18
红外光电开关
红外光电开关是用来检测物体的靠近、通 过等状态的光电传感器，也有人称其为红 外传感器，简称光电开关
光电开关可分为透射式和反射式两种 反射型又分为两种情况：反射镜反射型和
被测体反射型
19
红外光电开关
透射型 发光二极管和光敏三极
管相对安放，轴线严格 对准。当有不透明物体 在两者中间通过时，红 外光束会被阻断，光敏 三极管因收不到红外线 而产生一个电脉冲信号
发射
光敏元件
接收
光纤 d
29
发射 式光 纤位 移传 感器
光纤温度传感器
折 光 型
光 谱 型
30
光纤传感器的应用
光纤压力 传感器
光纤流速 传感器
31
指纹机
CCD传感器 摄像头
数码摄 像机
32
数码相机
扫描仪
CCD传感器的种类
种类 CCD有面阵和线阵之分 面阵是把CCD像素排成1个平面的器件；
而线阵是把CCD像素排成1直线的器件
33
CCD传感器的工作原理
当物体通过物镜成像，这些光敏元就产生与照 在它们上面的光强成正比的光生电荷（光生电 子－空穴对），同一面积上光敏元越多分辨率 越高，得到的图象越清楚
34
CCD传感器的应用
管径测量
物镜 平 行 光 线
玻璃管
CCD视频输出
CCD
上臂厚
1-光源 2-透镜 3-半透 明膜 4-透镜 5-转盘 6透镜 7-光电元件
15
表面缺陷光电传感器
表面光滑
表面有缺陷
1-光源 2-透镜 3-被测物 4-透镜 5-光电元件
16
燃气热水器脉冲点火控制器
打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀 门关闭，保证使用燃气器具的安全性
17
红外光电开关
22
应用
自动扶梯自动 起停
产品计数
高度辨认
23
仓库门警卫
烟雾检测 自动注料
光电鼠标
第二代光 电鼠标
机械鼠标
24
第一代光 电鼠标
光纤传感器
25
光纤的结构
中心－纤芯、外层－包层、护套－尼龙塑 料
26
光纤的传光原理
光被全反射时的入射角θc称临界角
只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上，经若干次 全反射向前传播，最后从另一端面射出
4
光电伏生效应
光生伏特效应是半导体材料 吸收光能后，在PN结上产 生电动势的效应。
处于反偏的PN结 ，当有光 照时，形成光电流I，并且 光照越大，光电流越大。
光照
＋
－
P
－ －
＋
＋ ＋
N
－
－
＋
I
空穴
电子
基于此效应的光电元件有光
E
敏二极管、光敏三极管。
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光电管
6
光电管结构
光电管由一个光电阴 极和阳极封装在玻璃 壳内组成，光电阴极 涂有光敏材料。
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光敏三极管
光
c NPN e
基区
光
c
e
E
结构
14
发射区
基区
c＋
光N
RL
N
P
P
N
E
N
e－
平面和剖 面结构
电路
应用 －光电转速传感器
当被测物体旋转起来， 每相邻一对黑、白标志， 使光电元件由导通变为 不导通，对应输出一个 电脉冲。
被测体每转一周，产生 6个电脉冲，通过频率 计对脉冲计数，即可得 到旋转物体转速。
μA
E
11
光敏二极管
光敏二极管封装在透 明玻璃外壳中，PN结 在管子的顶部，可以 直接受到光照，为了 提高转换效率大面积 受光，PN结面积比一 般二极管大。
12
光敏二极管
当无光照射时，与普通二极管一 样，电路中仅有很小的暗电流， 此时相当于光敏二极管截止
当有光照射时，在反向电压作用 下，反向饱和电流大大增加，形 成光电流，这时相当于光敏二极 管导通。
第五章 光传感器
光电效应 光电式传感器 光纤式传感器 CCD传感器 趣味小制作－报警器
1
光电效应-外光电效应
光线照射在某些物体上，引起电子从这些物体 表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发 射。
光的频率必须高于某一限值，这个能使物体发 射光电子的最低光频率称为红限频率。
小于红限频率的入射光，光再强也不会激发光 电子；大于红限频率的入射光，光再弱也会激 发光电子。
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光电效应-内光电效应
物体受光照射后，其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 电阻率发生变化或产生光电动势的现象称 为内光电效应。
内光电效应又细分为光电导效应和光电伏 生效应。
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光电导效应
入射光强改变物质导 电率的物理现象称光 电导效应
基于光电导效应的光 电器件有光敏电阻
20
红外光电开关
反射镜反射型传感器单侧安 装
需要调整反射镜的角度以取 得最佳反射效果
当有物体通过时，红外光束 被隔断，光敏三极管收不到 红外线而产生一个电脉冲信 号，其检测距离不如透射型
21
红外光电开关
被测体反射型 发光二极管与光敏三极管光
轴在同一平面上，以某一角 度相交，交点处为待测点， 当有物体经过待测点时，发 光二极管的红外线经被测体 上的标记反射，被光敏三极 管接收，从而使光敏三极管 产生电脉冲信号