光电式传感器课件PPT

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9.1.2 光电式传感器的基本形式
光电传感器可用来测量光学量或已转换为光学 量的其他被测量，输出电信号。测量光学量时， 光电器件作为敏感元件使用；测量其他物理量 是，作为转换元件使用。
由光路及电路两大部分组成 1）光路部分实现被测信号对光量的控制和调制 2）电路部分完成从光信号到电信号的转换
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四种基本形式 ▲▲
按测量光路组成来看，光电传感器分为： 透射式、反射式、辐射式、开关式
发光元件
窗 光敏元件 壳体
（d）
导线
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（1）透射式光电传感器 ①工作原理：利用光源发出一恒定光通量的光，并使之穿过
被测对象，其中部分光被吸收，而其余的光则到达光敏元 件上，转换为电信号输出。根据被测对象吸收光通量的多 少就可确定出被测对象的特性，光敏器件上输出的光电流 是被测对象所吸收光通量的函数。 ②用途：测量液体、气体、固体的透明度、浑浊度等参数。
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（2）反射式光电传感器 ①工作原理：将恒定光源发出的光投射到被测对
象上，用光电器件接受其反射光通量，反射光 通量的变化反映出被测对象的特性。 ②应用：通过光通量变化的大小，可以反映出被 测物体的表面光洁度；通过光通量的变化频率， 可以反映出被测物体的转速。
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（3）辐射式光电传感器 工作原理：利用光电器件接收被测对象辐 射能的强弱变化，光通量的强弱与被测参 量（例如温度）的高低有关。
光窗 （a)结构
Uo （b)测量电路
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（2）外光电效应型光电器件主要性能：光电器件的 性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时 间、峰值探测率和温度特性等来描述。▲▲
①光电管的伏安特性 ：在一定的光照下，对光电器件的 阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电 管的伏安特性。
ห้องสมุดไป่ตู้I μA
射镜、光通量调制器、光栅及光导纤维等。通过它 们实现光参数的选择、调制和处理。 测量物理量时，须配以光源和调制件 ①光源：白炽灯、发光二极管、半导体激光器等， 提供恒定的光照条件； ②调制件：用来将光源提供的光能与被测量对应变 化的光量的器件，调制件的结构已被测量及测量原 理而定。 常用的光电转换元器件有真空光电管、充气光电管、 光电倍增管、光敏电阻、光电池、光敏二极管及光 敏晶体管等，作用是检测照射其上的光通量。
光电器件工件的物理基础：光电效应。 光电效应分为：内光电效应、外光电效
应。
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9.2.1 外光电效应型光电器件
当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子 的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的 光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它 的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象 称为外光电效应。
即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的 现象。
根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增 管。
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1、光电管及其基本特性
（1）结构及工作原理 ①真空光电管：由一个阴极 （K极）和一个阳极（A极） 组成，且密封在一只真空玻璃 管理面。在阴极和阳极之间加 有一定的电压，且阳极为正极、 阴极为负极。当光通过光窗照 在阴极上时，光电子就由阴极 发射出去，在阴极和阳极之间 的电场作用下，光电子在极间 作加速运动，被高电位的中央 阳极收集形成光电流。光电流 的大小主要取决于阴极灵敏度 和入射光辐射的强度。 ②充气光电管：结构与真空光 电管相同，只是管内充有少量 的惰性气体如氩或氖。
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9.1.1 光电式传感器的类别▲▲
3、固体图像传感器
结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光 电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是 用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷 或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。
4、光纤传感器
它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经 光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿 着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变 成电信号。
曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光 通量呈线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特 性，它呈非线性关系 。光照特性曲线的斜率（光电 流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度。
12 10 8 6 4 2
120 μlm 100 μlm 80 μlm 60 μlm 40 μlm 20 μlm
0
50
100 150
（a）真空光电管
UV 200
I μA
（b）充气光电管
UV
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②光电管的光照特性：当光电管的阳极和阴极之间所加 电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的 光照特性。
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（4）开关式光电传感器 ①工作原理：在开关式光电
传感器的光源与光敏器件 间的光路上，有物体时， 光路被切断；没有物体时， 光路畅通，光敏器件上表 示出有光就有电信号，无 光则无电信号，即仅为“0” 和“1”的两种开关状态。 ②使用形式：开关、计数、 编码
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光路
光路由光学元件组成 光学元件有透镜、滤光片、光阑、光契、棱镜、反
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9.1.1 光电式传感器的类别▲▲
1、光电效应传感器 是应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。
光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发 生变化，或产生光生电动势等等，这些因光照 引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。 2、红外热释电探测器 主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引 起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理 制成的一类器件。
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9.2 光电效应与光电器件
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可 表示为
Eh0
h—普朗克常 h6数 .62（ 61034J•s） ;
0—光的频率。
光电效应方程
Ek
1 2
m
v02
h0
A0
A0 —表面逸出功m；—电子的质量；
v —电子逸出的速度。 12
光电器件
光电器件是将光能转变为电能的一种传 感器件。是构成光电式传感器的主要部 件。
第9章
光电式传感器
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9.1 概述
光电式传感器（或称光敏传感器）:是利用光 电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、 电阻等）的装置。
光电传感器的特点：结构简单、响应速度快、 高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强、 可实现非接触是测量。▲▲
应用：可直接检测光信号，间接测量温度、压 力、位移、速度、加速度等。