第2章传感器与调理技术2
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第2 章
虚拟仪器常用传感 器与信号调理技术
2.1.5 光电式传感器
光电传感器是先把被测量的变化转换为光量的变 化，再通过光电器件把光量的变化转换成电信号 的一种测量装置。
光电传感器主要由光辐射源，光学通路，光电器 件以及测量电路等组成。
常用光电器件
光纤 光电管
光栅
光敏电阻
光电传感器应用概述
2）光敏电阻的工作原理
无光照时,光敏电阻值很大,电路中电流很小。当 光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值急 剧减少,电路中电流迅速增大。
3）光敏电阻的主要参数
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；
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；
光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极 管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏 三极管或光可控硅等；百度文库
根据其结构和用途不同，可分为:
用于实现电隔离的光电耦合器； 用于检测有无物体的光电开关。
1）光电耦合器
光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外 壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。
光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。
光敏电阻暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,也就 是说暗电流越小越好，亮电流越大越好，此时光敏 电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在 兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。
4）光敏电阻的基本特性
a）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 电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。
一般用时间常数来衡量响应时间的快慢，时间常数是指光电器 件输出端电压(光电流) 达到最大值的63%时所对应的时间。
e)温度特性
光敏电阻受温度的影响较大，当温度升高时， 它的暗电阻和灵敏度都下降。
硫化铅光敏电阻的温度特性
几种光敏电阻的特性参数
5）光敏电阻测量电路
测量电路能够把光电效应造成的光电元件电 性能的变化转换成所需要的电压或电流。
光谱特性: 光照度一定时，光电流（或用相对灵敏度 表示）与入射光波长的关系。
光敏二极管和三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长.
d)频率特性
频率特性：指光敏管输出的光电流（或相对光灵 敏度）随频率变化的关系。
e)温度特性
温度特性:是指其暗电流及光电流与温度的关系。
温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的 影响很大。所以电子线路中应该对暗电流进行温度 补偿，否则将会导致输出误差。
b)光照特性
光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度 之间的关系。
硫化镉光敏电阻的光照特性
c)光谱特性
光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为 光谱特性，亦称为光谱响应。
对应于不同波长入射光，光敏电阻的灵敏度是不 同的。对不同材料的光敏电阻，光谱特性不同。
d)频率特性
光电器件输出端电压(电流)的振幅，或相对光谱灵 敏度随入射通量的调制频率的变化关系叫光电器件 的频率特性。
几种硅光电二极管的特性参数
3）光敏晶体管应用
光电式数字转速表
如果调制盘上开Z个 缺口，测量电路计数 时间为T（S），被测 转速为N(r/min)，则 得到的计数值为：
c ZTN 60
③光电耦合器件
光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光 电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光 电器件；
（2）常用光电元件的工作原理
➢光电传感器是将被测量的变化通过光信号变 化转换成电信号，具有这种功能的材料称为 光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器 件种类很多，如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器等等。
①光敏电阻
光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原 理是基于内光电效应，其阻值随光照增强而减小。
透镜2
光敏电阻
暗 90 亮
R1
R3
R4
R2
+
R5 -Vee
+Vcc Uo
带材跑偏检测器工作原理
测量电路
② 光敏二极管和光敏晶体管
1）结构和工作原理
(a)光电二极管
(b)光电三极管
2）基本特性
a)伏安特性
伏安特性:光电流与外加偏压的关系.
b)光照特性 光照特性:光电流和照度之间的关系。
c)光谱特性
光可以看作以一连串具有能量的粒子（称为光子） 所构成，每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘 以光的频率γ，即 E=hγ，光的波长越短，即频率 越高，其光子的能量也越大。
光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的 光子轰击这些物体，而光电效应就是由于这物体吸 收光子能量为hγ的光后产生的效应。
光电效应分类
1. 光电器件
光电器件是将光能转换为电能的一种传 感器件，它是构成光电式传感器最主要 的部件。
光电器件响应快、结构简单、使用方便， 而且有较高的可靠性，因此在自动检测、 计算机和控制系统中，应用非常广泛。
光电器件工作的物理基础是光电效应。
（1）光电效应
光电效应：通常是指物体敏感到由紫外线到红外线 的光能量，并将光能转化成电信号的现象。
优点:灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、 机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命 长等；
不足:需要外部电源，有电流时会发热。
1）光敏电阻的结构
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。为了获得高的灵敏度， 电极一般采用硫状图案。 常用的光敏电阻材料有硫化镉、硒化铅、碲化铝等。
半导体光敏电阻可以通 过较大的电流，所以在 一般情况下，无需配备 放大器。在要求较大的 输出功率时，可用图所 示的电路。
6）光敏电阻的应用
带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置 的大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于 印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。
光源
被测带材
透镜1
内光电效应: 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为
内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件；
外光电效应: 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, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件；
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, 即阻挡层光电效应, 如光电池、 光 敏晶体管等就属于这类光电器件。
虚拟仪器常用传感 器与信号调理技术
2.1.5 光电式传感器
光电传感器是先把被测量的变化转换为光量的变 化，再通过光电器件把光量的变化转换成电信号 的一种测量装置。
光电传感器主要由光辐射源，光学通路，光电器 件以及测量电路等组成。
常用光电器件
光纤 光电管
光栅
光敏电阻
光电传感器应用概述
2）光敏电阻的工作原理
无光照时,光敏电阻值很大,电路中电流很小。当 光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值急 剧减少,电路中电流迅速增大。
3）光敏电阻的主要参数
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；
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；
光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极 管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏 三极管或光可控硅等；百度文库
根据其结构和用途不同，可分为:
用于实现电隔离的光电耦合器； 用于检测有无物体的光电开关。
1）光电耦合器
光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外 壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。
光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。
光敏电阻暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,也就 是说暗电流越小越好，亮电流越大越好，此时光敏 电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在 兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。
4）光敏电阻的基本特性
a）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 电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。
一般用时间常数来衡量响应时间的快慢，时间常数是指光电器 件输出端电压(光电流) 达到最大值的63%时所对应的时间。
e)温度特性
光敏电阻受温度的影响较大，当温度升高时， 它的暗电阻和灵敏度都下降。
硫化铅光敏电阻的温度特性
几种光敏电阻的特性参数
5）光敏电阻测量电路
测量电路能够把光电效应造成的光电元件电 性能的变化转换成所需要的电压或电流。
光谱特性: 光照度一定时，光电流（或用相对灵敏度 表示）与入射光波长的关系。
光敏二极管和三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长.
d)频率特性
频率特性：指光敏管输出的光电流（或相对光灵 敏度）随频率变化的关系。
e)温度特性
温度特性:是指其暗电流及光电流与温度的关系。
温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的 影响很大。所以电子线路中应该对暗电流进行温度 补偿，否则将会导致输出误差。
b)光照特性
光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度 之间的关系。
硫化镉光敏电阻的光照特性
c)光谱特性
光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为 光谱特性，亦称为光谱响应。
对应于不同波长入射光，光敏电阻的灵敏度是不 同的。对不同材料的光敏电阻，光谱特性不同。
d)频率特性
光电器件输出端电压(电流)的振幅，或相对光谱灵 敏度随入射通量的调制频率的变化关系叫光电器件 的频率特性。
几种硅光电二极管的特性参数
3）光敏晶体管应用
光电式数字转速表
如果调制盘上开Z个 缺口，测量电路计数 时间为T（S），被测 转速为N(r/min)，则 得到的计数值为：
c ZTN 60
③光电耦合器件
光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光 电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光 电器件；
（2）常用光电元件的工作原理
➢光电传感器是将被测量的变化通过光信号变 化转换成电信号，具有这种功能的材料称为 光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器 件种类很多，如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器等等。
①光敏电阻
光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原 理是基于内光电效应，其阻值随光照增强而减小。
透镜2
光敏电阻
暗 90 亮
R1
R3
R4
R2
+
R5 -Vee
+Vcc Uo
带材跑偏检测器工作原理
测量电路
② 光敏二极管和光敏晶体管
1）结构和工作原理
(a)光电二极管
(b)光电三极管
2）基本特性
a)伏安特性
伏安特性:光电流与外加偏压的关系.
b)光照特性 光照特性:光电流和照度之间的关系。
c)光谱特性
光可以看作以一连串具有能量的粒子（称为光子） 所构成，每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘 以光的频率γ，即 E=hγ，光的波长越短，即频率 越高，其光子的能量也越大。
光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的 光子轰击这些物体，而光电效应就是由于这物体吸 收光子能量为hγ的光后产生的效应。
光电效应分类
1. 光电器件
光电器件是将光能转换为电能的一种传 感器件，它是构成光电式传感器最主要 的部件。
光电器件响应快、结构简单、使用方便， 而且有较高的可靠性，因此在自动检测、 计算机和控制系统中，应用非常广泛。
光电器件工作的物理基础是光电效应。
（1）光电效应
光电效应：通常是指物体敏感到由紫外线到红外线 的光能量，并将光能转化成电信号的现象。
优点:灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、 机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命 长等；
不足:需要外部电源，有电流时会发热。
1）光敏电阻的结构
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。为了获得高的灵敏度， 电极一般采用硫状图案。 常用的光敏电阻材料有硫化镉、硒化铅、碲化铝等。
半导体光敏电阻可以通 过较大的电流，所以在 一般情况下，无需配备 放大器。在要求较大的 输出功率时，可用图所 示的电路。
6）光敏电阻的应用
带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置 的大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于 印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。
光源
被测带材
透镜1
内光电效应: 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为
内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件；
外光电效应: 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, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件；
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, 即阻挡层光电效应, 如光电池、 光 敏晶体管等就属于这类光电器件。