传感器第四章 光电式传感器原理与应用
光电式传感器的原理与应用
光电式传感器的原理与应用光电效应是指当光线照射在一些物质表面上时，物质中的电子能级会发生变化，从而产生电子的运动和电荷分离的现象。
根据光电效应的原理，光电式传感器可以分为光电开关、光电门、光电测距传感器等多种类型，并且可以用于各种不同的应用领域。
光电开关是最常见的一种光电式传感器，它通过检测光线是否被物体阻挡来判断物体的存在与否。
光电开关广泛应用于工业自动化控制中，例如自动门控制、装配线上零件检测、流水线产品计数等。
光电门是一种通过检测物体通过门的时间来判断物体速度的传感器。
光电门通常用于测量物体的速度和位置，例如运动中的物体的位置控制、高速运动物体的测量等。
光电测距传感器是一种通过测量光线行进时间来计算物体与传感器之间的距离的传感器。
光电测距传感器常用于工业自动化、机器人导航和避障、无人机高度测量等领域。
1.高精度：光电式传感器可以实现非接触式测量，因此具有较高的测量精度。
2.高速度：光电式传感器的响应速度快，可以快速检测物体的位置和状态变化。
3.长寿命：光电式传感器不会受到物体的磨损和腐蚀，具有较长的使用寿命。
4.多功能性：光电式传感器可以根据不同的应用需求选择不同的工作模式和测量范围。
除了以上优点，光电式传感器也存在一些限制和注意事项：1.受环境影响：光电式传感器对环境光的干扰比较敏感，需要进行遮光处理或使用滤光片来减少光干扰。
2.受物体颜色影响：光电式传感器的测量结果受到物体颜色的影响，颜色较暗或较亮的物体会使测量结果产生误差。
3.距离限制：光电式传感器的测量范围有限，一般在几米以内，超出范围会导致测量精度下降。
总之，光电式传感器通过利用光电效应来测量和探测物体的位置、距离、速度等物理量，具有高精度、高速度、长寿命和多功能性等优点，在工业自动化、机器人导航和避障、无人机测量等领域得到广泛应用。
但需要注意处理环境光的干扰、物体颜色对测量结果的影响以及测量范围的限制。
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。
传感器与检测技术光电式传感器
物联网的蓬勃发展
随着物联网的普及，光电式传感器将在更多领域展 现出更大的应用潜力。
光电式传感器与物联网的结合
1 物联网的发展
物联网连接了各种设备和传感器，实现了更智能、便捷的生活和工作。
2 光电式传感器在物联网中的应用
光电式传感器可以与其他传感器和设备连接，为物联网系统提供高精度的光学检测能力。
未来发展趋势和展望
技术创新
随着技术的不断进步，光电式传感器将变得更加灵 敏、精确和可靠。
光电式传感器的原理和优势
1 光电式传感器的工作原理
通过发射光信号并检测被物体反射回来的光 信号来实现物体检测。
2 光电式传感器的优势
具有高灵敏度、高分辨率和快速响应的特点， 适用于各种环境中的精确测量。
光电式传感器的应用领域
工业自动化
光电式传感器广泛应用于工业机械的自动化控 制中，例如物料检测和位置识别。
交通运输
光电式传感器在交通运输领域中用于交通信号 控制和车辆检测。
机器人技术
光电式传感器在机器人技术中发挥重要作用， 可帮助机器人感知周围环境并执行任务。
医疗保健
光电式传感器可应用于医疗设备中，如医疗成 像和生命体征监测。
光电式传感器的工作原理和结构
光电式传感器的工作原理
当物体进入传感器的检测范围时，光电传感器会发 射光束并检测反射光的强弱以实现物体的检测。
光电式传感器的结构
光电式传感器通常由发射器、接收器和信号处理电 路组成。
光电式传感器的应用案例
1
自动门传感器
光电式传感器可用于自动门系统中，实现自动开关门功能。
2
打印机纸张检测
光电式传感器可用于打印机中检测纸张的位置和状态。
传感器第四章 光电式传感器原理与应用
真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.1.2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
光电倍增管的结构 与工作原理
光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电 位逐级升高
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二 次电子发射
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
1． 工作原理 2．ຫໍສະໝຸດ 基本特性1． 工作原理 结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的
光敏二极管
光敏晶体管
与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信 号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
第4章 光电式传感器原理与应用
4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电码盘 4.3 电荷耦合器件 4.4 光纤传感器 4.5 光栅传感器
光电式传感器
工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后
通过光电转换元件变换成电信号。
1
2
辐射源
光学通路
I
光电元件
x1
x2
传感器第四章 光电式传感器原理与应用 (2)资料
（2）光照特性
光敏电阻的光电流与光强之间的关系
由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元 件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
（3）光谱特性
光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
（4）响应时间
光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在 时间上有一个滞后。
光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受 光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电 器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、 线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等 等。
光电式数字转速表
c ZTN 60
End the 4.1
4.2 光电码盘
数字式传感器: 把输入量转换成数字量输出 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能 避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用 计算机处理。 最简单的数字式传感器是编码器(ADE) 角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺） 原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等
采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组， 则可大大提高分辨率，而且可以用来测定转速。
4.2 光电码盘
4.2.1 工作原理 4.2.2 码盘和码制 4.2.3 二进制码与循环码的转换 4.2.4 应用
4.2.4 应用
光学码盘测角仪的原理图 1－光源 2－大孔径非球面聚光镜 3－码盘 4－狭缝 5－光电元件
4.1.2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
光电倍增管的结构 与工作原理
光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电 位逐级升高
光电式传感器的工作原理
光电式传感器的工作原理
1.光源：光电式传感器通常使用红外线、激光等辐射源作为光源。
光源会发出一定频率的光信号，这些光信号对于人眼来说是不可见的。
红外线常用于室内和低功耗的应用，而激光则常用于需要高精度和长距离检测的应用。
2.物体：需要检测的物体也是光电式传感器工作的重要组成部分。
物体通常是被检测的目标，它可以反射、散射或吸收光信号，将光信号转换为电信号。
3.光电元件：光电元件是光电式传感器中最核心的部分。
它是将光信号转化为电信号的关键部件。
光电元件通常包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏电容等。
其中最常用的是光敏电阻。
首先，光源发出光信号，经过透镜和反射镜的反射，最终照射到物体上。
物体可能会对光信号进行反射、散射或吸收。
当光信号经过物体后，会进入光电元件。
光电元件根据物体的反射、散射或吸收特性，将光信号转换为相应的电信号。
最后，电信号会传输到光电式传感器的电路中进行处理和分析。
根据电信号的变化和特征，我们可以判断物体的位置、速度、颜色等信息。
总结起来，光电式传感器的工作原理是通过光源将光信号照射到物体上，物体将光信号转化为电信号，光电元件将电信号进行处理和分析，从而实现对物体位置、速度、颜色等信息的检测。
光电式传感器在自动化控制和安全监测中有着广泛的应用，为我们的生活带来了便利和安全。
光电式传感器的原理与应用
将光信号转化为电信号，再经过电路处理，检测出光电导管前端的场景变化。
工作原理
光波传输
当光经过物体表面或场景时，它 的形状和强度会发生变化。光电 式传感器可以利用这种变化来检 测物体。
光电二极管
光线通过二极管时，电子被释放 并导致电路进行操作，将光信号 转换成电信号。
微控制器
光电式传感器中的微控制器分析 电信号，并决定是否触发反应。
应用领域
电磁兼容性检测
使用光电式传感器检测设备是否具有电磁兼容 性。
城市规划
应用于城市道路及交通信号灯的控制和管理。
制造业
制造业中的自动化生产流水线上，光电式传感 器能够帮助检测物料和产品的状态。
安全防护
使用光电式传感器检测人员和车辆以确保安全。
工业应用案例
生产线检测
光电式传感器可检测制造过程中 带有金属颗粒或异物的产品，以 保证质量。
光电式传感器的结构
发光体
产生光源以供检测使用。
透镜
调整和控制光线的方向和形状。
反射器
反射光线，使光线能够进入传感器。
光电元件
将光信号转化为电信号。
工作方式
1
判断光的强度
光电式传感器通过检测光的强度来判断物体的存在。
2
送电
在光线达到传感器之前，发光体会发出光，以便传感器接收到信号。
3
测定
当物体接近光敏元件时，光电式传感器将检测到信号的变化。
光电式传感器的原理与应 用
光电式传感器是一种检测和转化光信号作为电信号输出的器件。本次演讲将 重点介绍光电式传感器的原理和应用。
原理介绍
1 光电效应
光电效应是光子和物质相互作用时电子被激发振动的现象，是光电式传感器起作用的基 础。
光电式传感器工作原理
光电式传感器工作原理
光电式传感器利用光电效应的原理来感知物体的存在或测量物体的位置、距离等信息。
其工作原理如下：
1. 光电效应：光电效应是指当光线照射到某些物质表面时，能够使物质中的电子获得足够的能量从而从原子或分子中脱离出来。
这些脱离的电子称为光电子。
2. 光电传感器结构：光电式传感器通常由光源、探测器和信号处理电路组成。
光源一般为发光二极管（LED）或激光二极管（LD），用来发射光束。
探测器一般为光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光电二极管等，用来接收光束。
信号处理电路则用来处理探测器接收到的光强信号，并将其转化为电信号输出。
3. 功能原理：光电式传感器的工作原理可以分为两种不同的方式。
- 光电隔离式：光源和探测器分别位于传感器的两侧，通过
光束在两侧之间的遮挡来感知物体的存在。
当物体遮挡了光束，探测器接收到的光强就会减弱，从而触发传感器输出信号。
这种方式常用于物体检测、计数和测量等应用。
- 反射式：光源和探测器位于同一侧，通过物体对光线的反
射来感知物体的存在或测量物体的位置。
当光束照射到物体上并反射回探测器时，探测器接收到的光强会发生变化，从而触发传感器输出信号。
这种方式常用于物体的位置检测和距离测
量等应用。
总的来说，光电式传感器利用光电效应，通过光源和探测器的组合来感知物体的存在或测量物体的位置、距离等信息。
不同的工作方式可以适用于不同的应用场景。
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4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电码盘 4.3 电荷耦合器件 4.4 光纤传感器 4.5 光栅传感器
光电式传感器
工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后
通过光电转换元件变换成电信号。
1
辐射源
2
光学通路
I
光电元件
x1
x2
光电式传感器方框图
光电效应 ？
采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组， 则可大大提高分辨率，而且可以用来测定转速。
4.2 光电码盘
4.2.1 工作原理 4.2.2 码盘和码制 4.2.3 二进制码与循环码的转换 4.2.4 应用
4.2.4 应用
光学码盘测角仪的原理图 1－光源 2－大孔径非球面聚光镜 3－码盘 4－狭缝 5－光电元件
循环码转变为二进制码的电路
Ci Ci1Ri
(a) 并行变换电路 (b)串行变换电路
循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码。
单盘与多盘编码器:
单盘编码器: 全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方便。但当 位数要求增多的情况下，若要求具有很高的分辨力， 则制造困难，圆盘直径也要大。
不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。
短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的 光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用
负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽
(3)频率响应
指输出电流随调制光频率变化的关系
硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
1． 工作原理 2． 基本特性
1． 工作原理
结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的
光敏二极管
光敏晶体管
与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信 号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
（1）光谱特性
入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。
（2）伏安特性
硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性
（3）光照特性
硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
（4）温度特性
4.2 光电码盘
4.2.1 工作原理 4.2.2 码盘和码制 4.2.3 二进制码与循环码的转换 4.2.4 应用
4.2.3 二进制码与循环码的转换
4位二进制码与循环码的对照表
Cn Rn C i C i1 R i R i C i1 C i
二进制码转换为循环码的电路
Ri Ci1Ci (a) 并行变换电路 (b)串行变换电路
真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
(4)温度特性
开路电压和短路电流随温度变化的关系。 关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到
测量精度或控制精度等重要指标
硅光电池的温度特性(照度1000lx)
(5)稳定性
当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光 电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定
影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件
阻挡层光电效应（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。如光电池、光敏晶体管等
光电池
有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件 就不再需要外加电源。 1. 工作原理 2．基本特性
1. 工作原理
直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面 积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两 端产生电动势(p区为正，n区为负) 。
其暗电流及光电流与温度的关系
温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。
（5）频率响应
具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的 光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系
硅光敏晶体管的频率响应
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.2 光电码盘
4.2.1 工作原理 4.2.2 码盘和码制 4.2.3 二进制码与循环码的转换 4.2.4 应用
4.2.1 工作原理
用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的 电信号的转换部件。
1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－元件
4.2 光电码盘
4.2.1 工作原理 4.2.2 码盘和码制 4.2.3 二进制码与循环码的转换 4.2.4 应用
硫化镉光敏电阻的温度特性
温度对光谱特性影响
随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此， 采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
二次电子发射系数 σ = 二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
内光电效应（光电导型）
在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装 在带有玻璃的壳体中。
2．光敏电阻的基本特性
（1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性 （4）响应时间和频率特性 （5）温度特性
（1）伏安特性
在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系
在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现 象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功 率又和面积以及散热条件等因素有关。
波
物理学中认为光是由分离的能团——光子组成 粒子
能量： E hf
所谓光电效应是物体吸收能量为E的光后所产生电效应 根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子， 因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必 须大于该物质表面的逸出功A0，即
Ek 12mv02 hf A0
4.1 光电效应和光电器件
通常用响应时间t表示。
光敏电阻的频率特性
不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它 们的频率特性也就不尽相同。
（5）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。
温度系数:
R2R1 10% 0C1
(T2T1)R2
在一定光照下，温度每变化1℃， 光敏电阻阻值的平均变化率
用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流 过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电 路断开，就可以测出光生电动势。
2． 基本特性
(1) 光谱特性 (2) 光照特性 (3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性
（1）光谱特性
光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的
(2)光照特性
n
C i 2 i11
i 1
（3）码盘转动中，Ci变化时，所有Cj(j<i)应同时变化。
二进制码盘的粗大误差及消除
要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘 制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只 要有—个码道提前或延后改变，就可能造成输 出的粗大误差。
消除粗大误差方法： 双读数头法，循环码代替二进制码 双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。 当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有 困难。
（2）光照特性
光敏电阻的光电流与光强之间的关系
由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元 件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
（3）光谱特性
光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
（4）响应时间
光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在 时间上有一个滞后。
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.1.1 外光电效应（光电发射型）
在光线作用下使电子逸出物体表面的现象。 如光电管、光电倍增管
光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子， 电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电 子流，在外电路中便产生了电流。
光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受 光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电 器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、 线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等 等。
光电式数字转速表
c ZTN 60
End the 4.1
4.2 光电码盘
数字式传感器: 把输入量转换成数字量输出 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能 避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用 计算机处理。 最简单的数字式传感器是编码器(ADE) 角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺） 原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等