第八章 光电传感器(27)
光电传感器使用说明
光电传感器使用说明一、光电传感器的工作原理和分类1. 光电二极管（Photodiode）：它是一种常见的光电传感器，可将光信号转化为电流信号。
光电二极管通过感光面积的调整，可实现对不同光强的测量。
2. 光敏电阻（Light-dependent resistor，LDR）：它是一种依靠光线照射而改变电阻值的传感器。
光敏电阻的电阻值与光线强度成反比关系，因此可以用来测量光线的亮度。
3. 光电三极管（Phototransistor）：它结构上类似于普通的晶体管，但在基区和发射区之间加上了一个光敏区。
当光照射到光电三极管时，会产生电流放大效应，从而可以将光信号转化为电流信号。
4. 光电耦合器（Optocoupler）：它是将光电二极管和晶体管封装到一个封装内，用光绝缘的方式实现输入与输出之间的电气隔离。
光电耦合器在电气隔离和信号传输方面有重要的应用，可以用于电路隔离、信号转换等。
二、光电传感器的安装和调试在安装和调试光电传感器时，需要注意以下几点：1.安装位置的选择：根据具体的应用需求，选择合适的安装位置。
要确保光线能够正常照射到传感器的感光面，避免遮挡和干扰。
2.供电电压的选择：根据传感器的额定电压和工作电压范围，选择适当的供电电源。
要确保供电电压的稳定性，以免对传感器的工作产生影响。
3.输出信号的接收和处理：根据传感器的输出信号类型和电平，选择合适的接收和处理电路。
可以通过模拟电路或数字电路来处理传感器的输出信号。
4.灵敏度的调节：根据具体的应用需求，调节传感器的灵敏度。
对于光电二极管和光敏电阻等传感器，可以通过调节外部电阻来实现。
三、光电传感器的应用领域1.自动控制：光电传感器可以用于自动控制系统，如照明控制、清晰度检测、颜色识别等。
通过检测环境光照的变化，实现对设备的自动控制。
2.测量仪器：光电传感器可以用于测量仪器中，如光谱仪、测量器等。
通过测量光线的强弱、波长等，实现对物理量的测量。
3.光通信：光电传感器可以用于光通信系统中，如光纤通信、光模块等。
传感器原理与应用习题第8章光电式传感器
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。
8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。
光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。
8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。
当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。
8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。
答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。
光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。
8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。
8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。
8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。
8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。
答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。
应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。
8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。
光电传感器的测量内容
光电传感器的测量内容
光电传感器是一种将光信号转换为电信号的传感器，它可以测量多种物理量和参数，以下是一些常见的测量内容：
1. 光强度：光电传感器可以测量光的强度，通常用于光照度计、光度计等仪器中，用于测量环境中的光强。
2. 光通量：光通量是指单位时间内通过某一面积的光能量，光电传感器可以测量光通量，常用于光功率计等仪器中。
3. 光波长：一些光电传感器可以测量光的波长，常用于光谱仪等仪器中，用于分析光的成分和特性。
4. 距离和位置：通过测量光的传播时间或相位差，光电传感器可以测量物体的距离和位置，常用于工业自动化、机器人、汽车等领域。
5. 运动和速度：利用光的反射或遮挡原理，光电传感器可以检测物体的运动和速度，常用于安防监控、工业检测等领域。
6. 颜色和色彩：一些光电传感器可以识别光的颜色和色彩，常用于颜色分选机、色度计等仪器中。
7. 气体和液体成分：利用光的吸收或散射特性，光电传感器可以检测气体和液体中的成分，常用于环境监测、化学分析等领域。
这只是一些常见的光电传感器测量内容，实际上，根据具体的应用和传感器类型，还可以测量其他物理量和参数。
光电传感器具有高精度、快速响应、非接触测量等优点，在各个领域得到广泛应用。
第八章 光电式传感器练习答案
第八章光电式传感器§8-1 真空光电器件作业题1.光电管由一个和一个封装在一个内组成。
它的技术特性主要取决于。
（阴极；阳极；光电阴极材料）2.光电管的光谱特性主要取决于的特性，光电管对入射光的具有选择性，这是因为对入射光的有选择性。
（光电阴极材料；频谱；光电阴极；频谱）3.光电管的伏安特性是指，与的关系。
当阳极电压较小时，光电流随而增加。
到电压以后，光电流，这是因为单位时间内发射的光电子全部被阳极收集了。
（一定光适量照射下；阴极电压；光电流；阳极电压增加；饱和；饱和；发射的光电子）4.光倍增管的结构与基本一样，也是在壳内，安装和，只是在之间再安装几个。
（光电管；玻璃；阳极；阴极；阳极与阴极；倍增级）5.光电倍增管倍增系数大约为数量级，故光电倍增管的极高。
随着的升高，倍增系数也增加。
（106；灵敏度；工作电压）6.当入射光不变时，被照物体在单位时间内与成正比。
（频谱；发射的光电子数；入射光强度）§8-2 光敏元件作业题1.物体受到光照以后，物体内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的或产生的现象称为。
（电阻率发生变化；光电动势；内光电效应）2.在光线的作用下，半导体的的现象称光电导效应。
（电导率增加）3.光照射使半导体原子中的吸收光子能量激发出的现象，称本征光导效应；光照射使半导体杂质吸收光子能量激发出的现象，称非本征光导效应，它的激发比本征光导效应。
（价电子；自由电子同时产生空穴；自由电子；容易）4.某种半导体能否产生光电效应，决定于照射光的，而光的强度只取决于产生的。
（频率；光子数目的多少）5.光敏电阻是用制成的，极性，是个电阻。
使用时可以加电压，亦可加电压。
不同下电阻值不同，对不同的入射光有的灵敏度。
（光导体；没有；纯；直流；交流；材料；波长；不同）6.将光敏电阻置于室温、条件下，经过一定稳定时间后，测得的阻值称暗电阻；在条件下，测得的阻值称为。
（无光照全暗；光照；亮电阻）7.一定电压作用下，与的关系称为光敏电阻的光电特性。
光电传感器的工作原理
光电传感器的工作原理光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的设备，广泛应用于工业自动化、光电测量、光通信等领域。
它通过感知光的强度、波长和位置等信息，实现对目标物体的检测和测量。
下面将详细介绍光电传感器的工作原理。
一、光电传感器的基本构成光电传感器主要由光源、光敏元件和信号处理电路组成。
1. 光源：光源通常采用发光二极管（LED）或者激光二极管（LD），用来发射特定波长的光束。
2. 光敏元件：光敏元件是光电传感器的核心部件，用来接收光信号并转化为电信号。
常见的光敏元件有光电二极管（PD）、光敏电阻（LDR）、光电二极管阵列（PD Array）等。
3. 信号处理电路：信号处理电路用来放大、滤波和解调光敏元件输出的电信号，以便得到目标物体的相关信息。
二、光电传感器的工作原理光电传感器的工作原理可以分为反射式、透射式和散射式三种。
1. 反射式光电传感器：反射式光电传感器通过光源发射的光束被目标物体反射后，由光敏元件接收。
当目标物体挨近或者远离传感器时，反射光的强度会发生变化，光敏元件输出的电信号也会相应变化。
通过检测电信号的变化，可以判断目标物体的存在、距离和位置等信息。
2. 透射式光电传感器：透射式光电传感器将光源和光敏元件分别安装在传感器的两侧，目标物体位于光源和光敏元件之间。
当目标物体遮挡光源发出的光束时，光敏元件接收到的光强度会降低，从而输出电信号的变化。
通过检测电信号的变化，可以判断目标物体的存在、透过程度和位置等信息。
3. 散射式光电传感器：散射式光电传感器将光源和光敏元件安装在传感器的同一侧，目标物体位于光源和光敏元件之间。
当目标物体散射光源发出的光束时，光敏元件接收到的光强度会发生变化，从而输出电信号的变化。
通过检测电信号的变化，可以判断目标物体的存在、形状和位置等信息。
三、光电传感器的应用领域光电传感器在工业自动化、光电测量和光通信等领域具有广泛的应用。
1. 工业自动化：光电传感器可用于物体检测、位置测量、计数和速度测量等方面。
光电传感器PPT
图像传感器广泛应用于摄像机、数码相机、安防监控等领域，能够捕捉和记录图 像信息，为人们提供视觉感知和数据记录的功能。
04
光电传感器的挑战与未来发 展
提高灵敏度和精度
01
灵敏度和精度是光电传感器的重 要性能指标，提高这两个指标有 助于提高传感器对目标物体的检 测能力和测量精度。
02
可以通过优化光电传感器的结构 设计、改进制造工艺、采用高性 能材料等方法来提高其灵敏度和 精度。
05 结论
光电传感器的重要性和发展前景
光电传感器在自动化生产、智能家居、 环境监测等领域具有广泛的应用，能够 实现非接触、高精度、快速响应的测量 和检测，对提高生产效率和产品质量具
有重要意义。
随着科技的不断进步，光电传感器技术 也在不断发展，未来将会有更多的新型 光电传感器出现，如红外传感器、光纤 传感器等，其应用领域也将不断拓展。
详细描述
光电开关通过将光信号转换为电信号 ，实现物体的位置、速度、距离等参 数的检测和控制。广泛应用于自动化 生产线、机器人、安防系统等领域。
红外传感器
总结词
红外传感器是一种利用红外线进 行检测的传感器，具有非接触、 高精度和快速响应的特点。
详细描述
红外传感器能够检测物体的温度 、辐射能量等参数，常用于温度 测量、热成像、气体分析等领域 。
光纤传感器
总结词
光纤传感器是一种利用光纤传输光信号进行检测的传感器，具有抗电磁干扰、 耐腐蚀、高灵敏度的特点。
详细描述
光纤传感器能够检测物体的位移、压力、温度、折射率等参数，广泛应用于石 油化工、航空航天、医疗等领域。
图像传感器
总结词
图像传感器是一种能够将光学图像转换为数字信号的传感器，具有高分辨率、低 噪声、动态范围广的特点。
光电传感器的原理
光电传感器的原理光电传感器是一种利用光电效应来实现物理量探测的器件。
它可以将光信号转换成电信号，从而实现对光线、颜色、位置、距离等物理量的测量和控制。
在工业自动化、机器人、医疗设备、汽车电子、安防监控等领域中，光电传感器得到了广泛的应用和发展。
一、光电效应的基本原理光电效应是指当光线照射到金属表面时，金属中的自由电子被激发出来，形成电子流，从而产生电流。
这种现象被称为外光电效应。
内光电效应则是指光线照射到半导体材料上时，激发出电子-空穴对，从而产生电子流和空穴流。
光电效应的基本原理可以用光子能量和电子结构来解释。
光子能量与光的频率有关，当光子能量达到或超过金属或半导体的电子结构中的某个能级时，就可以激发出电子，使其脱离原子或分子，从而形成电子流。
这个能级被称为电离能级或导带底部能级。
二、光电传感器的基本结构和工作原理光电传感器的基本结构可以分为光源、光电转换器、信号处理电路和输出部分。
光源通常采用LED或激光器，发出光线照射到被测物体上，被测物体反射或散射出的光线再经过光电转换器，被转换成电信号，经过信号处理电路进行放大、滤波、积分等处理后，输出给控制系统或显示器。
光电传感器的工作原理主要是基于光电效应和光散射效应。
当光线照射到被测物体上时，被测物体会反射、散射或吸收部分光线，这些光线经过光电转换器后被转换成电信号，从而实现对被测物体的测量和控制。
光电传感器可以根据测量物理量的不同分为光电开关、光电编码器、光电距离传感器、光电颜色传感器、光电反射式传感器等类型。
其中，光电开关是最常见的一种光电传感器，它可以实现对物体的存在、位置、形状等特征的检测和控制，广泛应用于工业自动化、机器人、安防监控等领域。
三、光电传感器的应用和发展趋势光电传感器具有快速、高精度、无接触、可靠等优点，被广泛应用于工业自动化、机器人、医疗设备、汽车电子、安防监控等领域。
随着科技的不断进步和应用需求的不断增加，光电传感器的应用和发展也呈现出以下几个趋势：1. 多功能化：光电传感器不仅可以实现对物体的测量和控制，还可以实现对物体的识别、分类、定位等功能，将更多的智能化和自主化功能集成在一起，提高系统的效率和可靠性。
第八章-光电传感器输出信号的采集
三、数据采集卡
声卡
声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功 能就是经过DSP音效芯片的处理，进行模拟音频信号与 数字信号的转换，因此，声卡也可以作为一块数据采 集卡来使用。
三、数据采集卡
声卡的技术参数
声卡的技术参数主要有两个：采样位数（分辨率）和采 样率。
采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度，这个数值 越大，解析度就越高，录制和播放声音的效果就越真实。 声卡位数反映了对信号描述的准确程度。目前声卡的主流 产品位数都是16位，而一般数据采集卡大多只是12位。
量程：输入信号的幅度，常用有±5V、±10V、0~5V、
0~10V，要求输入信号在量程内进行。
增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益，
通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定 倍数的放大。由两种型号PGA202(1、10、100、1000)和 PGA203(1、2、4、8)的增益芯片。
一、光电传感器信号的二值化处理
微型计算机所能识别的数字是“0”或“1”，即低或高 电平。 “0”或“1” 在光电信号中它既可以代表信号的有 与无，又可以代表光信号的强弱到一定程度，还可以检测运 动物体是否运动到某一特定的位置。将光电信号转换成“0” 或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。
光电信号的二值化处理分为单元光电信号的二值化处理与序 列光电信号的二值化处理。
二、DAQ设备
需要以多快的速度采集或生成信号？
对于DAQ设备来说，最重要的参数指标之一就是采样率，即 DAQ设备的ADC采样速率。典型的采样率（无论硬件定时或 软件定时）可达2MS/S。在决定设备的采样率时，需要考虑 所需采集或生产信号的最高频率成分。
Nyquist定理指出，只要将采样率设定为信号中所感兴趣的 最高频率分量的2倍，就可以准确地重建信号。然而，在实 践中至少应以最高频率分量的10倍作为采样频率才能正确 地表示原信号。选择一个采样率至少是信号最高频率分量 10倍的DAQ设备，就可以确保能够精确地测量或者生成信号。
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本章学习要求
完成本章内容的学习后应能做到： 1.理解光电效应 2.理解各种光电转换元件工作原理 3.熟悉光电传感器的应用
主要内容
第一节 光电效应及分类 一、光电传感器概述 二、光电效应 三、光电效应分类
1.外光电效应 2.内光电效应
四、光电传感器应用实例
一、光电传感器概述
1.定义 通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并 能将光能转化成电信号的器件。 2.结构 光源、光学元件和光电变换器三部分组成。 3.工作原理 被测量使光源发射的光通量变化→光电变换器接受到 的光通量相应变化→输出电量也作相应地变化。 4.优点 结构简单、体积小、响应快，可靠性高、抗干扰能力强。
b.光敏二极管和光敏三极管
光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是 光照在半导体结上而已。
（a）光敏二极管
（b）光敏三极管
2.光生伏特效应
光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产 生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器 件是自发电式的,属有源器件。以可见光作光源的光 电池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常用 的材料,也可以使用锗。
光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光照特性是指在一定的电压 下，光电流I与光照强度E的关系 。
光敏电阻的伏安特性
光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光 照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。
光敏电阻的频率特性
频率特性系指光敏电阻上的光电流对入 射光调制频率的响应特性 。
硫光铅光谱温度特性
温度特性系指光敏电阻工作特性受温度的影响。
可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。
2、内光电效应
受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产 生光电动势的效应称为内光电效应。 内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光 生伏特效应。
（1）光电导效应
原理：光 → 半导体 → 电子吸收能 量 → 跃迁 → 电子-空穴对→导电 性能→电阻值。 基于这种效应的光电器件有光敏电 阻(光电导型)和反向工作的光敏二极 管、光敏三极管(光电导结型)。
二、光电效应
定义
光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物 体的轰击，物体吸收光子能量产生相应的电效应。 光子能量
E h f h
光的 频率
C
=6.626×10-34 J· S，为普朗克常数。
三、光电效应的分类
通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为 外光电效应和内光电效应。
导带 禁带 价带
半导体能带图
a.光敏电阻(光导管)
特点：灵敏度高,体积 小,重量轻,光谱响应 范围宽,机械强度高, 耐冲击和振动,寿命长 等优点。
原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻)---暗电流很小 有光照---电子-空穴对增多---电阻小(亮电阻)---亮电流很大
阴极K电位最低，阳极A电位最高。各电极之间保持上百伏的电压差。
光电倍增管工作原理图
（2）工作原理： 光 → 阴极 → 光电倍增极→ 阳极 → 光电流 光线→光电阴极(D1正电位作用)→加速并打在第一倍增极D1上,产生二
次发射； D1的二次发射电子(D2正电位作用)→加速入射到电极D2上； …这样逐级前进,一直到达阳极A为止。由上述的工作过程可见,光电 流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。
开孔圆盘
直射式光电转速传感器
开孔圆盘
60 f n r / min m
式中n——转速； f——脉冲频率； 。m——圆盘开孔数。
比色温度计 ：通过测量热辐射体在两个以上波长 的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表。
被测对象经物镜1成像经光栏3与光导棒4投射到分光镜6上，它使长波 （红外线）辐射线透过，而使短波（可见光）部分反射。透过分光镜的辐射 线再经滤光片9将残余的短波滤去，之后被红外光电元件硅光电池10接收， 转换成电量输出；由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去，而被 可见光硅光电池8接收，转换成与波长亮度成函数关系的电量输出。
按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传 感器。 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、 反射式、辐射式四种基本形式。
下图表明了四种形式的工作方式。
下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。直射式光电转 速传感器的结构见下图。 工作原理：开孔圆盘上 有许多小孔，开孔圆盘 旋转一周，光敏元件输 出的电脉冲个数等于圆 盘的开孔数，因此，可 通过测量光敏元件输出 的脉冲频率，得知被测 转速。
特点：产生光电流，对光电流有放大作用。
如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被 第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有σ 个 二次电子，这σ 个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加σ 倍，经过n个倍增极后，原先的1个电子将变成σ n个电子，这些电子最后被 阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。 构成倍增极材料的σ >1，设σ ＝4，n＝10，放大倍数为σ ＝410≈ 106
将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比， 即可读出被测对象的温度值。
光栏3前的平行平面玻璃2将一部分光线反射到瞄准反射镜5上，在经 反射镜11、目镜12和棱镜13，便能从观察系统中看到被观测对象的状 态，以便校准仪器的位置。
下图为光纤流速传感器，主要由多模光纤、 光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。
硅光电池：在N型 硅片上掺入P型杂 质，形成一个大 面积的PN结。
硅光电池光照特性
光电池在不同光照强度下，有不同的光生电 势或光生电流 。
四、光电传感器的应用实例
由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多， 又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和 响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、 CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用， 使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的 应用。
主要参数：
暗电流：光照时，通过光敏电阻的电流；
亮电流：有光照时，通过光敏电阻的电流； 光电流＝亮电流－暗电流
4. 基本特性
光谱特性 部分光敏元件的光谱特性
光照特性
伏安特性 频率特性 温度特性
光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波 长单色光的相对灵敏度。
部分光敏元件的光谱特性
光敏电阻的光谱特性是指光电流对不 同波长单色光的相对灵敏度。
1.外光电效应
外光电效应（1887/赫兹/德国）：光照射固体而从 表面逸出电子的现象，称为外光电效应（光电发射效 应）; 基于外光电效应 的光电器件属于光电 发射型器件,有光电 管、光电倍增管等。
光电倍增管工作原理图
光电 阳极
光电 阴极
K
D1～D6光电 倍增极
（1）组成 光电阴极：由半导体材料锑－铯制造，入射光在它上面打出光电子。 光电倍增极：数目在4～14个不等。 光电阳极：收集电子，外电路形成电流输出。 在工作时,这些电极的电位是逐级增高的。
测流速的工作原理: 多模光纤插入顺流 而置的铜管中，由 于流体流动而使光 纤发生机械变形， 从而使光纤中传播 的各模式光的相位 发生变化，光纤的 发射光强出现强弱 变化，其振幅的变 化与流速成正比。
光电二极管在流速测量中的应用