第7章光电式传感器-

第七章 光电式传感器
本章要点: 1）光电器件的特性和选择、光电传感器设计原 理及应用 2）光纤传感器原理和典型应用举例 3）莫尔条纹现象和重要特性、光栅传感器工作 原理及应用方法
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工作原理：首先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成 电信号。 优点：由于光电测量方法灵活多样，可测 参数众多，一般情况下具有非接触、高精 度、高分辨力、高可靠性和反应快。 应用：在检测和控制领域中获得了广泛的 应用，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，使得光电传感器的内容极其丰富。
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（一）光电发射型（外光电效应）
根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子。
光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0， 这时逸出表面的电子就具有动能
Ek2 1m2 0vh fA0
光电子逸出时所具有的初始动能EK与光的频率有关。
能激发电子逸出的频率限称为“红限”， fkA0/h
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第二节 光电器件
光电器件的作用是将光信号变为电信号。
可分为： *热探测器：光 温度 电
基于光辐射与物质相互作用的热效应能接收 超低能量的光子，尤其适用红外探测。 *光子探测器：光 电 基于一些物质的光电效应。
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一、热探测器
（一）测辐射热电偶 （二）测辐射热敏电阻 （三）热释电探测器 敏感部分为（陶瓷）铁电材料。应用于防火、防
当测量稳定的辐射源时, 各电容可省去,此时往往 电源的正端接地。 当辐射源为脉冲通量时, 电源的负端接地。
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（二）半导体光电元件的测量电路
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四、一般形式的光电传感器及应用
（一）模拟式光电传感器
其工作原理是基于光电元件 的光电特性，其光通量是随 被测量而变，光电流就成为 被测量的函数，故称为光电 传感器的函数运用状态。 （1）吸收式（混浊度计等） （2）反射式（表面粗糙度等） （3）遮光式 （4）辐射式（高温计等）
**CCD和PSD第后7章光叙电式传感器-
光电池外形 较大电流的大面积光电池外形
光敏面
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太阳能 硅光电池板
太阳能赛车
光电池在人造卫 星上的应用
太阳能发电
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三、测量电路 （一）光电管的测量电路
1.真空光电管的测量电路
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2.光电倍增管的测量电路
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光幕应用（续）
长度 测量
宽度 测量
三维尺寸检测
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高度 测量
光幕应用（续）
光幕可 检测出带材 在卷曲过程 中的偏移， 经控制器和 执行机构使 带材向正确 的方向运动 （纠偏）。
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纠偏
辐射式光电传感器
激光仅用于瞄准
Hale Waihona Puke Baidu
红外线辐射温度计外形
市售的红外辐射温度计的第温7章光度电式范传感围器-可以从-30℃~3000℃。
其波长也称为临界波长。
K
hc A0
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光电管的结构和工作原理
真空光电管结构如图，在一个真空泡内装有两 个电极：光电阴极和光电阳极。
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光电倍增管结构如图。 光电转换分为光电发射 和电子倍增两个过程
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（二）光电导型（内，半导体）
在光线作用下其电阻值往往变小，这种现象称为光 导效应。 具有这种性质的材料称为光敏电阻，也叫光导管。
光电传感器 光电式带材跑偏检测器
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光幕
两个柱形结 构相对而立，每 隔数十毫米安装 一对发光二极管 和光敏接收管， 形成光幕，当有 物体遮挡住光线 时，传感器发出 报警信号。
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光幕应用
当有物 体遮挡住光 线时，传感 器发出报警 信号，起保 护、预警等 作用。
光线被遮断（报警）
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光敏电阻演示
当光敏电阻 受到光照时， 光生电子—空 穴对增加，阻 值减小，电流 增大。
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（三）光电导结型（内，半导体）
有光敏二极管和光敏三极 管等。光敏三极管比相应 的二极管的光电流大（1 + ）倍。如硅二极管在 照度1000lx 时，约 0.03A，而硅三极管有 约3mA的光电流。 还有雪崩二极管、PIN结 构光电二极管。
红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用
人体额温测量
耳温仪
集成IC 温度测量
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第7章光电式传感器-
吸收式光电传感器
报警
光电式浊度计和含沙量测量 第7章光电式传感器-
烟雾
烟雾报警器
反射式光电传感器
光电转速表
浊度计
光电自动门
表面质量
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遮光式光电传感器
当带材处于 正确位置（中间 位置）时，放大 器输出电压Uo为 零；当带材左偏 时，遮光面积减 小，输出电压反 映了带材跑偏的 方向及大小。
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第一节 光源
大多数光电传感器都离不开光源，选择时要考虑 波长、谱分布、体积、造价、功率等因素。 一、热辐射光源（钨丝白炽灯） 二、气体放电光源（低压汞灯、氢灯、钠灯、镉 灯、氦灯） 三、电致发光器件——发光二极管 四、激光器 （一）固体激光器 （二）气体激光器 （三）半导体激光器
盗、光谱仪、红外测温仪、热象仪、红外遥感 技术等。
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二、 光子探测器
光以光速c传播，其波长 c/f 光是一种称为光子的物质组成，兼有波和粒子的特性。 光是一种电磁波，其能量E和振荡频率的关系为频率越 高，能量越大。 E=hf
普朗克常数: h=6.62610 –34 (J·s) 光电效应：物体吸收能量为E的光后产生的电效应。 外光电效应：当物体在光的作用下能使物体中的电子 从物体表面逸出的现象。如金属和金属氧化物。 内光电效应：当物体在光的作用下所释放的电子不逸 出物体表面，而只在物体内部运动并使其电特性发生 变化。常在半导体材料内。
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光敏二极管、光敏三极管外形
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（四）光电伏特型（半导体）
是自发电式的，有源器 件。即是说，受光照射 时就产生一定方向的电 动势，而不需要外部电 源。这种因光照而产生 电动势的现象称为光生 伏特效应。 用可见光作光源的光电 池是最常用的光生伏特 型元件。它是大面积的 pn结。