第5章光电式传感器
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《光电式传感器》PPT课件
光电式传感器
.
1
引言
光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成 光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光 信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感 器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、 非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应 快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随 着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继 问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得 到了更广泛的应用。
.
15
光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
2020/12/6
.
16
（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数。
光敏电阻的伏安特性。
I(mA)
6 5 4 3 2 1
0
硫化铅 硫化铊 UV
50 100
光敏电阻的伏安特性
2020/12/6
.
17
光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光谱特性 。
2020/12/6
12
9.1.3 内光电效应器件
光电倍增管的主要参数
（1）倍增系数M。
（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总 灵敏度。
放大倍数
106 105 104 103
2020/12/6
25 50 75 100 125 150
.
极 间 电 压 （ V）
13
1．光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是一种均质半导 体光电元件。它具有灵敏度高、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 寿命长等特点
2020/12/6
.
21
（1）光敏晶体管结构与工作原理
0.8
.
1.0 波长(m)
9
9.1.2 外光电效应器件
.
1
引言
光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成 光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光 信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感 器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、 非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应 快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随 着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继 问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得 到了更广泛的应用。
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15
光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
2020/12/6
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16
（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数。
光敏电阻的伏安特性。
I(mA)
6 5 4 3 2 1
0
硫化铅 硫化铊 UV
50 100
光敏电阻的伏安特性
2020/12/6
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17
光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光谱特性 。
2020/12/6
12
9.1.3 内光电效应器件
光电倍增管的主要参数
（1）倍增系数M。
（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总 灵敏度。
放大倍数
106 105 104 103
2020/12/6
25 50 75 100 125 150
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极 间 电 压 （ V）
13
1．光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是一种均质半导 体光电元件。它具有灵敏度高、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 寿命长等特点
2020/12/6
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21
（1）光敏晶体管结构与工作原理
0.8
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1.0 波长(m)
9
9.1.2 外光电效应器件
光电式传感器的工作原理
光电式传感器的工作原理光电式传感器是一种能够将光信号转化为电信号的器件，广泛应用于自动控制、仪器仪表、光电子技术等领域。
本文将介绍光电式传感器的工作原理及其应用。
一、光电式传感器的概述光电式传感器是一种以光电效应为基础的传感器，通过元件内的光电效应来感知光信号，并将其转化为电信号进行处理。
光电式传感器通常由光源、敏感元件和信号处理部分组成。
二、光电式传感器的工作原理基于光电效应的物理原理。
当光照射到光电式传感器的敏感元件上时，光子会与敏感元件中的电子发生作用，导致电子从原子中脱离，并形成电流。
这个过程可以通过光电效应来解释。
光电效应是指，当光照射到金属表面或半导体材料中时，光子的能量被传递给金属或半导体晶格内的电子，使其脱离原子而形成自由电子。
当光照射强度增加时，脱离的电子数量也会相应增加。
在光电式传感器中，敏感元件通常采用半导体材料。
当光照射到半导体材料上时，光子的能量会将部分半导体晶格中的电子激发，使其跃迁到导带中形成自由电子。
这些自由电子可以被电极收集，从而形成电流信号。
通过测量电流信号的强度，可以确定光信号的强度。
三、光电式传感器的应用光电式传感器具有快速、高精度、高灵敏度等特点，因此在多个领域得到了广泛应用。
1. 工业自动化控制：光电式传感器可以用来检测物体的位置、距离和速度，实现自动化控制系统中的精确定位和测量。
2. 光电检测：利用光电式传感器的灵敏度和快速响应特性，可以实现对透明物体、颜色或表面特性变化的检测，例如反射式光电传感器可用于检测物体的存在或缺失。
3. 光学通信：光电式传感器在光学通信领域中起着至关重要的作用，可以将光信号转化为电信号进行处理和传输。
4. 医疗设备：光电式传感器被广泛应用于医疗设备中，例如血氧监测仪和心率监测器等，用于监测患者的生理参数。
5. 环境监测：光电式传感器可以用于测量环境中的光照强度、光质量等指标，对气候变化、自然灾害等进行监测和预警。
四、总结光电式传感器是一种将光信号转化为电信号的重要工具。
《光电式传感器》课件
光电式传感器的Байду номын сангаас类
• 总结词：光电式传感器有多种分类方式，如按工作方式可分为直接转换 型和间接转换型，按输出信号可分为模拟输出和数字输出等。
• 详细描述：根据工作方式的不同，光电式传感器可以分为直接转换型和间接转换型两类。直接转换型传感器利用光电效 应直接将光信号转换为电信号，如光电管、光电倍增管等；而间接转换型传感器则通过其他物理效应将光信号转换为电 信号，如光电池、光电晶体管等。此外，根据输出信号的不同，光电式传感器可以分为模拟输出和数字输出两类。模拟 输出型传感器输出连续变化的电信号，如光电管和光电池；数字输出型传感器则输出离散的电信号，如光电码盘和光电 开关等。
联网领域的应用越来越广泛。未来，需要加强光电式传感器在这些领域
的应用研究，推动相关技术的进步和发展。
03
交叉学科融合发展
光电式传感器涉及到多个学科领域，如物理学、化学、生物学等。未来
，需要加强交叉学科的融合发展，推动光电式传感器在更多领域的应用
和创新。
光电式传感器通常采用光信号传输，不易 受到电磁干扰的影响，具有较好的抗干扰 能力。
光电式传感器的缺点
对环境光敏感
光电式传感器容易受到环境光的影响 ，特别是在室外或者强光环境下，测 量精度会降低。
成本较高
光电式传感器通常需要使用高精度的 光学元件和电子元件，导致其成本较 高。
需要稳定的光源和检测器
光电式传感器需要稳定的光源和检测 器，以保证测量的准确性和稳定性。
《光电式传感器 》PPT课件
目录
• 光电式传感器概述 • 光电式传感器的应用 • 光电式传感器的优缺点 • 光电式传感器的发展趋势 • 光电式传感器的研究现状与展望
01
光电式传感器优秀优秀课件
如图9-2为光电倍增管的典型结构。它是一个除在玻璃 泡内装入光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增 极，且在光电倍增极上涂以在电子轰击下可发射更多次级 电子的材料，倍增极的形状及位置要正好能使轰击进行下 去，在每个倍增极间均依次增大加速电压。
光电式传感器优秀优秀课件
光电式传感器优秀优秀课件
设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流 倍增率将为δ n 。倍增级数n可在4~ 14 之间，δ的范围一般是 3~6。
如图9-21所示是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大 管。其示值可在指示仪表P上读得。
在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。 2.光电倍增管的测量电路
常见的光电倍增管电路如图9-22所示，各倍增极的电压 由分压电阻链R1、R2……Rn获得，被放大的电流流经负载电 阻就得到了所需的输出电压。
光电式传感器优秀优秀课件
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如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的 Cn~Cn-2可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可 以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca，这样系统 将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那 么就可以用电容器耦合。
当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更 低。这时应接入隔离电容 Ca，同时用电容器Cn~Cn-2稳定最 后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增 益和防止饱和，它们通过电源去耦电容器C将脉冲电压接地。
三、光电池 1.光电池的结构与原理 （1）结构
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型 杂质形成一个大面积的PN结，如图9-11所示。
（2）原理 当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的
光电式传感器优秀优秀课件
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设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流 倍增率将为δ n 。倍增级数n可在4~ 14 之间，δ的范围一般是 3~6。
如图9-21所示是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大 管。其示值可在指示仪表P上读得。
在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。 2.光电倍增管的测量电路
常见的光电倍增管电路如图9-22所示，各倍增极的电压 由分压电阻链R1、R2……Rn获得，被放大的电流流经负载电 阻就得到了所需的输出电压。
光电式传感器优秀优秀课件
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如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的 Cn~Cn-2可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可 以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca，这样系统 将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那 么就可以用电容器耦合。
当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更 低。这时应接入隔离电容 Ca，同时用电容器Cn~Cn-2稳定最 后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增 益和防止饱和，它们通过电源去耦电容器C将脉冲电压接地。
三、光电池 1.光电池的结构与原理 （1）结构
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型 杂质形成一个大面积的PN结，如图9-11所示。
（2）原理 当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的
传感器原理及应用第五章 光电式传感器
7
原理
无光照射时，电路不通
有光线照射时，如果光子
能量大于电子的逸出功， 光
会有电子逸出，产生电子 发射
A（阳极） IR
电子被带有正电的阳极吸 引，在光电管内形成光电
K（阴极）
U0 E
流
根据电流大小可知光量的 大小
8
光电倍增管
在光电管的阴极与阳极之间（光电子飞跃 的路程上）安装若干个倍增极，就构成了 光电倍增管，
1-光源 2-透镜 3-半透 明膜 4-透镜 5-转盘 6透镜 7-光电元件
15
表面缺陷光电传感器
表面光滑
表面有缺陷
1-光源 2-透镜 3-被测物 4-透镜 5-光电元件
16
燃气热水器脉冲点火控制器
打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀 门关闭，保证使用燃气器具的安全性
17
红外光电开关
而线阵是把CCD像素排成1直线的器件
33
CCD传感器的工作原理
当物体通过物镜成像，这些光敏元就产生与照 在它们上面的光强成正比的光生电荷（光生电 子－空穴对），同一面积上光敏元越多分辨率 越高，得到的图象越清楚
34
CCD传感器的应用
管径测量
物镜 平 行 光 线
玻璃管
CCD视频输出
CCD
上臂厚
20
红外光电开关
反射镜反射型传感器单侧安 装
需要调整反射镜的角度以取 得最佳反射效果
当有物体通过时，红外光束 被隔断，光敏三极管收不到 红外线而产生一个电脉冲信 号，其检测距离不如透射型
21
红外光电开关
被测体反射型 发光二极管与光敏三极管光
轴在同一平面上，以某一角 度相交，交点处为待测点， 当有物体经过待测点时，发 光二极管的红外线经被测体 上的标记反射，被光敏三极 管接收，从而使光敏三极管 产生电脉冲信号
原理
无光照射时，电路不通
有光线照射时，如果光子
能量大于电子的逸出功， 光
会有电子逸出，产生电子 发射
A（阳极） IR
电子被带有正电的阳极吸 引，在光电管内形成光电
K（阴极）
U0 E
流
根据电流大小可知光量的 大小
8
光电倍增管
在光电管的阴极与阳极之间（光电子飞跃 的路程上）安装若干个倍增极，就构成了 光电倍增管，
1-光源 2-透镜 3-半透 明膜 4-透镜 5-转盘 6透镜 7-光电元件
15
表面缺陷光电传感器
表面光滑
表面有缺陷
1-光源 2-透镜 3-被测物 4-透镜 5-光电元件
16
燃气热水器脉冲点火控制器
打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀 门关闭，保证使用燃气器具的安全性
17
红外光电开关
而线阵是把CCD像素排成1直线的器件
33
CCD传感器的工作原理
当物体通过物镜成像，这些光敏元就产生与照 在它们上面的光强成正比的光生电荷（光生电 子－空穴对），同一面积上光敏元越多分辨率 越高，得到的图象越清楚
34
CCD传感器的应用
管径测量
物镜 平 行 光 线
玻璃管
CCD视频输出
CCD
上臂厚
20
红外光电开关
反射镜反射型传感器单侧安 装
需要调整反射镜的角度以取 得最佳反射效果
当有物体通过时，红外光束 被隔断，光敏三极管收不到 红外线而产生一个电脉冲信 号，其检测距离不如透射型
21
红外光电开关
被测体反射型 发光二极管与光敏三极管光
轴在同一平面上，以某一角 度相交，交点处为待测点， 当有物体经过待测点时，发 光二极管的红外线经被测体 上的标记反射，被光敏三极 管接收，从而使光敏三极管 产生电脉冲信号
光电传感器-PPT
⑴槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（<µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。
光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。 发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。
接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
光电式传感器的结构和功能
光电式传感器的结构和功能光电式传感器是一种常用的传感器，它利用光电效应将光信号转化为电信号，从而实现对光照强度的检测和测量。
该传感器的结构和功能十分重要，下面我将为您详细介绍。
一、结构光电式传感器主要由发光器、接收器、滤波器和输出电路等组成。
1. 发光器：发光器通常由发光二极管（LED）组成，它能够将电能转化为光能。
当电流通过LED时，LED会发出特定波长的光线，这些光线被用于照射待测物体。
2. 接收器：接收器通常由光敏电阻或光敏二极管（光电二极管）组成，它能够将光能转化为电能。
当接收器接收到照射物体反射回来的光线时，光敏元件会产生对应的电压或电流信号。
3. 滤波器：滤波器的作用是将非目标波长的光线滤除，只保留目标波长的光线。
通过选择合适的滤波器，可以提高光电式传感器的灵敏度和准确度。
4. 输出电路：输出电路负责将接收到的电信号进行放大、滤波和转换，最终输出一个与光照强度相关的电信号。
这个信号可以被连接到其他电路或设备中进行进一步的处理或控制。
二、功能光电式传感器具有广泛的应用，其功能主要体现在以下几个方面：1. 光照检测：光电式传感器能够检测环境中的光照强度，根据光照强度的变化来判断是否需要进行照明或调节照明强度。
2. 物体检测：通过测量物体反射的光线强度，光电式传感器能够实现对物体的检测。
例如，在自动门控制系统中，光电式传感器可以检测到人或物体的到来，从而触发门的开启或关闭。
3. 颜色识别：光电式传感器可以根据物体反射的光线波长来识别物体的颜色。
这在工业自动化和机器人领域有着重要的应用。
4. 位置测量：光电式传感器可以通过测量物体反射光线的强度来判断物体的位置。
这在自动化控制和机器人导航中具有重要意义。
总结：光电式传感器的结构和功能使其成为现代工业和生活中不可或缺的重要设备。
它能够准确地检测和测量光照强度，并根据需要进行相应的控制和处理。
光电式传感器的应用范围广泛，例如照明系统、自动控制和机器人领域等，为人们的生活带来了便利和高效。
光电式传感器的应用课件
详细描述
光电式传感器可以用于机器人视觉系统中，以识别物体的 颜色和形状。例如，颜色传感器可以通过检测物体表面的 颜色来识别不同物体，而形状传感器则可以识别物体的轮 廓和特征。
总结词
实现导航和定位
总结词
实现人机交互
详细描述
光电式传感器可以用于实现人机交互，例如触摸传感器可 以检测人的触摸动作，而光敏传感器则可以检测人的手势 和动作。
医疗诊断
医疗设备检测
光电式传感器可以用于医疗设备 的检测与控制，提高医疗设备的 稳定性和安全性。
医学影像处理
光电式传感器可以用于医学影像 的获取和处理，为医生提供更准 确、更直观的诊断依据。
03
光电式传感器在工业自动化中的应用案例
光电式传感器在生产线上的应用
总结词
检测物体位置和运动速度
详细描述
详细描述：光电式传感器在气象观测中主要用于测量风速、风向、雨量等参数。 由于其精度高、稳定性好，能够为气象预报提供准确的数据支持。
光电式传感器在水质监测中的应用
总结词：实时监测
详细描述：光电式传感器可以实时监测水质的各项指标，如浊度、溶解氧、PH值等，为水质管理和保 护提供及时的信息。
光电式传感器在空气质量监测中的应用
光电式传感器在消防报警系统中的应用
总结词
光电式传感器在消防报警系统中具有 重要作用，能够及时检测到火灾并发 出警报，减少火灾损失。
详细描述
光电式传感器在消防报警系统中主要 用于烟雾探测器、火焰探测器等设备 ，能够及时检测到火灾并发出警报， 提醒人员及时疏散和采取灭火措施， 减少火灾损失。
光电式传感器在入侵检测系统中的应用
光电式传感器的应用课件
目
CONTENCT
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原理：外界光 → 光原子 → 能级跃迁 → 受激辐射 → 光放大→谐振→辐射激光
特点：方向性好---发散角很小(约0.18º)，比普通光小2~3数量 亮度高------能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍 单色性好---光谱范围极小，频率单一； （He-Ne激光:λ=632.8nm,Δλ=10-6nm） 相干性好---受激辐射，传播方向/振动方向/频率/相位一致 时间相干性、空间相干性均好
5.1.1 光电式传感器的组成原理
工作原理：光 → 敏感元件 → 电
敏感元件：光电元件
光电效应
外光电效应 内光电效应
系统组成： 光源
光
光通路 光
光电元件 电
电
测量电路
y
测量方式： 被测量x1
方式：
被测量x2
改变光源：
改变光路：
第5章光电式传感器
5.1.2 特点及应用
特点：非接触、响应快、性能可靠、精度高 应用：光 光学量：光强、光照度、辐射、气体成分、
光源 － 码盘－光电元件 码盘转动－遮光－透光－脉冲 转速越高 － 脉冲频率越高
反射式：
转速传感器
频闪式：
转速第传5章感光电器式传感器
5.2 常用光源
❖ 5.2.1 对光源的要求 ❖ 5.2.2 热辐射光源 ❖ 5.2.3 气体放电光源 ❖ 5.2.4 发光二极管(LED) ❖ 5.2.5 激光光源
原理：光 → 金属物体表面 → 电子获得光子的能量 光子能量 > 表面溢出功 → 电子逸出表面 → 光电子发射
特点：速度快 --- 从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。 需足够光能 --- 光子能量 > 表面溢出功 频率下限f0 --- 当 f < f0 时无激发电子 → “红限”
几何量：形状、尺寸、位移、距离、表面粗糙度、形位误差 力学量：应变、速度、加速度、振动、流量、密度 生化量：离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子标记、
第5章光电式传感器
5.1.3 光电式传感器的一般形式
1. 模拟式光电传感器
透射式：光→被测物→光电元件（透射） 测量透明、半透明固体透明度、 液体混浊度、气体浓度；
第5章 光电式传感器
❖ 5.1 光电传感器概述 ❖ 5.2 ❖ 5.3 光电效应及光电元件 ❖ 5.4 光电编码器 ❖ 5.5 光栅传感器
第5章光电式传感器
5.1 光电传感器概述
❖ 5.1.1 光电式传感器的组成原理 ❖ 5.1.2 特点及应用 ❖ 5.1.3 光电式传感器的一般形式
第5章光电式传感器
染料激光器
离子激光器
半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性
蓝色/紫色激光
红色激光第5章光近电式红传外感小器 功率
蓝色激光器
5.3 光电效应及光电元件
❖ 5.3.1 外光电效应及其器件 ❖ 5.3.2 内光电效应及器件
第5章光电式传感器
5.3.1 外光电效应及其器件
1. 外光电效应
橙色、蓝色 应用：指示灯、背光源
白色LED：2001,美国波士顿大学光学研究中心 光谱丰富---（篮+黄）/（篮+绿+红） 亮度高---荧光灯5倍，白炽灯的25倍 应用：仪器光第源5章、光室电内式传照感明器 、
5.2.5 激光光源
LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激辐射放大产生的光”
应用：强光、色温要求接近日光第5章光电式传感器
5.2.4 发光二极管(LED)
原理：半导体，电致发光， 特点：体积小，可平面封装，固体光源，无辐射，绿色光源
功耗低（白炽灯1/8，荧光灯1/2）、发热少 寿命长（10万小时，是荧光灯的10倍 ） 、耐振动 响应快（毫秒级 ）、供电电压低、易于数字控制 价格较白炽灯贵，功率低，亮度小， 器件：单色LED：红色、绿色、黄色、
反射式：光→被测物→光电元件（反射） 测量物体表面反射率、粗糙度、 距离、位置、振动；
遮光式：光→被测物→光电元件（部分遮光） 测量物体位移、振动、速度；
辐射式：被测物→光 →光电元件，辐射强度 测量辐射温度、放射第5线章；光电式传感器
5.1.3 光电式传感器的一般形式
2. 脉冲式光电传感器
透射式：
第5章光电式传感器
5.2.1 对光源的要求
照度要求：足够亮度、光通量，保证信噪比和灵敏度 均匀要求：视场亮度均匀、无阴影，避免测量误差 投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射
发热要求：热光源、冷光源，减小发热对测量结果的影响
光谱要求：光波频率、波长 ： 紫外 → 可见光 → 红外
全光谱 波长：
10-14
第5章光电式传感器
5.2.5 激光光源
固体激光器：体积小，坚固，功率高
红外固体激光器 绿色固体激光器 红宝石固体激光器
气体激光器：小巧、单色性好、能连续工作、功率小； 高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济；HeBiblioteka Ne激光器第5章光电式传感器
He-Cd激光器
He-Cd激光器（制冷）
5.2.5 激光光源
10-12
紫外光
À nm
m
可见光 mm
cm
红外光
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
1m
可见光：380nm ～ 780nm
红外光：780nm ~ 1m 紫外光：1nm ~ 380nm
380 400 500 600 700 第5章光紫电式传蓝感器 青 绿 黄 橙
400 435 470 525 575 605
780 nm 红
685
5.2.2 热辐射光源
原理：高温物体 → 光辐射，温度高 → 辐射能大 器件：白炽灯 --- 钨丝（1879年，爱迪生）
+ 惰性气体 → 提高寿命 卤钨灯 --- 钨丝+卤素（碘），
卤素 + 内壁钨 → 卤化钨 → 受热 分解 → 钨 → 沉积到钨丝 特点：谱线丰富，可见光+红外光，峰值在近红外区 发光效率低，15%在可见光， 发热大，>80%能量转化为热能， → 热光源 寿命短（1000小时），易碎，电压高，有危险 应用：可见光源 --- 宽光谱 （滤色片 → 窄带光谱，避免杂光干扰 → 仪器） 近红外光源 --- 红外检测 第5章光电式传感器
5.2.3 气体放电光源
原理：气体分子激发 → 放电 → 发光 器件： 弧光灯 --- 碳弧灯 钠弧灯 氙弧灯 水银弧灯(汞灯) 金卤灯
荧光灯 --- 气体放电+荧光粉，波长更长 日光灯：光谱接近日光 节能灯：压缩荧光灯，
特点： 效率高，省电 功率大，光色接近日光，紫外线丰富 有辐射，废弃物有汞污染、易碎 频率低，对人眼有损害，
特点：方向性好---发散角很小(约0.18º)，比普通光小2~3数量 亮度高------能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍 单色性好---光谱范围极小，频率单一； （He-Ne激光:λ=632.8nm,Δλ=10-6nm） 相干性好---受激辐射，传播方向/振动方向/频率/相位一致 时间相干性、空间相干性均好
5.1.1 光电式传感器的组成原理
工作原理：光 → 敏感元件 → 电
敏感元件：光电元件
光电效应
外光电效应 内光电效应
系统组成： 光源
光
光通路 光
光电元件 电
电
测量电路
y
测量方式： 被测量x1
方式：
被测量x2
改变光源：
改变光路：
第5章光电式传感器
5.1.2 特点及应用
特点：非接触、响应快、性能可靠、精度高 应用：光 光学量：光强、光照度、辐射、气体成分、
光源 － 码盘－光电元件 码盘转动－遮光－透光－脉冲 转速越高 － 脉冲频率越高
反射式：
转速传感器
频闪式：
转速第传5章感光电器式传感器
5.2 常用光源
❖ 5.2.1 对光源的要求 ❖ 5.2.2 热辐射光源 ❖ 5.2.3 气体放电光源 ❖ 5.2.4 发光二极管(LED) ❖ 5.2.5 激光光源
原理：光 → 金属物体表面 → 电子获得光子的能量 光子能量 > 表面溢出功 → 电子逸出表面 → 光电子发射
特点：速度快 --- 从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。 需足够光能 --- 光子能量 > 表面溢出功 频率下限f0 --- 当 f < f0 时无激发电子 → “红限”
几何量：形状、尺寸、位移、距离、表面粗糙度、形位误差 力学量：应变、速度、加速度、振动、流量、密度 生化量：离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子标记、
第5章光电式传感器
5.1.3 光电式传感器的一般形式
1. 模拟式光电传感器
透射式：光→被测物→光电元件（透射） 测量透明、半透明固体透明度、 液体混浊度、气体浓度；
第5章 光电式传感器
❖ 5.1 光电传感器概述 ❖ 5.2 ❖ 5.3 光电效应及光电元件 ❖ 5.4 光电编码器 ❖ 5.5 光栅传感器
第5章光电式传感器
5.1 光电传感器概述
❖ 5.1.1 光电式传感器的组成原理 ❖ 5.1.2 特点及应用 ❖ 5.1.3 光电式传感器的一般形式
第5章光电式传感器
染料激光器
离子激光器
半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性
蓝色/紫色激光
红色激光第5章光近电式红传外感小器 功率
蓝色激光器
5.3 光电效应及光电元件
❖ 5.3.1 外光电效应及其器件 ❖ 5.3.2 内光电效应及器件
第5章光电式传感器
5.3.1 外光电效应及其器件
1. 外光电效应
橙色、蓝色 应用：指示灯、背光源
白色LED：2001,美国波士顿大学光学研究中心 光谱丰富---（篮+黄）/（篮+绿+红） 亮度高---荧光灯5倍，白炽灯的25倍 应用：仪器光第源5章、光室电内式传照感明器 、
5.2.5 激光光源
LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激辐射放大产生的光”
应用：强光、色温要求接近日光第5章光电式传感器
5.2.4 发光二极管(LED)
原理：半导体，电致发光， 特点：体积小，可平面封装，固体光源，无辐射，绿色光源
功耗低（白炽灯1/8，荧光灯1/2）、发热少 寿命长（10万小时，是荧光灯的10倍 ） 、耐振动 响应快（毫秒级 ）、供电电压低、易于数字控制 价格较白炽灯贵，功率低，亮度小， 器件：单色LED：红色、绿色、黄色、
反射式：光→被测物→光电元件（反射） 测量物体表面反射率、粗糙度、 距离、位置、振动；
遮光式：光→被测物→光电元件（部分遮光） 测量物体位移、振动、速度；
辐射式：被测物→光 →光电元件，辐射强度 测量辐射温度、放射第5线章；光电式传感器
5.1.3 光电式传感器的一般形式
2. 脉冲式光电传感器
透射式：
第5章光电式传感器
5.2.1 对光源的要求
照度要求：足够亮度、光通量，保证信噪比和灵敏度 均匀要求：视场亮度均匀、无阴影，避免测量误差 投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射
发热要求：热光源、冷光源，减小发热对测量结果的影响
光谱要求：光波频率、波长 ： 紫外 → 可见光 → 红外
全光谱 波长：
10-14
第5章光电式传感器
5.2.5 激光光源
固体激光器：体积小，坚固，功率高
红外固体激光器 绿色固体激光器 红宝石固体激光器
气体激光器：小巧、单色性好、能连续工作、功率小； 高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济；HeBiblioteka Ne激光器第5章光电式传感器
He-Cd激光器
He-Cd激光器（制冷）
5.2.5 激光光源
10-12
紫外光
À nm
m
可见光 mm
cm
红外光
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
1m
可见光：380nm ～ 780nm
红外光：780nm ~ 1m 紫外光：1nm ~ 380nm
380 400 500 600 700 第5章光紫电式传蓝感器 青 绿 黄 橙
400 435 470 525 575 605
780 nm 红
685
5.2.2 热辐射光源
原理：高温物体 → 光辐射，温度高 → 辐射能大 器件：白炽灯 --- 钨丝（1879年，爱迪生）
+ 惰性气体 → 提高寿命 卤钨灯 --- 钨丝+卤素（碘），
卤素 + 内壁钨 → 卤化钨 → 受热 分解 → 钨 → 沉积到钨丝 特点：谱线丰富，可见光+红外光，峰值在近红外区 发光效率低，15%在可见光， 发热大，>80%能量转化为热能， → 热光源 寿命短（1000小时），易碎，电压高，有危险 应用：可见光源 --- 宽光谱 （滤色片 → 窄带光谱，避免杂光干扰 → 仪器） 近红外光源 --- 红外检测 第5章光电式传感器
5.2.3 气体放电光源
原理：气体分子激发 → 放电 → 发光 器件： 弧光灯 --- 碳弧灯 钠弧灯 氙弧灯 水银弧灯(汞灯) 金卤灯
荧光灯 --- 气体放电+荧光粉，波长更长 日光灯：光谱接近日光 节能灯：压缩荧光灯，
特点： 效率高，省电 功率大，光色接近日光，紫外线丰富 有辐射，废弃物有汞污染、易碎 频率低，对人眼有损害，