传感器原理及应用第五章 光电式传感器
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。
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。
光电式传感器工作原理
光电式传感器工作原理
光电式传感器是一种常用的传感器，它的工作原理是利用光电效应将光信号转化为电信号，从而实现对物体的检测和测量，广泛应用于工业自动化、机器人、电子设备等领域。
光电式传感器主要由光源、光电二极管、信号放大电路和输出电路等组成。
当光源照射到被测物体上时，被测物体将吸收或反射部分光线，光电二极管接收到光信号后，会产生电信号输出，经过信号放大电路放大后，输出到输出电路中。
光电式传感器有两种常见的工作方式：一种是反射式，一种是穿射式。
反射式光电式传感器光源和光电二极管位于同一侧，当被测物体进入光电束时，反射一部分光线到光电二极管上，从而产生电信号输出；穿射式光电式传感器则是光源和光电二极管分别位于两侧，当被测物体进入光电束时，会挡住部分光线，使光电二极管接收到的光信号发生变化，从而产生电信号输出。
光电式传感器具有检测灵敏度高、响应快、反应时间短、使用寿命长、适用于非接触式检测等优点，因此被广泛应用于各种领域。
例如在工业生产线上，可以用光电式传感器检测物体的位置、尺寸、颜色等参数，从而实现对物体的自动分拣、计数、定位等功能；在机器人领域，可以用光电式传感器实现机器人对环境的感知和定位，从而实现机器人的自主导航和操作。
需要注意的是，光电式传感器的使用受到环境光干扰的影响，因此在实际应用中需要根据具体情况选择合适的滤光片、反光板等附件，以保证传感器的正常工作。
光电式传感器是一种非常重要的传感器，其工作原理简单、效果显著，被广泛应用于各种领域。
未来随着科技的不断进步，相信光电式传感器也会不断升级和完善，为人们的生产和生活带来更多的便利和创新。
光电传感器的原理及其应用
光电传感器的原理及其应用1. 光电传感器的原理光电传感器是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
它利用光电效应，通过光电二极管、光敏电阻、光敏三极管等器件将光信号转换为电信号，并利用电路将电信号进行处理。
光电传感器的原理主要包括以下几个方面：•光电效应：光电传感器的工作原理基于光电效应。
光电效应是指光线照射到材料表面时，材料吸收光的能量，产生电子和空穴对，并引发电流流动。
光电传感器利用这种效应将光信号转换为电信号。
•传感器材料：光电传感器常用的材料有硅和化合物半导体材料。
硅是最常见的光电传感器材料，具有较高的光电转换效率和稳定性。
而化合物半导体材料如硒化锌、砷化镓等材料具有更高的灵敏度和响应速度，适用于高端应用场合。
•光敏器件：光电传感器常用的光敏器件包括光电二极管、光敏电阻和光敏三极管等。
光电二极管是最常见的光敏器件，具有响应速度快、灵敏度高的特点。
光敏电阻则通过改变电阻值来控制电流，常用于光敏开关与光敏电阻测距等应用。
而光敏三极管则是一种具有放大功能的光敏器件，广泛应用于光电声学设备等领域。
•电路设计：光电传感器的电路设计对其性能有着重要影响。
一般来说，电路设计需要考虑信号放大、滤波、信号处理等方面。
通过合理的电路设计，可以提高光电传感器的灵敏度、响应速度和抗干扰能力。
2. 光电传感器的应用光电传感器广泛应用于各个领域，具有非常丰富的应用场景。
下面列举了几个光电传感器的应用案例：•自动光控系统：光电传感器可以应用于智能家居中的自动光控系统，通过感知光线强度，实现灯光的自动调节。
当外界光照强度变化时，光电传感器可以感知并调控灯光亮度，给用户提供舒适的照明环境。
•光电开关：光电开关是一种可以实现非接触式控制的传感器。
它通过感知物体与传感器之间的遮挡关系，来实现开关的控制。
光电开关广泛应用于自动门、流水线、智能化仓储等场景，具有灵敏、可靠的特点。
•物体检测：光电传感器常用于物体检测和计数。
例如在流水线上，通过设置光电传感器，当物体经过时可以感知到并计数。
光电式传感器
光电式传感器光电式传感器是一种通过光信号来检测物体的位置、形状和颜色等信息的传感器。
它主要由光电元件、放大器电路、信号处理电路和输出电路等组成，可广泛应用于机器人、自动化生产线、计量仪器、安防监控等领域。
工作原理光电式传感器的主要工作原理是利用光电元件对物体反射和透射的光信号进行检测。
它通过发射一束光线照射到被探测物体上，然后检测被反射和透射的光线的强度、频率、相位等参数来确定被探测物体的存在和状态。
光电元件一般采用光电二极管、光敏电阻、光电管、光电晶体管等，而光线的发射和收集一般通过透镜、光纤和反光镜等实现。
分类及应用根据不同的工作原理和应用场景，光电式传感器可以分为多种类型。
其中比较常见的有：接近式光电传感器接近式光电传感器是一种最常用、最简单的光电式传感器。
它主要通过发射一束红外线照射到被测物体上，然后检测透射回来的光线的强度变化来判断被测物体是否存在。
接近式光电传感器广泛应用于人体检测、自动门、安全门和计量系统等方面。
光电开关光电开关是一种通过光电元件来检测、开关电路的传感器。
它主要通过发射一束光线来检测物体的存在和位置等信号，然后将信号（一般为0和1）传递给输出模块，以实现开闭等控制功能。
光电开关广泛应用于自动化生产线、安全门、包装机械、自动售货机等领域。
光电码盘光电码盘是一种通过光学编码来进行位置检测的传感器。
它主要通过在码盘的表面上覆盖光学码来检测旋转物体的位置、角度、方向等信息。
光电码盘广泛应用于电机控制、机器人、航空航天、导航和工业自动化等领域。
处理技术光电式传感器的检测精度和稳定性直接关系到其应用效果和可靠性。
因此，传感器制造商一直致力于探索改进传感器的处理技术。
目前，主要的处理技术包括增益调整、滤波、线性化、自动校正等。
其中增益调整是通过调整放大器的增益来提高传感器的灵敏度和稳定性，滤波则是通过滤除噪音信号来提高传感器的检测精度。
而线性化和自动校正则是通过将传感器输出信号进行线性化处理和自动调整校准，来提高传感器的可靠性和准确性。
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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
第五章 光传感器
光电效应 光电式传感器 光纤式传感器 CCD传感器 趣味小制作－报警器
1
光电效应-外光电效应
光线照射在某些物体上，引起电子从这些物体 表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发 射。
光的频率必须高于某一限值，这个能使物体发 射光电子的最低光频率称为红限频率。
小于红限频率的入射光，光再强也不会激发光 电子；大于红限频率的入射光，光再弱也会激 发光电子。
2
光电效应-内光电效应
物体受光照射后，其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 电阻率发生变化或产生光电动势的现象称 为内光电效应。
内光电效应又细分为光电导效应和光电伏 生效应。
3
光电导效应
入射光强改变物质导 电率的物理现象称光 电导效应
基于光电导效应的光 电器件有光敏电阻
22
应用
自动扶梯自动 起停
产品计数
高度辨认
23
仓库门警卫
烟雾检测 自动注料
光电鼠标
第二代光 电鼠标
机械鼠标
24
第一代光 电鼠标
光纤传感器
25
光纤的结构
中心－纤芯、外层－包层、护套－尼龙塑 料
26
光纤的传光原理
光被全反射时的入射角θc称临界角
只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上，经若干次 全反射向前传播，最后从另一端面射出
13
光敏三极管
光
c NPN e
基区
光
c
e
E
结构
14
发射区
基区
c＋
光N
RL
N
P
P
N
E
N
e－
平面和剖 面结构
电路
应用 －光电转速传感器
当被测物体旋转起来， 每相邻一对黑、白标志， 使光电元件由导通变为 不导通，对应输出一个 电脉冲。
被测体每转一周，产生 6个电脉冲，通过频率 计对脉冲计数，即可得 到旋转物体转速。
c arcsin( 1
N0
N12
N
2 2
)
27
光纤的类型
光纤
光纤
光
被 测 对
传 感
源 空载波
被传 测感
象
元
对元
件
光
象件
敏
调制波 元 件
光 源 空载波
光 敏 调制波 元 件
传光型：光纤仅作为光 功能型 ：光纤不仅起到
的传播媒质
传光作用，而且是传感
元件
28
光纤传感器的应用
光纤 温度 传感 器
X 发光元件
下臂厚
外径尺寸
35
CCD传感器的应用
工业尺寸检测
视频
工件
光源 微机
36
CCD传感器的应用
高度自动检测
光源
hα
L
被测体
CCD摄像机 成像
37
趣味小制作：报警器
110V 220V
vv ~~
8 9 10 11 12 13 14
5 43
21
透射式光电开关
1 2 220 3 4～
发射
光敏元件
接收
光纤 d
29
发射 式光 纤位 移传 感器
光纤温度传感器
折 光 型
光 谱 型
30
光纤传感器的应用
光纤压力 传感器
光纤流速 传感器
31
指纹机
CCD传感器 摄像头
数码摄 像机
32
数码相机
扫描仪
CCD传感器的种类
种类 CCD有面阵和线阵之分 面阵是把CCD像素排成1个平面的器件；
18
Байду номын сангаас
红外光电开关
红外光电开关是用来检测物体的靠近、通 过等状态的光电传感器，也有人称其为红 外传感器，简称光电开关
光电开关可分为透射式和反射式两种 反射型又分为两种情况：反射镜反射型和
被测体反射型
19
红外光电开关
透射型 发光二极管和光敏三极
管相对安放，轴线严格 对准。当有不透明物体 在两者中间通过时，红 外光束会被阻断，光敏 三极管因收不到红外线 而产生一个电脉冲信号
μA
E
11
光敏二极管
光敏二极管封装在透 明玻璃外壳中，PN结 在管子的顶部，可以 直接受到光照，为了 提高转换效率大面积 受光，PN结面积比一 般二极管大。
12
光敏二极管
当无光照射时，与普通二极管一 样，电路中仅有很小的暗电流， 此时相当于光敏二极管截止
当有光照射时，在反向电压作用 下，反向饱和电流大大增加，形 成光电流，这时相当于光敏二极 管导通。
9
光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于光电导效应， 由掺杂的光导体薄膜（光导体）沉积在绝 缘基片上而成，纯粹是个电阻，没有极性
10
测量电路
当无光照时，由于光敏电
阻的阻值太大，电路中电 电极
光
流很小；
当有适当波长范围内的光 线照射时，因其阻值变得 很小，电路中电流增加
根据电流表测出的电流值 的变化，即可推算出照射 光强的大小
4
光电伏生效应
光生伏特效应是半导体材料 吸收光能后，在PN结上产 生电动势的效应。
处于反偏的PN结 ，当有光 照时，形成光电流I，并且 光照越大，光电流越大。
光照
＋
－
P
－ －
＋
＋ ＋
N
－
－
＋
I
空穴
电子
基于此效应的光电元件有光
E
敏二极管、光敏三极管。
5
光电管
6
光电管结构
光电管由一个光电阴 极和阳极封装在玻璃 壳内组成，光电阴极 涂有光敏材料。