第6章光电式传感器及应用89581
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。
《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
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
光电式传感器优秀优秀课件
光电式传感器优秀优秀课件
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
光电式传感器原理及应用
光电式传感器原理及应用首先是光电效应。
光电效应是指当光照射到一些材料表面时，能够引起光电子的发射。
根据光电效应的原理，光电式传感器的光电器件可以将光信号转化为电信号。
常见的光电效应有光电导效应、光电子效应和光电发射效应等。
其次是光散射。
光散射是指光线在物质内部产生折射或反射而改变方向的现象。
光散射可以分为弹性散射和非弹性散射。
光电式传感器利用光散射原理可以检测目标物体的形状、颜色等特征。
最后是光吸收。
光吸收是指物体吸收光能量并转化为其他形式能量的过程。
光电式传感器利用光吸收原理可以检测目标物体的透明度、浓度等特征。
光电式传感器广泛应用于工业自动化、智能家居和机器人等领域。
其中，工业自动化是光电式传感器的主要应用场景之一、在生产线上，光电式传感器可以用于检测物体的位置、运动速度、颜色等信息，从而实现自动化控制。
例如，在装配线上，光电式传感器可以实时检测零部件的位置及方向，使机器人可以准确地抓取并装配。
此外，光电式传感器还可以应用于智能家居。
通过布置在房间内的光电式传感器，可以实现对光线、温度、湿度等环境参数的检测和反馈，从而实现居室舒适度的调节和节能。
另外，在机器人领域，光电式传感器可以用于机器人感知和导航。
通过安装在机器人上的光电式传感器，可以实现机器人对周围环境的感知，从而避免碰撞和实现路径规划。
在医疗设备、安防监控和环境监测等领域，光电式传感器也有广泛应用。
例如，在医疗设备上，光电式传感器可以用于检测体温、血糖和血氧等指标，从而帮助医生进行诊断和治疗。
总之，光电式传感器通过利用光电效应、光散射和光吸收等原理，实现对目标物体特征的检测和测量。
它在工业自动化、智能家居、机器人等领域有广泛的应用前景，为实现智能化和自动化提供了重要的技术支持。
《光电型传感器》PPT课件
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I（mA） 12 10 8
6
4
2
100/µlm 80 60 40 20
0 50
100
150 UAD(V)
图6—7 光电倍增管伏安特性
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三、光电倍增管光电特性
光电倍增管光电特性是指阳极电流（光电流）IA与光 电阴极接收到的光通量之间的关系。典型光电倍增管 的光电特性如图6—8所示。图中光通量Φ在10-4~1013流明之间，光电特性曲线偏离线性不超过3%。当光 通量超过10-4流明后，曲线就明显下降了，其主要原 因是强光照射下，较大的光电流使后几级倍增极疲劳， 灵敏度下降。因此，使用时光电流不要超过1mA。
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24
光电倍增管的工作电压是指收集阳极A 与光电阴极K之间的电压。
光电倍增管倍增系数与工作电压的关系 是光电倍增管的重要特性。图6—9是典 型的光电倍增管倍增系数与工作电压的 关系曲线，说明随着工作电压的增加， 倍增系数M也增加。
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25
106 M
105
104 103
102 250 500 750 1000 1250 U（V） 图6—9 光电倍增管倍增系数M 与工作电压U的关系
物质，把光与声音类比，认为光是一种机械波，发光体在“以
太”（不存在）中激起不同深度和大小的颤动，依靠“以太”
传播。牛顿偏向微粒，但他认为实验不充分，一直在做实验，
牛顿环现象是光具有波动性的最好证明。一直到20世纪初，科
学家已肯定光的波粒二象性。
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2
第一节 外光电效应
光的波粒二象性，光具有波动性和离子性的两重性质，是一种 电磁波。光是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子具 有的能量hг正比于光的频率г（h为普朗克常数）。用光照射 某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hг的光子所轰击， 组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象 称光电效应。
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
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第6章光电式传感器及应用89581-103页精品文档
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2．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
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（1）光敏电阻的工作原理和结构。
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
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光电管符号及测量电路
光电管正常工作时，阳极电位高于阴极 电位。
在入射光频率大于“红限”的前提下， 当光电管阳极加上适当电压（几十伏） 时，从阴极表面逸出的电子被具有正电 压的阳极所吸引，在光电管中形成电流， 称为光电流。
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光电倍增管
光电倍增管是把微弱的光输入转换成电 子，并使电子获得倍增的电真空器件。
离电容C0都可以省去。这时电路往往将电源 正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端 连接。当入射光通量为脉冲量时，则应将电源 的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳 极接地有更低的噪声，此时输出端应接入隔离 电容，同时各倍增极的并联电容亦应接入，以 稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并 防止饱和。
Uo= -UR f = -I Rf
该电路的输出电压Uo与光电流I 成正比，从
而达到电流/电压转换关系。
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5.光电耦合器件
由发光元件（如发光二极管）和光电接 收元件合并使用，以光作为媒介传递信 号的光电器件。
发光元件通常是半导体的发光二极管， 光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、 光敏三极管或光可控硅等。
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④ 温度特性 ⑤ 频率特性 ⑥ 响应时间
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（2）光电管特性
① 光电特性。
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光电管光电特性曲线
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② 伏安特性。
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③ 光谱特性。
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其他特性
光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性 特性，暗电流和衰老特性等，使用时应 根据产品说明书和有关手册合理选用。
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光学单位
流明（lm）和勒克斯（lx）两个光学单 位。所谓流明是光通量的单位，所有的 灯都以流明表征输出光通量的大小。勒 克斯是照度的单位，它表征受照物体被 照程度的物理量。
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6.1.2 光电元器件及基本测量电 路
1．光电管、光电倍增管
（1）结构与工作原理。它们是利用外光 电效应制成的光电元件。
光电倍增管结构示意图
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光电倍增管的基本电路
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原理
当微光照射阴极K时，从阴极K上逸出的光电 子在D1的电场作用下，以高速向倍增极D1射 去，产生二次发射，于是更多的二次发射的电 子又在D2电场作用下，射向第二倍增极，激 发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电
子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所
主要内容
6.1光电效应及光电元器件 6.2光电式传感器的实用电路 6.3光纤传感器 6.4红外传感器
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6.1光电效应及光电元器件
6.1.1 光电效应及分类
光电式传感器的工作原理是基于不同形 式的光电效应。根据光的波粒二象性， 光是一种以光速运动的粒子流，这种粒
子称为光子。具有的能量hν正比于光的 频率ν（h普朗克常数）。每个光子具有
收集。若每级的二次发射倍增率为m，共有n
级（通常可达9～11级），则光电倍增管阳极
得到的光电流比普通光电管大mn倍，因此光
电倍增管的灵敏度极高。
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光电倍增管的稳定性
各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、…、
Rn获得的，阳极电流流经电阻RL得到输出电 压Uo。当用于测量稳定的辐射通量时，图中 虚线连接的电容C1、C2、…、Cn和输出隔离
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结构示意图
在它的阴极与阳极之间设 置许多二次倍增极D1、 D2、D3、……，它们又 称为第1倍增极、第2倍增 极……，相邻电极之间通 常加上100V左右的电压， 其电位逐级提高，阴极电 位最低，阳极电位最高， 两者之差一般在。600～ 1 200V左右。
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光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
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（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数。
① 暗电阻和暗电流。 ② 亮电阻和亮电流。 ③ 伏安特性。
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光敏电阻的伏安特性
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（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数（续）
④ 光电特性。
⑤ 光谱特性。
某光敏电阻的光电特性
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2．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
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（1）光敏电阻的工作原理和结构。
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
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硅（Si）
1.12
锗（Ge）
0.66
锑化铟（InSb） 0.16
砷化铟（InAs） 0.33
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光谱响应范围/nm
峰值波长/nm
400～800
515～550
680～750
720～730
500～3 000
2 000
600～4 500
2 200
700～5 800
4 000
450～1 100
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光电管的结构
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光电子的能量
当电子获得的能量大于阴极材料的逸出
功A时，自由电子就可以克服金属表面束
缚而逸出，形成逸出电子。这种逸出的 电子称为光电子，光电子逸出金属表面
的初速度υ可由爱因斯坦光电效应方程确
定。
（1/2）mυ2= hν−A
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特点
当阴极金属材料选定后，要使阴极金属
的能量为
E= hν
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特点
对不同频率的光，其光子能量是不相同 的，频率越高，光子能量越大。用光照 射某一物体，可以看作物体受到一连串
能量为hν的光子所轰击，组成该物体的
材料吸收光子能量而发生相应电效应的 物理现象称为光电效应。
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光电响应的类型
（1）外类属于半导体元件。
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光敏电阻的光谱特性
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（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数（续）
⑥ 响应时间。 ⑦ 温度特性。
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常用光电导材料
光电导器件材料
禁带宽度/eV
硫化镉（CdS） 2.45
硒化镉（CdSe） 1.74
硫化铅（PbS） 0.40
碲化铅（PbTe） 0.31
硒化铅（PbSe） 0.25
电容C0都可以省去。这时电路往往将电源正 端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连 接。当入射光通量为脉冲量时，则应将电源的 负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极 接地有更低的噪声，此时输出端应接入隔离电 容，同时各倍增极的并联电容亦应接入，以稳 定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防 止饱和。
在入射光频率大于“红限”的前提下， 当光电管阳极加上适当电压（几十伏） 时，从阴极表面逸出的电子被具有正电 压的阳极所吸引，在光电管中形成电流， 称为光电流。
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光电倍增管
光电倍增管是把微弱的光输入转换成电 子，并使电子获得倍增的电真空器件。
它有放大光电流的作用，灵敏度非常高， 信噪比大，线性好，多用于微光测量。 光电倍增管由两个主要部分构成：阴极 室和若干光电倍增极组成的二次发射倍 增系统
表面有电子逸出，入射光的频率ν要大于 某一最低限度，否则当hν小于A时，不
管光通量有多大，都不可能有电子逸出，
这个最低限度的频率称为红限。当hν大 于A时，光通量越大，逸出的电子数目也 越多，光电流Iφ就越大。
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光电管符号及测量电路
光电管正常工作时，阳极电位高于阴极 电位。