第二章 光电式传感器

第 2章
光电式传感器 1
紫外线
紫外管外形
当入射紫外线照 射在紫外管阴极板 上时，电子克服金 属表面对它的束缚 而逸出金属表面， 形成电子发射。紫 外管多用于紫外线 测量、火焰监测等。
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光电式传感器 1
外光电效应 光电管的外形如图8-1所示，光电阴极K和光电阳 极A封装在真空玻璃管内。当入射光线穿过光窗照 到光电阴极上时，由于外光电效应，光电子就从 极层内发射至真空。在电场的作用下，光电子在 极间作加速运动，最后被高电位的阳极接收，在 阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照 强度和光阴极的灵敏度等因素。如果在外电路中 串入一只适当阻值的电阻，则电路中的电流便转 换为电阻上的电压。电流或电压的变化与光成一 定函数关系，从而实现了光电转换，如图8-2所示。
光电开关外形：光纤式
第 2章
光电式传感器 10
10、什么是计量光栅？莫尔条纹工作原理？举例？
计量光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的 刻线均匀相间排列成的光电器件。光栅传感器是 利用光栅莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字 式传感器。由于光栅具有结构原理简单、计量精 度高和分辨力强等优点，广泛应用于数控机床的 位臵检测，以及高精度机床和仪器的精密定位或 长度、速度、加速度和振动等方面。
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光电式传感器 3
在无光照射时，光敏电阻呈
高阻，回路中仅有微弱的暗电 流通过。在有光照射时，光敏 材料吸收光能，使电阻率变小， 呈低阻态，从而在回路中有较 强的亮电流通过。光照越强， 阻值越小，亮电流越大。如果 将该亮电流取出，经放大后即 可作为其他电路的控制电流。 当光照射停止时，光敏电阻又 逐渐恢复原值呈高阻态，电路 又只有微弱的暗电流通过。
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光电式传感器 2
光电倍增管
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光电式传感器 3
3、什么是内光电效应、光敏电阻？ 在光线作用下能使 物体电阻率发生变 化的现象称为内光 电效应，也称光电 导效应。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。 暗电流（越小越好）
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光电式传感器 3
光敏电阻 光敏电阻是一种利用光敏感材料的内光电效应(光 导效应)制成的光电元件。它具有精度高、体积小、 性能稳定和价格低等特点，所以被广泛应用在自 动化技术中作为开关式光电信号传感元件。
图8-4
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光电式传感器 4
4、光电二极管、光电三极管的结构？光电特性？
将光敏二极管的 PN 结设臵在透明管 壳顶部的正下方，光 照射到光敏二极管的 PN结时，电子-空穴 对数量增加，光电流
与照度成正比。
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光电式传感器 4
光敏二极管 光敏二极管在电路中的符号如图8-5所示。光敏二 极管的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到 光的照射。使用时要反向接入电路中，即正极接 电源负极，负极接电源正极。即光敏二极管在电 路中处于反向偏臵状态。无光照时，与普通二极 管一样，反向电阻很大，电路中仅有很小的反向 饱和漏电流，称暗电流。
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光电式传感器 1
1、什么是外光电效应、光电管？
对不同频率的光，其光子能量是不同的，频 率越高，光子能量越大。用光照射某物体，可以 看作物体受到连串能量为hν的光子所轰击，组成 该物体的材料吸收光子能量发生相应电效应的物 理现象称光电效应。在光线的作用下能使电子逸 出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电 效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管等。
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光电式传感器 11
光纤传感器
光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件 （也称作测量臂），直接接收外界的被测量。被 测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的 变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将 光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参 数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振 方向。
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光电式传感器 10
莫尔条纹
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光电式传感器 10
（1）莫尔条纹移动方向与两光栅相对移动方向垂 直。 （2）莫尔条纹有位移的放大作用。
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光电式传感器 10
第 2章
光电式传感器 10
光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移，若 用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主 光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。
被测物是光源，它 可以直接照射在光 电元器件上，也可 以经过一定的光路 后作用到光电元器 件上，光电元器件 的输出反映了光源 本身的某些物理参 数。如照度计。
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光电式传感器 6
6、请举被测物吸收光通量的光电传感器应用实例。 恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分 被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量 取决于被测物的某些参数，如下图所示。如测量 透明度和浑浊度等。
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光电式传感器 7
光电自动门
自动门光电传感器 放大图
有效检测区域
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光电式传感器 8
8、请举被测物遮挡光通量的光电传感器应用实例。 从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途 中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光 通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸 或位臵。应用实例如带材跑偏检测、工件尺寸测 量和振动测量等。
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光电式传感器 1
图8-1 光电管的结构
图8-2 符号和测量电路
电子逸出金属表面的速度可由能量守恒定律定义 1 2 mv h W 2 式中 ——电子质量； ——金属材料(光电阴极)逸出功。
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光电式传感器 2
2、什么是光电倍增管？ 光电管的灵敏度较低，在微光测量中通常采用光 电倍增管，如图8-3所示。光电倍增管由真空管壳 内的光电阴极、阳极以及位于其间的若干个倍增 极构成。工作时在各电极之间加上规定的电压。 当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子，光电 子在电场的作用下逐级轰击次级发射倍增极，在 末级倍增极形成数量为光电子的106～108倍的次 级电子。众多的次级电子最后为阳极收集，在阳 极电路中产生可观的输出电流。光电倍增管主要 应用于紫外/可见/近红外光光度计 ，旋光仪、糖度 计 ，发光分光光度计等。
(a) 结构模型和符号 (b) 基本电路 图8-5 光敏二极管
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光电式传感器 4
光敏三极管外形
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光电式传感器 4
伏安特性曲线 指当入射光的频谱及光通量 一定时，光电流与阳极电压 之间的关系称伏安特性。如 图8-6所示当阳极电压UA小 于Umin时，光电流I∮随UA的 增高而增大；当UA大于Uz时， I∮将急剧增加。只有当UA在 图8-6 紫外线光电管的伏安特性 1—低照度时的曲线； 中间范围时，光电流I∮才比 2—紫外线增强时的曲线 较稳定。故光电管的阳极电 压应选择在UQ附近。
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光电式传感器 9
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光电式传感器 9
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光电式传感器 9
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光电式传感器 9
光电开关外形：对射式
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光电式传感器 9
光 电 开 关 外 形 ： 槽 式
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光电式传感器 9
典型的光电开关结构
1—发光元件 2—接收元件 3—壳体 4—导线 5—反射物 6—窗体
第 2章
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光电式传感器 8
光电传感器
（1）.光电式带材跑偏检 测器
带材走偏 时，边缘经常 与传送机械发 生碰撞，易出 现卷边，造成 废品。
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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光电式传感器 8
带材纠偏系统
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光电式传感器 9
9、分别用图片介绍对射式、镜反射式、漫反射式、 槽式、光纤式光电传感器的用法。
光电开关是用来检测物体的靠近和通过等状态的 光电传感器。它把发射端和接收端之间光的强弱 变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于 光电开关输出回路和输入回路是电隔离的(即电缘 绝)，即“通”与“断”的开关状态，所以它可以 在许多场合得到应用。
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光电式传感器 11
光的全反射
当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界 面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质 分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义 为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将 发生全反射。
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光电式传感器 11
光在光纤中的全反射
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光电式传感器 11
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尺身
光电式传感器 10
尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
光栅的外形及结构
反射式扫描头
（与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
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光电式传感器 10
扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
光栅的外形及结构（续）
可Hale Waihona Puke Baidu动电缆
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光电式传感器 10
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光电式传感器 11
11、什么是光纤传感器？其在检测液位、温度方 面怎么应用？
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光电式传感器 11
东方明珠 发光二极管 产生多种颜色的 光线，通过光导 纤维传导到东方 明珠球体的表面。 在计算机控制下， 可产生动态图案。
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光电式传感器 11
光纤传感器外形
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光电式传感器 11
光的反射、折射
当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的 分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量 则透过分界面，在另一介质内继续传播。
光纤的结构
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光电式传感器 11
光缆的外形及光 纤的拉制
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光电式传感器 11
与光纤耦合的电光与光电转换器件
实现电光转换的元件通常是发光二极管或 激光二极管。
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光电式传感器 11
激光二极管的外形
激光二极管芯片
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光电式传感器 11
专用的光纤连接头及光纤插座
光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必 须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光 纤插座来完成。
烟雾
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光电式传感器 6
可发出高分贝 笛鸣声的蜂鸣器
无线烟雾报警器内部结构
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光电式传感器 7
7、请列举被测物体反射光通量的光电传感器实例。 光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体反 射到光电元器件上。反射光通量取决于反射表面 的性质、状态和与光源之间的距离。 （1）光电式转速表 光电式转速表属于反射 式光电传感器，它可以 在距被测物数十毫米外 非接触地测量其转速。
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光电式传感器 4
光敏三极管内部结构
a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1—集电极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜 5—发射极引脚 6—N+ 衬底 7—N型集电区 8—SiO2保护圈 9—集电结 10—P型基区 11—N型发射区 12—发射结
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IΦ
光电式传感器 4
请判断灵敏度的高低 光敏 三极管 光 电 流
光电特性
4mA
光敏 二极管
0.3mA
光照 3000lx
E
0
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光电式传感器 5
光电器件的应用
(a) 被测物是光源
(b) 被测物吸收光通量
(c) 被测物是有反射能力的表面 (d) 被测物遮蔽光通量 图8-41 模拟式光电传感器几种常见形式
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光电式传感器 5
光电池 （外加柔 光罩）
5、请举光源本身是被测物的光电传感器应用实例。
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光电式传感器 11
光纤液位传感器
传感器处于空气中比处于液体中的反射光强要大。
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光电式传感器 11
光纤温度传感器
辐射温度传感器属于被 动式温度测量，即无需 光源。被测辐射热能由 探头中物镜会聚，经滤 色镜限制工作光谱范围 后，将光经光纤送到探 测器，由探测器把光强 信号变换成电信号，就 可由数字仪器读出温度。
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光电式传感器 6
光电式浊度计工作原理

1—恒流源 2—半导体激光器 3—半反半透 镜 4—反射镜 5—被测水样 6、9—光电池 7、 10—电流/电压转换器 8—标准水样
第 2章
光电式传感器 6
报警
烟雾报警器外形 无烟雾时，光敏元件 接收到LED发射的恒 定红外光。而在火灾 发生时，烟雾进入检 测室，遮挡了部分红 外光，使光敏三极管 的输出信号减弱，经 阀值判断电路后，发 出报警信号。
光电式传感器 9
光电开关的应用
齿 盘 每 转过一个齿， 光电断续器就 输出一个脉冲。 通过脉冲频率 的测量或脉冲 计数，即可获 得齿盘转速和 角位移。
n
请写出转速与频率的关系式
n= ？
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光电式传感器 9
光电开关外形：镜反射式
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光电式传感器 9
光电开关外形：漫反射式
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光电式传感器 9
n =60( f /z )
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光电式传感器 7
（2）.反射式 烟雾报警器
在没有烟雾时，由 于红外对管相互垂直， 烟雾室内又涂有黑色吸 光材料，所以红外LED 发出的红外光无法到达 红外光敏三极管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对 红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反 射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有 光电流输出。