传感器技术第8章光电式传感器.ppt
传感器技术,任课教师：刘 佳 Tel：Email：,信息与控制学院仪器系,2,8 光电式传感器,光电式传感器(Photoelectric Sensor)是以光为测量媒介，以光电器件为转换元件的传感器 将光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号特性：非接触、灵敏度高、精度高、测量范围宽、响应快、体积小、重量轻、寿命长、性能可靠,信息与控制学院仪器系,3,8 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,4,8.1 概述,光电传感器的组成形式,被测量的形式：被测量直接引起光源的变化，改变了光源的强弱或有无被测量对光通路产生作用，影响到达光电器件的光的强 弱或有无,信息与控制学院仪器系,5,8.2 光源,对光源的要求必须具有足够的强度应保证均匀、无遮挡或阴影照射方式应符合传感器的测量要求发热量应尽可能小发出的光必须具有合适的光谱 光电传感器主要使用的光的波长范围处在_,信息与控制学院仪器系,6,8.2 光源,信息与控制学院仪器系,7,8.2 光源,常用光源 1.热辐射光源 发光方式：通过将一些物体加热后产生热辐射来实现照明的。温度越高，光越亮。特点：光源谱线丰富，主要涵盖可见光和红外光，适用于大部分光电传感器发光效率低，一般仅有15%的光谱在可见光区发热量大，超过80%的能量转化成热能寿命短易碎，电压高，使用有一定的危险,信息与控制学院仪器系,8,2.气体放电灯 发光方式：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯 气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。特点：效率高、省电、功率大；有些气体发电光源还有丰富的紫外线和频谱；有的其废弃物含有汞，容易污染环境，玻璃易碎，发光调制频率较低。,8.2 光源,信息与控制学院仪器系,9,3.发光二极管LED 发光原理：电致发光 特点：体积小，可平面封装，耐振动 无辐射、无污染 功耗低 寿命长 响应快 供电电压低，易于数字控制，与电路和计算机系统连接方便,8.2 光源,信息与控制学院仪器系,10,4.激光器 发光原理：受激辐射放大产生的光 特点：激光的方向性好，发散角很小 亮度高，能量高度集中 单色性好，光谱范围极小 相干性好，在光的传播方向、振动方向、频率、相位等参数 的一致性极好,8.2 光源,信息与控制学院仪器系,11,8.3 常用光电器件,光电器件是基于光电效应工作的。光电效应：物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应,信息与控制学院仪器系,12,8.3 常用光电器件,1.外光电效应 在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：,信息与控制学院仪器系,13,8.3 常用光电器件,根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。光子把它的全部能量交给自由电子。要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功A，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。,该方程称为爱因斯坦光电效应方程,信息与控制学院仪器系,14,8.3 常用光电器件,光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”。,信息与控制学院仪器系,15,8.3 常用光电器件,在入射光的频谱成分不变时，产生的光电流正比于光强。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多光电子的初动能决定于光的频率，与频率成线性关系，与入射光强度无关电子吸收光子能量不需积累能量的时间，在光照射物质后，立刻有光电子发射，据测该时间不超过10-9,基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电倍增管等。,信息与控制学院仪器系,16,8.3 常用光电器件,光电器件的特性光照特性：表征了光电器件的灵敏度，反映了光电器件输入 光亮与输出光电流（光电压）之间的关系光谱特性：相对灵敏度K与入射光波长之间的关系响应时间：反映了动态特性，越小越好峰值探测率(D*):值越大，噪声等效功率小，光电器件性能好温度特性：影响光电器件的灵敏度和光谱特性伏安特性:在一定的光照下，对光电器件所加端电压与光电 流之间的关系,信息与控制学院仪器系,17,8.3 常用光电器件,光电管 光电管有真空光电管和充气光电管。结构：由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。,信息与控制学院仪器系,18,8.3 常用光电器件,工作原理：光电管的阴极受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串入一适当阻值的电阻，则该电阻上将产生正比于空间电流的电压降，其值与照射在光电管阴极上的光成函数关系。特点：结构简单、灵敏度较高、暗电流小，体积比较大，工作电压高达几百伏到数千伏，玻壳容易破碎。,信息与控制学院仪器系,19,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,20,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,21,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,22,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,23,8.3 常用光电器件,光电倍增管 在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。特点：光电流大、灵敏度高,信息与控制学院仪器系,24,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,25,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,26,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,27,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,28,8.3 常用光电器件,2.内光电效应 在光的照射下材料的电阻率发生变化或产生光生电动势的现象称为内光电效应。这种效应可分为因光照引起半导体电阻值变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。基于光导效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管；基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光电位置敏感器件。,信息与控制学院仪器系,29,8.3 常用光电器件,光电导效应,信息与控制学院仪器系,30,8.3 常用光电器件,光电导效应,原子之间的结合方式：相邻的两个原子各提供一个电子供两个原子共有。这一对共有价电子与两个原子核都有吸引作用。,信息与控制学院仪器系,31,8.3 常用光电器件,光电导效应,信息与控制学院仪器系,32,8.3 常用光电器件,光电导效应,信息与控制学院仪器系,33,8.3 常用光电器件,光电导效应 半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象称为光电导效应。,物理过程：当光照射到半导体材料上时，材料中处于价带的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。,信息与控制学院仪器系,34,8.3 常用光电器件,光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，没有极性，使用时可加直流电压，也可以加交流电压。其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。,光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。一般暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高。,信息与控制学院仪器系,35,光敏电阻,光敏电阻具有灵敏度高、体积小、重量轻、光谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、寿命长、价格便宜等优点，应用广泛。,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,36,光敏电阻演示,当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。,暗电流（越小越好）,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,37,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,38,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,39,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,40,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,41,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,42,8.3 常用光电器件,光电伏特效应 半导体材料受到光照后产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区。当光照射到结区时，光照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势。光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件，可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。,信息与控制学院仪器系,43,8.3 常用光电器件,光电池是利用光生伏特效应直接把光能转变成电能的器件，又称为太阳能电池。光电池常用的材料是硅和硒，也可以使用锗、硫化镉、砷化镓和氧化亚铜等。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。,光电池,信息与控制学院仪器系,44,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,45,8.3 常用光电器件,硅光电池工作原理：当入射光照射在PN结上时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则在PN结内附近激发出电子一空穴对，在PN结内电场的作用下，N型区的光生空穴被拉向P型区，P型区的光生电子被拉向N型区，结果使P型区带正电，N型区带负电，这样PN结就产生了电位差，若将PN结两端用导线连接起来，电路中就有电流流过，电流方向由P型区流经外电路至N型区。若将外电路断开，就可以测出光生电动势。,信息与控制学院仪器系,46,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,47,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,48,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,49,8.3 常用光电器件,信息与控制学院仪器系,50,8.4 光电式传感器,光电式传感器具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，应用广泛。可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。按其输出量的性质可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。,信息与控制学院仪器系,51,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,52,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,53,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,54,光电传感器的应用,1、光源本身是被测物的应用实例,光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。,光电池（外加柔光罩）,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,55,红外线辐射温度计：,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,56,红外线辐射温度计外形,红外线辐射温度计用于食品温度测量,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,57,红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用,耳温仪,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,58,红外线辐射温度计用于人体额温测量,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,59,热释电传感器在人体检测、报警中的应用,热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,60,热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗,热释电传感器的感应范围,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,61,2.被测物吸收光通量的应用实例,将装有浊水的试管插入仪器中,光电式浊度计和含沙量测量,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,62,烟雾报警器,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。,报警,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,63,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，使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。,反射式烟雾报警器,3.被测物体反射光通量的应用实例,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,64,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。,n=60(f/z),8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,65,水泵转速测量,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,66,色标传感器,色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。,人眼对各色光的敏感程度,色饱和图,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,67,色标传感器的用途,现代化工业生产中，颜色检测和颜色识别等的应用越来越多。例如，在包装生产中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗口等等。色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,68,色标传感器在流水线上检测产品的颜色,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,69,光电自动门,自动门光电传感器,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,70,4.被测物遮挡光通量的应用实例,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。,光电传感器,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,71,5.光电开关,光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,72,光电开关,遮断报警,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,73,遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。,被检测物体,光发射器,光接收器,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,74,光电开关在流水线上的应用,落料口,遮断式光电开关（计数）,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,75,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,76,透明度测量、控制,质量检测,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,77,机械手定位,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,78,商标方向检测,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,79,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。,光电断续器,n,8.4 光电式传感器,信息与控制学院仪器系,80,光电传感器的其他用途,断裂检测,电梯自动运行条件判断,8.4 光电式传感器,Thank You!,
