传感器与检测技术 ppt课件第七章

CC
光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
2013-8-7
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
硫化铅 硫化铊 U V
光敏电阻的伏安特性
0
50
100
2013-8-7
17
光敏电阻的频率特性
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 光照强度 (lm)
流。
2013-8-7 11
7.1.2 外光电效应器件

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。
106
放大倍数
105
104 103 25 50 75 100 125 150 极间电压（V）
2013-8-7
12
7.1.3 内光电效应器件

I ( A)
3 2 1 0
照度(lx)
200 400
600 800 1000
2013-8-7
31

④光敏晶体管的温度特性
50 25 0 10 20 30 40 50 60 70
光电流 ( A)
mA
400 300 200 100 10 20 30 40 50 60 70 80
暗电流
温度
(a) (b)
43
2013-8-7
7.1.4 光电传感器的应用

吸收式烟尘浊度检测仪框图
光检测 器 烟囱 刻度校正 报警 电路 放大 电路 显示 电路
白炽光光源
2013-8-7
44
7.1.4 光电传感器的应用

2、光电转速传感器
如图所示为在待测转速轴上固定一带孔的转盘， 在转盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到 达由光敏晶体管组成的光电转换器上，转换成相应 的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲 信号，转速由该脉冲频率决定。
2013-8-7
2
7.1 光电传感器
7.1.1 光电效应


所谓光电效应是指在光的照射下一些金 属、金属氧化物或半导体材料释放电子 的现象。 光子是具有一定能量的微粒，是以光速 运动的粒子流。每一个光子都具有一定 的能量，它的能量大小E与其频率 成正 比。
E h hc

3
2013-8-7
温度
2013-8-7
32

⑤光敏晶体管的频率特性
相对灵敏度 (%)
100 80 60 40 20 0
RL =1 k
100 k 1 10
10 k 100
33
入射光调制频率 kHz
2013-8-7
.电池

光电池的工作原理是基于光生伏特效应， 当光照射到光电池上时，可以直接输出 光电流。常用的光电池有两种，一种是 金属—半导体型，另一种是PN结型，如 硒光电池、硅光电池、锗光电池等。
2013-8-7
9
7.1.2 外光电效应器件

光电倍增管
2013-8-7
10
7.1.2 外光电效应器件

光电倍增管的工作原理
基于外光电效应、二次电子发射和电子光学基础上。在光电 倍增管的各倍增电极D1、D2、D3…和阳极上，依次有逐渐增高 的正电压，即阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位 依次升高，阳极电位最高，而且相邻两极之间电压应使二次发射 系数大于1。在入射光作用下，光电阴极发射的光电子在D1电场 作用下，以高速向倍增电极D1打去，产生二次发射，于是更多的 二次发射电子又在D2电场作用下，射向第二倍增电极，激发更多 的次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电 子，如此不断倍增，最后阳极收集到的电子数将达到阴极发射电 子数的105～106倍，即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到 几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万 倍。因此，在很微弱的光照下，光电倍增管也能产生很大的光电
第7章 光电式传感器
2013-8-7
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。
5
2013-8-7
7.1.2 外光电效应器件

光电管
2013-8-7
6
7.1.2 外光电效应器件

光电管的伏安特性曲线
I ( A)
0.1 lm
4 3
0.05 lm
2
0.02 lm
1 40 80
0
2013-8-7
20
60
100 UA（V）
7
7.1.2 外光电效应器件

2013-8-7
47
7.2.1 红外辐射的基本定律

1 、斯忒藩—玻尔兹曼定律
物体温度越高，它辐射出来的能量 就越大，公式表示为。
W T
2013-8-7
4
48
7.2.1 红外辐射的基本定律

2 、希尔霍夫定律 若几个物体处于同一温度场中，各 物体的热发射本领正比于它的吸收本 领，这就是希尔霍夫定律。其表示公 式为
2013-8-7
34
硅光电池的结构及工作原理

用导线连接P区 和N区，电路中 就有电流流过
2013-8-7
35
光电池外形
光敏面
2013-8-7
36
能提供较大电流的大 面积光电池外形
2013-8-7
37
光电池在动力方面的应用（续）
光电池在人造卫星上的应用
2013-8-7 38
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
2013-8-7
39
光电开关外形
2013-8-7
40
应用范围

用光电开关检测物体时，大部分只要求 其输出信号有“高—低”之分即可。
2013-8-7
41

光电开关广泛应用于工业控制、自动化 包装线及安全装置中作光控制和光探测 装置பைடு நூலகம்可在自控系统中用作物体检测、 产品计数、料位检测、尺寸控制、安全 报警及计算机输入接口等用途。
2013-8-7 4
特点

光的波长越短，即频率越高，其光子的 能量也越大；反之，光的波长越长，其 光子的能量也就越小。不同颜色的光子 由于其光波频率不同其能量也是不同的， 绿光光子比红光光子具有更多的能量， 照射在物体上可看作是一连串具有能量 为E的粒子轰击在物体上。光子与物质间 的连接体是电子。
Er aE0
2013-8-7
49
7.2.1 红外辐射的基本定律

3 、维恩位移定律 热辐射发射的电磁波中包含着各种 波长。物体峰值辐射波长 与物体的自 身的绝对温度 成反比，即
T a
2013-8-7
50
7.2.2 红外传感器的组成及原理

红外传感器一般由光学系统、敏感元 件（也叫探测器）、前置放大器和信 号调制器等组成。红外探测器是红外 传感器的核心。红外探测器是利用红 外辐射与物体相互作用所呈现的物理 效应来探测红外辐射的。红外探测器 的种类很多，按探测机理的不同，分 为热探测器和光子探测器两大类。
光敏面
2013-8-7
28
（2）光敏晶体管的基本特性。

① 光谱特性。
100 80 60 40 20 0
相对灵敏度 (%)
硅
锗

0.4
0.8
1.6 2 1.2 入射光波长（µm）
29
2013-8-7

电流 mA
② 伏安特性
10 1200 1x
0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0
2013-8-7 19
光敏电阻的温度特性。
100 8 0 6 0 4 0 2 0 0
灵敏度 (%)
+20℃
-20℃
1.0
2.0
3.0
4.0
（μ 波长 m）
2013-8-7
20
2．光敏晶体管

光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极 管、光敏晶闸管，它们的工作原理是基 于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比 光敏二极管高，但频率特性较差，目前 广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、 光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、 光电读出装置等场合。光敏晶闸管主要 应用于光控开关电路
电流 mA
8 6 4 2 0
1000 1x 800 1x 600 1x 400 1x 200 1x 10 20 30 40 50
1x 500 1x 400 1x 300 x 1 200 100 1x
10 20 30 40 50
反向电压
(a)
V
集电极-发射极电压
(b)
V
2013-8-7
30

③光敏晶体管的光照特性
光敏电阻的光谱特性 。
100
Sr 灵敏度 (%)
80 60 40 20 硫化铅 硫化铊 硫化镉 1.5
2013-8-7
光电流 I
mA
0
波长 （A）
3
18
100
硫化铅
灵敏度 S ( %)
光敏电阻的频率特性
8 0 6 0 4 0 2 0 0 10 100
硫化镉
1000
10000
频率 （Hz）
暗电阻、亮电阻与光电流。 光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电 阻，此时流过的电流称为亮电流。在没 有受到光照射时的阻值称为暗电阻，此 时流过的电流被称为暗电流。
放大整形电路 放大整形电路 白炽灯 光敏晶体管 白炽灯 光敏晶体管
2013-8-7
（a）
转盘
转盘
45
7.1.4 光电传感器的应用

光电脉冲转换电路
+VCC
R4 VT1 VT2 R3 R1 R2 R6 R7 VT3 R5
R8 UO VT4
2013-8-7
46
7.2 红外传感器

红外传感器是用来检测物体红外辐射 的敏感器件。所谓红外辐射就是红外 光，红外光是太阳光谱的一部分，其 波长范围为0.76～1000μm，红外线 在电磁波谱中的位置。工程上又把红 外线所占据的波段分为四部分：近红 外、中红外、 远红外和极远红外。
7.1.1 光电效应


光电效应分为内光电效应和外光电效应。当 物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物 体表面，而只在物体的内部运动并使物体的 电学特性发生变化的现象叫做内光电效应， 内光电效应多产生于半导体材料内。 当物体在光的作用下使物体中的电子从物体 表面逸出的现象，叫做外光电效应，外光电 效应多发生于金属或金属氧化物内。
光敏三极管
2013-8-7
25
②光敏三极管外形
2013-8-7
26
③ 光敏晶闸管

光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管 光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有 的可达数百伏，导通电流比光敏三极管 大得多，因此输出功率很大，在自动检 测控制和日常生活中应用会越来越广泛。
2013-8-7
27
光敏晶闸管外形
2013-8-7
22
光敏二极管外形
光敏二极管阵列
包含1024个InGaAs元件 的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。
2013-8-7
23
红外发射、接收对管外形
红外发射管
红外接收管
2013-8-7 24
② 光敏三极管

集电极电流是原 始光电电流的β 倍。因此，光敏 三极管比光敏二 极管的灵敏度高 许多倍。
21
2013-8-7
（1）光敏晶体管结构与工作原理

① 光敏二极管。 通常处于反向 偏置状态 。当 没有光照射时， 其反向电阻很 大，反向电流 很小，这种反 向电流称为暗 电流。
1—负极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜 5—正极引脚 6—N型衬底 7—SiO2保护圈 8—SiO2透明保护层 9—铝引出电极 10—P型扩散层 11—PN结 12—金属引出线
光电管的光照特性
光电流 I ( A)
16 12 8 4 0 0.2 0.4
锑铯阴极光电管
银氧铯阴极光电管
0.6 0.8
1.0 光通量Ф （lm）
8
2013-8-7
7.1.2 外光电效应器件

光电管的光谱特性曲线
0.5
相对灵敏度（%）
红光 0.4
红外线区
0.3 0.2 0.1 0.2 0.6 0.4 银氧铯光电阴极 0.8 1.0 波长 ( m)
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。
106
放大倍数
105
104 103 25 50 75 100 125 150 极间电压（V）
2013-8-7
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
2013-8-7
42
7.1.4 光电传感器的应用

1、烟尘浊度监测仪 烟囱里的烟尘浊度是通过光在烟囱里 传输时的变化大小来检测的。如果烟尘 浊度增加，那么光源发出的光被烟尘颗 粒的吸收和折射就会增加，使到达接收 端的光减少，因而光检测器输出的信号 就会减弱；反之，烟尘浊度减少，光检 测器输出的信号就会增强。
2013-8-7
14
（1）光敏电阻的原理和结构。
光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因 而其导电性能增强而电阻R0值下降，所以流 过负载电阻RL的电流 半导体 电极 及其两端电压会发生变 化。一般而言，光线越 强，电流越大。当光照 玻璃底板 停止时，光电效应会立 即消失，电阻又恢复原 V 检流计 值。 2013-8-7 15