傳感與檢測技術(shù)傳感器原理光電式課件

1、光電式傳感器Photoelectric sensor第1頁，共33頁。光電式傳感器Photoelectric sensor光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。光電傳感器的組成：光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等優(yōu)點。第2頁，共33頁。8/5/20222光電式傳感器主要內(nèi)容1 光電效應(yīng)及其器件2 光電式傳感器的應(yīng)用附1：光學(xué)基礎(chǔ)概述附2：光源附3：光電器件的特性光電式傳感器Photoelectric sensor第3頁，共33頁。8/5/20223光電式傳感器光是電磁波譜中的一員，光的頻率（波長）各

2、不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。附1：光學(xué)基礎(chǔ)概述Summary of optics第4頁，共33頁。8/5/20224光電式傳感器附2：光源Light source對光源的要求：光源必須具有足夠的照度光源應(yīng)保證均勻、無遮攔或陰影光源的照射方式應(yīng)符合傳感器的測量要求光源的發(fā)熱量應(yīng)盡可能小光源發(fā)出的光必須具有合適的光譜范圍第5頁，共33頁。8/5/20225光電式傳感器附2：光源Light source2. 常用光源：熱輻射光源，如白熾光源。特點：光譜線較豐富，包含可見光與紅外光；發(fā)光效率低；發(fā)熱大；壽命短；易碎，電壓高，使用有一定的危險。氣體放電光源：原子輻射光譜呈現(xiàn)

3、許多分離的明線條，稱為線光譜；分子輻射光譜是一段段的帶，稱為帶光譜。線光譜和帶光譜的結(jié)構(gòu)與氣體成分有關(guān)。特點：效率高，省電，功率大；含有豐富的紫外線和頻譜；容易污染環(huán)境，玻璃易碎，發(fā)光調(diào)制頻率較低。第6頁，共33頁。8/5/20226光電式傳感器發(fā)光二極管：發(fā)光二極管是一種電致發(fā)光的半導(dǎo)體器件（LED，Light-Emitting Diode）。特點：體積小，屬固體光源，耐振動；無輻射，無污染；功耗低；壽命長；響應(yīng)快；供電電壓低；成本低。激光器：激光是新穎的高亮度光，它是由各類氣體、固體或半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的頻率單純的光。激光是相干光源，它具有單色性和方向性，能量高度集中。特點：方向性好；亮度高

4、；單色性好；相干性好。附2：光源Light source第7頁，共33頁。8/5/20227光電式傳感器光源特性：光源輻射特性光譜特性:輻射的中心波長和譜寬。光電轉(zhuǎn)換特性：光源的電偏置與光源輻射的光學(xué)特性之間的關(guān)系。光源的環(huán)境特性：熱系數(shù)、時間漂移和老化等。噪聲附2：光源Light source第8頁，共33頁。8/5/20228光電式傳感器1 光電效應(yīng)及其器件Photoemission and apparatus光電效應(yīng)(Photoemission)：物體吸收了光能后所產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)的分類：光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)第9頁，共33頁。8/5/20229光電式傳

5、感器1 光電效應(yīng)及器件Photoemission and apparatus光電效應(yīng)的分類：外光電效應(yīng)：在光照作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)：在光照作用下，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)：因光照而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。第10頁，共33頁。8/5/202210光電式傳感器外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)：在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象。“紅限”：基于外光電效應(yīng)的器件：光電倍增管。光電管第11頁，共33頁。8/5/202211光電式傳感器內(nèi)光電效應(yīng)及器件分類：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的器件

6、：光敏電阻光敏二極管：反向偏置的PN結(jié)。光敏三極管第12頁，共33頁。8/5/202212光電式傳感器光敏電阻 當光敏電阻受到光照時， 阻值減小。第13頁，共33頁。8/5/202213光電式傳感器光敏電阻演示 當光敏電阻受到光照時，光生電子空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）第14頁，共33頁。8/5/202214光電式傳感器光敏三極管外形 第15頁，共33頁。8/5/202215光電式傳感器光生伏特效應(yīng)光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象?；诠馍匦?yīng)的典型器件是光電池。內(nèi)光電效應(yīng)及器件光電池與外電路的兩種連接方式：開路電壓輸出：開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系，靈敏度高，

7、宜作開關(guān)元件。短路電流輸出：短路電流大小與光照成正比，可作線性檢測元件使用。第16頁，共33頁。8/5/202216光電式傳感器光電池外形光敏面第17頁，共33頁。8/5/202217光電式傳感器能提供較大電流的大面積光電池外形第18頁，共33頁。8/5/202218光電式傳感器光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能電動機模型太陽能 硅光電池板第19頁，共33頁。8/5/202219光電式傳感器光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽能發(fā)電第20頁，共33頁。8/5/202220光電式傳感器光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用第21頁，共33頁。8/5/202221光電式傳感器總結(jié)：光

8、電效應(yīng)分類及其典型應(yīng)用第22頁，共33頁。8/5/202222光電式傳感器附3：光電器件的特性光照特性光譜特性響應(yīng)時間峰值探測率溫度特性伏安特性第23頁，共33頁。8/5/202223光電式傳感器光照特性Illumination characteristic光電器件的靈敏度可用光照特性來表征。它反映了光電器件的輸入光量與輸出光電流（光電壓）之間的關(guān)系。光照特性常用響應(yīng)率（Response rate）R來描述：第24頁，共33頁。8/5/202224光電式傳感器光電器件的光照特性：光敏電阻的光照特性呈非線性，宜作開關(guān)元件。光敏晶體管的靈敏度和線性度均好，既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。光電池

9、的短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度呈線性關(guān)系，宜作線性轉(zhuǎn)換元件；開路電壓與光照度的關(guān)系呈非線性，宜作開關(guān)元件。第25頁，共33頁。8/5/202225光電式傳感器光譜特性spectrum characteristic光電器件的光譜特性是指相對靈敏度K與入射光波長之間的關(guān)系，又稱光譜響應(yīng)。為了提高光電傳感器的靈敏度，對于包含光源和光電器件的傳感器，應(yīng)根據(jù)光電器件的光譜特性合理選擇相匹配的光源和光電器件；對于被測體本身可作為光源的傳感器，則應(yīng)按被測體輻射的光波波長選擇光電器件。第26頁，共33頁。8/5/202226光電式傳感器響應(yīng)時間Response time光電器件的響應(yīng)時間反映了它的動態(tài)特性，響

10、應(yīng)時間小，表示動態(tài)特性好。對于采用調(diào)制光的傳感器，調(diào)制頻率上限受響應(yīng)時間的限制。第27頁，共33頁。8/5/202227光電式傳感器峰值探測率噪聲等效功率PNE：產(chǎn)生與器件暗電流大小相等的光電流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能產(chǎn)生信號噪聲比為1的輻射功率值。 計算公式：第28頁，共33頁。8/5/202228光電式傳感器暗電流ID：光電二極管的暗電流是反向偏置飽和電流。光敏電阻的暗電流是無光照時偏置電壓與體電阻之比。峰值探測率D*： D*值大，噪聲等效功率小，光電器件性能好。峰值探測率第29頁，共33頁。8/5/202229光電式傳感器溫度特性Temperature characteris

11、tic溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時對光譜特性也有很大影響。光譜響應(yīng)峰值隨溫度升高而向短波方向移動。因此，可采用降溫措施提高光敏電阻對長波長的響應(yīng)。第30頁，共33頁。8/5/202230光電式傳感器2 光電式傳感器的應(yīng)用 Application of photoelectric sensor光電式傳感器的分類：按輸出量性質(zhì)分類。模擬式光電傳感器吸收式反射式遮光式輻射式開關(guān)式光電傳感器第31頁，共33頁。8/5/202231光電式傳感器2 光電式傳感器的應(yīng)用 Application of photoelectric sensor煙塵濁度監(jiān)測儀光電式傳感器實例光電物位傳感器光電比色高溫計原理：通過測量兩個波長下的光譜輻射亮度之比就可以確定被測物溫度。分類：單通道型-通過調(diào)制盤由一個檢測元件接收信號；雙通