第7章光電式與光導(dǎo)式傳感器

第7章光電式與光導(dǎo)式傳感器7.1.1光電效應(yīng)及分類(lèi)7.1.2外光電效應(yīng)的光電器件7.1.3內(nèi)光電效應(yīng)器件7.1.4光電元件的基本應(yīng)用電路7.1.5*光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器7.2光電傳感器的應(yīng)用7.3光導(dǎo)式傳感器

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第7章1教學(xué)提要（重難點(diǎn)）、課程內(nèi)容、教學(xué)要求、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

重點(diǎn)掌握光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管以及光電池的原理和應(yīng)用。光電式傳感器的核心部件是光電器件，它是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件。光電器件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即金屬、半導(dǎo)體等材料在光照下釋放出電子的現(xiàn)象。根據(jù)釋放出的電子的分布的不同，光電效應(yīng)可分為以下三種情況：利用外光電效應(yīng)工作的器件有光電管、光電倍增管等。利用內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）工作的器件有光敏電阻等。利用光生伏特效應(yīng)（阻擋層光電效應(yīng)）工作的器件有光電晶體管、光電池等。光纖傳感器以及CCD可以作為了解內(nèi)容。授課時(shí)可以拿鼠標(biāo)作為一個(gè)光敏二極管、三極管的應(yīng)用實(shí)例，有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)開(kāi)設(shè)本實(shí)驗(yàn)。

2幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，關(guān)于光的本質(zhì)，一直是物理學(xué)界爭(zhēng)論的一個(gè)課題。兩千多年前，人類(lèi)已了解到光的直線傳播特性，但對(duì)光的本質(zhì)并不了解。1860年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋建立了電磁理論，認(rèn)識(shí)到光是一種電磁波。光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)很好地說(shuō)明了光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，但是仍然不能解釋物質(zhì)對(duì)光的吸收、散射和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了量子學(xué)說(shuō)，認(rèn)為任何物質(zhì)發(fā)射或吸收的能量是一個(gè)最小能量單位(稱(chēng)為量子)的整數(shù)倍。

31905年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射等光電效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，光是由一群光子組成的，每一個(gè)光子具有的能量E正比于光的頻率v，即E=hv(h為普朗克常數(shù))，光子的頻率越高(即波長(zhǎng)越短)光子的能量就越大。比如相同光通量的綠色光的光子就比紅色光的光子能量大，而相同光通量的紫外線能量比紅外線的能量大得多，紫外線可以殺死病菌，改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)等。愛(ài)因斯坦確立了光的波動(dòng)—粒子兩重性質(zhì)，并為實(shí)驗(yàn)所證明。

4光照射在物體上會(huì)產(chǎn)生一系列的物理或化學(xué)效應(yīng)，例如植物的光合作用，化學(xué)反應(yīng)中的催化作用，人眼的感光效應(yīng)，取暖時(shí)的光熱效應(yīng)以及光照射在光電元件上的光電效應(yīng)等。光電傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。光傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化，就可以將非電量的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化。

5光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、響應(yīng)速度快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動(dòng)控制和非電量電測(cè)技術(shù)中占有非常重要的地位。

因此,利用各種光電元件制成的光電傳感器廣泛用于轉(zhuǎn)速、位移、溫度、濃度、濁度、距離等參數(shù)的測(cè)量，還可用于產(chǎn)品的計(jì)數(shù)、機(jī)床的保護(hù)裝置等。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，新光源、新光電元件(如光導(dǎo)纖維、電荷耦合攝像、光電位置敏感元件)的出現(xiàn)，使光電傳感器應(yīng)用范圍日趨擴(kuò)大，不僅能測(cè)量一維量而且能夠測(cè)量二維量，直接獲得圖形符號(hào)。光電傳感器是一種很有發(fā)展前途的傳感器。本章介紹光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)和工作原理及特性，著重介紹光電傳感器的各種應(yīng)用。

67.1光電效應(yīng)及分類(lèi)1.光電效應(yīng)光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。所謂光電效應(yīng)是指光照射在某些物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)現(xiàn)象，如導(dǎo)電率變化、釋放電子和產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等。釋放的電子叫光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)叫光電材料。根據(jù)光電效應(yīng)制造的轉(zhuǎn)換元件稱(chēng)為光電元件或光敏元件。根據(jù)光電效應(yīng)現(xiàn)象的不同將光電效應(yīng)分為兩類(lèi)。

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1）外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。

2）內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下，物體的導(dǎo)電性(電阻率)能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類(lèi)：（1）光電導(dǎo)效應(yīng):在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。（2）光生伏特效應(yīng):在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光敏晶體管、光電池。

87.1.2外光電效應(yīng)的光電器件1．光電管光電管有真空和充氣光電管，常見(jiàn)的光電管外形和電路如圖所示，陽(yáng)極A與陰極K封裝在一個(gè)玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上，陰極表面電子吸收光子的能量，當(dāng)其自身能量足以克服陰極束縛力的時(shí)候，就會(huì)逸出陰極表面，如果在陰極與陽(yáng)極之間加以正向電壓，逸出的電子就會(huì)定向射向陽(yáng)極而形成光電流。

9光電管主要有以下幾點(diǎn)特性：(1).光電管的光譜特性

光電管的光譜特性是指光電管在工作電壓不變的條件下，入射光的波長(zhǎng)與其絕對(duì)靈敏度（即量子效率）的關(guān)系。光電管的光譜特性主要取決于陰極材料，常用的陰極材料有銀氧銫光電陰極、銻銫光電陰極、鉍銀氧銫光電陰極及多鹼光電陰極等，前兩種陰極使用比較廣泛，圖3和圖4分別給出了它們的光譜特性曲線。

10(2).光電管的伏安特性

光電管的伏安特性是指在一定光通量照射下，光電管陽(yáng)極與陰極之間的電壓UA與光電流IΦ之間的關(guān)系。光電管在一定光通量照射下，光電管陰極在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射一定量的光電子，這些光電子分散在陽(yáng)極與陰極之間的空間，若在光電管陽(yáng)極上施加電壓UA，則光電子被陽(yáng)極吸引收集，形成回路中的光電流IΦ。當(dāng)陽(yáng)極電壓升高，陽(yáng)極發(fā)射的光電子指引一部分被陽(yáng)極收集，其余部分仍返回陰極。隨著陽(yáng)極電壓的升高，陽(yáng)極在單位時(shí)間內(nèi)收集到的光電子數(shù)增多，光電流IΦ也增加。如果陽(yáng)極電壓升高到一定數(shù)值時(shí)，陰極在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子全部被陽(yáng)極收集，稱(chēng)為飽和狀態(tài)，以后陽(yáng)極電壓升高，光電流IΦ也不會(huì)增加。

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(3).光電管的光電特性光電管的光電特性是指光電管陽(yáng)極電壓和入射光頻譜不變的條件下，入射光的光通量Φ與光電流IΦ之間的關(guān)系，在光電管陽(yáng)極電壓足夠大，使光電管工作在飽和狀態(tài)條件下，入射光通量和光電流線性關(guān)系，參見(jiàn)圖6所示。

(4).暗電流

如果將光電管置于無(wú)光的黑暗條件下，當(dāng)光電管施加正常的使用電壓時(shí)，光電管產(chǎn)生微弱的電流，此時(shí)電流稱(chēng)為暗電流。暗電流的產(chǎn)生主要是由漏電流引起的。

光電管常用在自動(dòng)控制、無(wú)線電傳真、有聲電影及其它光電轉(zhuǎn)換設(shè)備上。

122．光電倍增管圖為光電倍增管的結(jié)構(gòu)、圖形符號(hào)和光電特性。光電倍增管在普通光電管陰、陽(yáng)極的基礎(chǔ)上，又加入了光電二次發(fā)射的倍增極。這些光電倍增極上面有著Sb(銻)-Cs(銫)或Ag(銀)-Mg(鎂)等光敏材料。在工作時(shí)，這些電極的電位逐級(jí)提高，當(dāng)光照射陰極K時(shí)，陰極的光電子受第一倍增極VD1正電位的作用，加速并打在VD1上，由VD1產(chǎn)生的二次發(fā)射電子，在更高電位的VD2極的作用下，又加速射到VD2極上，在VD2極又將產(chǎn)生二次發(fā)射，這樣逐級(jí)加速，一直到最后到達(dá)陽(yáng)極A為止。

13若每級(jí)的倍增率均為δ，且倍增極的個(gè)數(shù)為n個(gè)，則該光電倍增管的靈敏度將是普通光電管的δn倍。一般光電倍增管的倍增極9~14個(gè)。光電倍增管的輸出特性(光電特性)基本上是一條直線，如圖(c)所示。在激光測(cè)量中，光電倍增管的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

147.1.3內(nèi)光電效應(yīng)器件1.光敏電阻1).光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)，亮電阻值在幾千歐以下。

15

光敏電阻演示

暗電流（越小越好）16在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極導(dǎo)線，并將其封裝在帶有透明窗口的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的種類(lèi)繁多，一般由金屬的硫化物、硒化物等材料制成(如硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、硒化鎘、硒化鉛等)。光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號(hào)如圖所示.

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第7章17光敏電阻具有很高的靈敏度，測(cè)量入射光的范圍可以從紫外線區(qū)域到紅外線區(qū)域，且體積小,性能穩(wěn)定,廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化技術(shù)中.

182).光敏電阻的主要參數(shù)與基本特性①暗電阻與亮電阻:所謂暗電阻是指光敏電阻在不受光照射時(shí)的電阻值，流過(guò)光敏電阻的電流稱(chēng)為暗電流；在有光照射時(shí)，光敏電阻的阻值稱(chēng)為亮電阻，此時(shí)流過(guò)它的電流稱(chēng)為亮電流。亮電流與暗電流的差值稱(chēng)為光電流。光電流越大，靈敏度也越高，光敏電阻的性能越好。實(shí)用的光敏電阻，其暗電阻往往超過(guò)1MΩ，甚至高達(dá)100MΩ，而亮電阻則在幾千歐以下。②伏安特性：在一定的照度下，加在光敏電阻兩端的電壓和光電流之間的關(guān)系曲線，如圖所示。

19③光照特性：在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量之間的關(guān)系曲線如圖所示。由圖可見(jiàn)，該曲線是非線性的。因此光敏電阻不宜做定量檢測(cè)元件，而常在自動(dòng)控制中用做光電開(kāi)關(guān)。④光電靈敏度：指單位光通量由入射時(shí)能輸出的光電流的變化，即

光照不同，靈敏度也發(fā)生變化。光照增大，靈敏度下降。

20⑤光譜特性：光敏電阻外加一定電壓時(shí)，其輸出電流與入射單色光波長(zhǎng)之間的函數(shù)關(guān)系，即I=f(λ)，其關(guān)系曲線如圖所示。K為相對(duì)靈敏度

21⑥頻率特性：當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的延時(shí)特性。由于不同材料的光敏電阻的延時(shí)特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖所示。由圖可知，光敏電阻的時(shí)延比較大，所以它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。光譜溫度特性：光敏電阻受溫度影響較大，隨著溫度的升高，暗電阻和靈敏度都下取其關(guān)系曲線如圖所示，同時(shí)也影響它的光譜特性。3)光敏電阻好壞的判斷:

將萬(wàn)用表置于RXlkΩ擋，置光敏電阻于距25W白熾燈50cm遠(yuǎn)處(其照度約為1001m)，可測(cè)得光敏電阻的亮電阻；再在完全黑暗的條件下直接測(cè)量其暗阻值。若亮阻值為幾千歐姆到幾十千歐姆，暗阻值為幾兆歐姆至幾十兆歐姆，則說(shuō)明光敏電阻質(zhì)量良好。

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光敏二極管的反向偏置接法

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱(chēng)耗盡層）上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

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光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁(yè)圖）及光電特性演示

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照24

光敏二極管外形

包含1024個(gè)InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。25利用光敏三極管可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的光電開(kāi)關(guān)，電路圖如(c)所示。圖中兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)在有光照和無(wú)光照的條件下，實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)截然相反。

光敏三極管外形:多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

26光電特性

0光照

光電流光敏三極管光敏二極管3000lx4mA0.3mAIΦE27

4.光敏晶閘管

光敏晶閘管有三個(gè)引出電極，即陽(yáng)極a、陰極k和門(mén)極g。它的頂部有一個(gè)玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽(yáng)極與負(fù)載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負(fù)極，門(mén)極可懸空。當(dāng)有一定照度的光信號(hào)通過(guò)玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時(shí)，將產(chǎn)生門(mén)極電流，從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。光敏面光敏晶閘管外形285.基于光生伏特效應(yīng)的光電元件——光電池

光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時(shí)實(shí)質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。工作原理:光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，例如P型面時(shí)，在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子—空穴對(duì)，光生電子—空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。

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光電池外形光敏面30

能提供較大電流的大面積光電池外形316．光電耦合器光電耦合器是由一個(gè)發(fā)光器件和一個(gè)光敏元件同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。最常見(jiàn)的情況是由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管組成，如圖所示。常用的光電耦合器的形式還有如圖(b)、(c)、(d)所示的幾種。

32由于光電耦合器的體積小、無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、輸入與輸出間絕緣、隔離性能好、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠，因而被廣泛用做固體繼電器、穩(wěn)壓電路、信號(hào)調(diào)制電路等。圖為微機(jī)I／O擴(kuò)展接口芯片8255輸出的正脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器的傳輸后，作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

337.1.4光電元件的基本應(yīng)用電路光敏電阻、光敏晶體管、光電池等光電元件必須根據(jù)各自的特點(diǎn)，使用不同的電路，才能達(dá)到最佳的使用效果。1.光敏電阻基本應(yīng)用電路圖中，光敏電阻與負(fù)載電阻串聯(lián)后，接到電源上。在圖a中，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻Re很大，在RL上的壓降Uo很小。隨著入射光增大，Re減小，Uo隨之增大。圖b的情況恰好與圖a相反，入射光增大，Uo反而減小。

342.光敏二極管應(yīng)用電路光敏二極管在應(yīng)用電路中必須反向偏置，否則其電流就與普通二極管的正向電流一樣，不受入射光的控制了。如圖都是正確的接法。在圖中，利用反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。

353.光敏三極管應(yīng)用電路光敏三極管在電路中必須遵守集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏的原則，這與普通三極管工作在放大區(qū)時(shí)條件是一樣的。

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當(dāng)無(wú)光照時(shí)，V1截止，IΦ=0，則V2處于什么狀態(tài)？繼電器KA吸合還是釋放？如果將V1與Rb2位置上下對(duì)調(diào)，其結(jié)果如何？

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4.光電池的應(yīng)用電路

(1)光電池短路電流測(cè)量電路

Ι/U轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Uo與光電流ΙΦ成正比。若光電池用于微光測(cè)量時(shí)，ΙΦ可能較小，則應(yīng)增加一級(jí)放大電路，并在第二級(jí)使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。

38(2)光電報(bào)警電路當(dāng)太陽(yáng)光照射光電池時(shí)，如圖所示的電路中，SCR有了門(mén)極觸發(fā)電壓，此時(shí)SCR導(dǎo)通，負(fù)載接通。電位器R調(diào)節(jié)光電平使報(bào)警器發(fā)出聲響。

39(3).光電自動(dòng)航標(biāo)燈光電自動(dòng)航標(biāo)燈的工作原理電路如圖所示，由硅光電池組和鎳鉻蓄電池組分別供電。光電三極管VT為控制元件。

407.2光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器屬于非接觸式測(cè)量，目前越來(lái)越多地用于生產(chǎn)的各領(lǐng)域。依被測(cè)物、光源、光電元件三者之間的關(guān)系，光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。

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第7章41

1.光電式轉(zhuǎn)速表

光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測(cè)物數(shù)十毫米外非接觸地測(cè)量其轉(zhuǎn)速。

n=60(f/z)

42

2.水泵轉(zhuǎn)速測(cè)量43

光電式轉(zhuǎn)速表外形

443.光電自動(dòng)門(mén)自動(dòng)門(mén)光電傳感器放大圖有效檢測(cè)區(qū)域454.被測(cè)物遮擋光通量的應(yīng)用實(shí)例

光電式帶材跑偏檢測(cè)器

光電傳感器

帶材走偏時(shí)，邊緣經(jīng)常與傳送機(jī)械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成廢品。

當(dāng)帶材處于正確位置（中間位置）時(shí)，放大器輸出電壓Uo為零；當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。

46光電式帶材跑偏檢測(cè)控制器原理1—

被測(cè)帶材2—卷取電機(jī)3—卷取輥4—液壓缸5—活塞6—滑臺(tái)7—光電檢測(cè)裝置8—光源9、10—透鏡11-光敏電阻R112—遮光罩

指針將偏向左邊還是右邊？47帶材糾偏系統(tǒng)485.防盜口

496.反射鏡反射型工件計(jì)數(shù)

507.反射鏡反射型傳感器單側(cè)安裝，需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。散射型安裝最為方便，只要不是全黑的物體均能產(chǎn)生漫反射。散射型光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離與被測(cè)物的黑度有關(guān)，一般較小，只有幾百毫米。

518.案例：光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來(lái)測(cè)量位移

案例：亮度傳感器：通過(guò)檢測(cè)周?chē)h(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。52

9.煙霧報(bào)警器外形

（參考南京千里通公司無(wú)線煙霧報(bào)警器資料）

無(wú)煙霧時(shí)，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧進(jìn)入檢測(cè)室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號(hào)減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

煙霧報(bào)警53無(wú)線煙霧報(bào)警器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器54被測(cè)物體反射光通量的應(yīng)用實(shí)例

反射式煙霧報(bào)警器

在沒(méi)有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無(wú)法到達(dá)紅外光敏三極管。

當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫(huà)出幾個(gè)微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。555.光敏晶閘管應(yīng)用電路

光敏晶閘管用于功率控制，額定電流大，反向擊穿電壓高。圖為光控路燈電路。VTl是光敏晶閘管，VT2是大功率雙向晶閘管。當(dāng)光照度下降至一定值時(shí)，光敏晶閘管VTl截止。電源經(jīng)VD、R1、R2向Cl充電。當(dāng)Cl的端電壓超過(guò)VT2的觸發(fā)電壓時(shí)，VT2觸發(fā)導(dǎo)通，HL(路燈)亮。

567.3CCD攝像傳感器及其應(yīng)用7.3.1CCD的基本結(jié)構(gòu)及原理

7.3.2CCD圖像傳感器的應(yīng)用577.3.1CCD的基本結(jié)構(gòu)及原理CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS電容器組成的陣列，其構(gòu)造如圖所示。在P型或N型襯底上生長(zhǎng)一層很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極），形成規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。587.3.2CCD圖像傳感器的應(yīng)用CCD圖像傳感器具有高分辨率、高靈敏度較寬的動(dòng)態(tài)范圍，所以它可廣泛用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量，尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。59文字及圖形識(shí)別。將線陣CCD圖像傳感器的自掃描輸出特性和微處理器的信號(hào)處理能力結(jié)合起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)文字及圖形識(shí)別。60第4節(jié)光導(dǎo)式(光纖)傳感器7.4.1光導(dǎo)纖維傳感器7.4.2光在光導(dǎo)纖維中的傳輸原理7.4.3光纖傳感器

廣東技術(shù)師范學(xué)院

傳感技術(shù)與信號(hào)處理

第7章617.4.1光導(dǎo)纖維傳感器

1970年美國(guó)成功研制出傳輸損耗為20dB／km的石英玻璃光導(dǎo)纖維(又稱(chēng)光學(xué)纖維)，這是光通信史上一個(gè)劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。1979年日本研制成功了傳輸損耗僅為0．2dB／km的光導(dǎo)纖維。由于光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱(chēng)光纖)具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此用它組成的光纖傳感器(OFS)解決了許多以前難以解決，甚至是不能解決的技術(shù)難題。它與激光器、半導(dǎo)體探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)。光纖的出現(xiàn)產(chǎn)生了光纖通信技術(shù)，特別是光纖在有線通信上的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越突出，它為人類(lèi)21世紀(jì)的通信基礎(chǔ)——信息高速公路奠定了基礎(chǔ)，為多媒體(符號(hào)、數(shù)字、語(yǔ)音、圖形和動(dòng)態(tài)圖像)通信提供了實(shí)現(xiàn)的必需條件。由于光纖具有許多新的特性，所以不僅在通信方面，而且在其它方面也提出了許多新的應(yīng)用方法，例如，把待測(cè)量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來(lái)就形成光纖傳感器。它對(duì)軍事、航天航空技術(shù)和生命科學(xué)等的發(fā)展起著十分重要的作用。隨著新興學(xué)科的交叉滲透，它將會(huì)出現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用前景。

62光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱(chēng)光纖，它是以特別的工藝?yán)傻募?xì)絲。光纖透明、纖細(xì)，雖比頭發(fā)絲還細(xì)，卻具有能把光封閉在其中，并沿軸向進(jìn)行傳播的特征。光的全反射實(shí)驗(yàn)

63各種裝飾性光導(dǎo)纖維

64

發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過(guò)光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。上海東方明珠651.光纖傳感器的特點(diǎn):與常規(guī)傳感器相比，光纖傳感器具有如下特點(diǎn)：光纖傳感器是近年來(lái)隨著光導(dǎo)纖維技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來(lái)的新型傳感器。光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、不怕雷電擊、防燃防爆、絕緣性好、柔韌性好、耐高溫、重量輕、耗電少等特點(diǎn)。它的測(cè)量范圍十分廣泛，可用于熱工參數(shù)、電工參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、化學(xué)參數(shù)的測(cè)量，還可以醫(yī)用內(nèi)窺鏡、工業(yè)內(nèi)窺鏡等領(lǐng)域，進(jìn)行圖像掃描和圖像傳輸。662.光纖的結(jié)構(gòu)所謂光導(dǎo)纖維是一種傳輸光信息的導(dǎo)光纖維。它是由石英玻璃或塑料制成的，結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單。光纖的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，由導(dǎo)光的芯體玻璃(簡(jiǎn)稱(chēng)纖芯)和包層組成。纖芯位于光纖的中心部位，其直徑約為(5~100)um。包層可用玻璃或塑料制成。包層的外面常有塑料或橡膠的外套，保護(hù)纖芯和包層并使光纖具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。671.光的反射、折射

當(dāng)一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時(shí)，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過(guò)分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。n為介質(zhì)的折射率。

7.3.2光在光導(dǎo)纖維中的傳輸原理

光在光導(dǎo)纖維中的傳輸主要利用光的折射和反射現(xiàn)象，特別是光的全反射現(xiàn)象。68

光的全反射

當(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對(duì)這個(gè)極限值時(shí)的入射角，定義為臨界角θc。當(dāng)入射角小于θc時(shí)，入射光線將發(fā)生全反射。692.光纖的傳光原理

光在光纖中的全反射

70式中,NA稱(chēng)為數(shù)值孔徑，是表示向光導(dǎo)纖維入射的信號(hào)光波難易程度的參數(shù)：n1、n2分別為芯子及包皮的折射率；由式上式可知，光纖的臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)——折射率n1、n2所決定的。NA越大，表明可以在較大入射角范圍內(nèi)輸入全反射光，并保證此