第十章-光電傳感器

第十章光電傳感器

本章學習光電效應、光電元件的結(jié)構、工作原理、特性以及光電傳感器的各種應用，掌握光電開關及光電斷續(xù)器的使用方法。2/12/202511905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發(fā)射效應，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。

2/12/20252

第一節(jié)光電效應及光電元件

用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現(xiàn)象稱為光電效應。

外光電效應：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應，基于外光電效應的光電元件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。

2/12/20253紫外管外形當入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。

紫外線2/12/20254光敏電阻

當光敏電阻受到光照時，阻值減小。2/12/20255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）2/12/20256光敏二極管

將光敏二極管的PN結(jié)設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。2/12/20257光敏二極管外形

光敏二極管陣列包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。2/12/20258紅外發(fā)射、接收對管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管2/12/20259PIN光電二極管

PIN光電二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應頻率可達數(shù)十兆赫，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF頻帶小信號開關、中波頻帶到1000MHZ之間電流控制、可變衰減器、各種通信設備收發(fā)天線的高頻功率開關切換和RF領域的高速開關等。特殊結(jié)構的PIN二極管還可用于測量紫外線或射線等。2/12/202510APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）硅雪崩光電二極管是采用n+p-πp+型結(jié)構的可見光和近紅外探測器，它具有高響應度，高信噪比，高響應速度等特點，可廣泛應用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。2/12/202511GD3250系列硅雪崩光電二極管的特性參數(shù)

參數(shù)單位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直徑mm0.20.50.8工作電壓V100~150100~150150~250暗電流nA≤15≤25≤35響應度V/w606060上升時間ns≤1≤3≤4噪聲等效功率Pw/Hz1/20.050.070.09結(jié)電容pF≤1≤1.5≤2使用溫度范圍℃-20~+40-20~+40-20~+40封裝形式

TO型

光纖型TO型TO型2/12/202512光敏二極管的反向偏置接法

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

2/12/202513光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁圖）及光電特性演示

在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照2/12/202514光敏三極管

光敏三極管有兩個PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

2/12/202515光敏三極管外形

2/12/202516光敏三極管內(nèi)部結(jié)構

a)

內(nèi)部組成b)管芯結(jié)構c）結(jié)構簡化圖1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡5—發(fā)射極引腳6—N+襯底7—N型集電區(qū)8—SiO2保護圈9—集電結(jié)10—P型基區(qū)11—N型發(fā)射區(qū)12—發(fā)射結(jié)

2/12/202517硅光敏晶體管的光譜特性

電磁波頻譜2/12/202518光電特性

0光照光電流光敏三極管光敏二極管3000lx4mA請判斷靈敏度的高低0.3mA請計算當E=100lx時，光敏二極管的光電流IΦ

IΦE2/12/202519光敏晶閘管光敏晶閘管有三個引出電極，即陽極a、陰極k和門極g。它的頂部有一個玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽極與負載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負極，門極可懸空。當有一定照度的光信號通過玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時，將產(chǎn)生門極電流，從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)。導通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導通。要切斷已觸發(fā)導通的光敏晶閘管，必須使陽極與陰極的電壓反向，或使負載電流小于其維持電流。光敏晶閘管的特點是：導通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達數(shù)百伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動檢測控制。2/12/202520光敏晶閘管外形光敏面2/12/202521基于光生伏特效應的光電元件

——光電池在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子—空穴對，光生電子—空穴對的的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。

2/12/202522光電池外形光敏面2/12/202523能提供較大電流的大面積光電池外形2/12/202524其他光電池及在照度測量中的應用柔光罩下面為圓形光電池2/12/202525光電池在動力方面的應用太陽能賽車太陽能電動機模型太陽能硅光電池板2/12/202526光電池在動力方面的應用（續(xù)）太陽能發(fā)電2/12/202527光電池在動力方面的應用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應用2/12/202528光電池的光電特性

一個典型的硅光電池的光電特性1—開路電壓曲線2—短路電流曲線

開路電壓為對數(shù)特性短路電流為線性特性2/12/202529

休息一下2/12/202530第十章：第二節(jié)光電元件的基本應用電路

一、光敏電阻的基本應用電路

a）UＯ與光照變化趨勢相同的電路b）UＯ與光照變化趨勢相反的電路

2/12/202531二、光敏二極管應用電路

利用反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。

當光照增加，Ui<（1/2）VDD時，反相器翻轉(zhuǎn),輸出變?yōu)槭裁措娖剑?/p>

2/12/202532光敏三極管光控繼電器電路

當無光照時，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位置上下對調(diào)，其結(jié)果如何？

2/12/202533五、光電池的應用電路

——光電池短路電流測量電路

I/U轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Uo與光電流IΦ成正比。若光電池用于微光測量時，IΦ可能較小，則應增加一級放大電路，并在第二級使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。2/12/202534第三節(jié)光電傳感器的應用

—、光源本身是被測物的應用實例

光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計來測量。

光電池（外加柔光罩）2/12/2025351.紅外線輻射溫度計：紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。2/12/202536紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準2/12/202537紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量2/12/202538紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀2/12/202539紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量2/12/202540紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用集成IC溫度測量2/12/202541紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅色激光瞄準被測物（冷藏牛奶和面食）2/12/202542紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅色激光瞄準被測物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）溫度采集系統(tǒng)2/12/202543比色式溫度傳感器溫度非接觸測量中的應用

比色式溫度傳感器采用比色式（雙波段）測溫原理實現(xiàn)對被測目標的非接觸測溫，用戶不需知道物質(zhì)的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，不受窗口玻璃影響，能瞄準,測量小目標，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標充滿，不需調(diào)焦就可準確測量。比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴重的鋼鐵、焦化和爐窯等應用現(xiàn)場。2/12/2025442.熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應用

熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應用。它可用于能產(chǎn)生遠紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。

熱釋電元件外形2/12/202545熱釋電傳感器簡介

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域得到應用。比如：在房間無人時會自動停機的空調(diào)機、飲水機；電視機能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關機的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應用；攝影機或數(shù)碼照相機自動記錄動物或人的活動等等……您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結(jié)合其他電路開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產(chǎn)品。或自動化控制裝置。2/12/202546熱釋電傳感器的內(nèi)部電路兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片場效應管2/12/202547熱釋電傳感器工作原理

熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角，當人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運動時，順次地進入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。

2/12/202548菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片2/12/202549菲涅爾透鏡外形

傳感器不加菲涅爾透鏡時，其檢測距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測距離可增加3倍以上。2/12/202550熱釋電套件2/12/202551熱釋電報警器菲涅爾透鏡設定按鈕高分貝喇叭2/12/202552熱釋電報警器（續(xù)）菲涅爾透鏡Φ5mm接插件2/12/202553熱釋電報警器（續(xù)）吸頂式熱釋電報警器2/12/202554熱釋電傳感器應用熱釋電傳感器用于自動亮燈，當然也可以用于防盜熱釋電傳感器的感應范圍2/12/202555熱釋電感應燈熱釋電傳感器2/12/202556自動感應燈

（參考施特朗公司資料）2/12/202557熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應用智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風量，以達到節(jié)能的目的。

空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。上下范圍左右范圍2/12/202558二、被測物吸收光通量的應用實例光電式濁度計和含沙量測量將裝有濁水的試管插入儀器中2/12/202559光電式濁度計工作原理1—恒流源2—半導體激光器3—半反半透鏡4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池7、10—電流/電壓轉(zhuǎn)換器8—標準水樣

參比通道

2/12/202560

2.煙霧報警器外形

（參考南京千里通公司無線煙霧報警器資料）

無煙霧時，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災發(fā)生時，煙霧進入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報警信號。

煙霧報警2/12/202561無線煙霧報警器內(nèi)部結(jié)構

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器2/12/202562無線火災煙霧傳感器無線火災煙霧傳感器可以固定在墻體或者天花板上。它內(nèi)部使用一節(jié)9伏層疊電池供電，工作在警戒狀態(tài)時，工作電流僅為15微安，報警發(fā)射時工作電流為20毫安。當探測到初期明火或者煙霧達到一定濃度時，傳感器的報警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的連續(xù)報警，工作指示燈快速連續(xù)閃爍，無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號，通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去。無線發(fā)射器的報警距離在空曠地可以達到200米，在有阻擋的普通家庭環(huán)境中可以達到20米。2/12/202563三、被測物體反射光通量的應用實例

1.反射式煙霧報警器

在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達紅外光敏三極管。當煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達光敏三極管，有光電流輸出。2/12/2025642.光電式轉(zhuǎn)速表

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

n=60(f/z)

2/12/202565水泵轉(zhuǎn)速測量2/12/202566光電式轉(zhuǎn)速表外形

2/12/2025673.色標傳感器

色飽和圖色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色。人眼對各色光的敏感程度2/12/202568色標傳感器的用途

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，顏色檢測和顏色識別等的應用越來越多。例如，在包裝生產(chǎn)中機器要確定哪種產(chǎn)品放在什么顏色的包裝中、如何保證產(chǎn)品的正面朝向包裝盒的玻璃紙窗口等等。色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色。2/12/202569各種色標傳感器外形色標傳感器能識別紅、綠、藍等顏色2/12/202570色標傳感器外形（續(xù)）2/12/202571色標傳感器在流水線上檢測產(chǎn)品的顏色2/12/202572

用多個色標傳感器測量薄板的顏色2/12/202573產(chǎn)品包裝色彩檢測、分選2/12/2025744.光電自動門自動門光電傳感器放大圖有效檢測區(qū)域2/12/202575四、被測物遮擋光通量的應用實例

1.光電式帶材跑偏檢測器

光電傳感器帶材走偏時，邊緣經(jīng)常與傳送機械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成廢品。

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

2/12/202576光電式帶材跑偏檢測控制器原理1—

被測帶材2—卷取電機3—卷取輥4—液壓缸5—活塞6—滑臺7—光電檢測裝置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？2/12/202577帶材糾偏系統(tǒng)2/12/202578

休息一下2/12/202579第十章光電傳感器（下）

第四節(jié)光電開關及光電斷續(xù)器

從原理上講，光電開關及光電斷續(xù)器沒有太大的差別，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，只是光電斷續(xù)器是整體結(jié)構，其檢測距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開關的檢測距離可達幾米至幾十米。

2/12/202580一、光電開關的結(jié)構和分類

光電開關可分為遮斷型和反射型兩大類。遮斷型光電開關的發(fā)射器和接收器相對安放，軸線嚴格對準。當有物體在兩者中間通過時，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個負脈沖信號。遮斷型光電開關的檢測距離一般可達十幾米，對所有能遮斷光線的物體均可檢測。

2/12/202581

光電開關外形2/12/202582遮斷型光電開關示意圖遮斷報警2/12/202583遮斷式光電開關原理ObjectReceiver遮斷式光電開關由相互分離且相對安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當被檢測物體位于發(fā)射器和接受器之間時，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關信號。被檢測物體光發(fā)射器光接收器2/12/202584光電開關在流水線上的應用送料器定區(qū)域式光電開關咖啡罐流水線運行方向罐裝高度檢測儲料倉落料口遮斷式光電開關（計數(shù)）2/12/202585光幕兩個柱形結(jié)構相對而立，每隔數(shù)十毫米安裝一對發(fā)光二極管和光敏接收管，形成光幕，當有物體遮擋住光線時，傳感器發(fā)出報警信號。接收器2/12/202586光幕應用當有物體遮擋住光線時，傳感器發(fā)出報警信號，起保護、預警等作用。光線被遮斷（報警）2/12/202587光幕應用（續(xù)）產(chǎn)品高度測量2/12/202588光幕應用（續(xù)）

三維尺寸檢測寬度測量長度測量高度測量2/12/202589光幕應用（續(xù)）木材外形截面積檢測2/12/202590光幕應用（續(xù)）糾偏光幕可檢測出帶材在卷曲過程中的偏移，經(jīng)控制器和執(zhí)行機構使帶材向正確的方向運動（糾偏）。2/12/202591光幕應用（續(xù)）光幕用于自動收費系統(tǒng)的車輛檢測2/12/202592光幕應用（續(xù)）鍛壓機床的安全區(qū)域設置及入侵報警2/12/202593光幕應用（續(xù)）安全區(qū)示警2/12/202594反射型光電開關反射型光電開關分為兩種情況：反射鏡反射型及被測物漫反射型（簡稱散射型）。

反射鏡反射型光電開關采用較為方便的單側(cè)安裝方式，但需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對安裝角度的變化不太敏感，有的還采用偏光鏡，它能將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光（波動方向嚴格一致的光）反射回去，提高抗干擾能力。2/12/202595定區(qū)域反射式光電開關原理

定區(qū)域式光電開關有一個非常確定的檢測區(qū)域，不經(jīng)過該區(qū)域的被測物體不會引起光電開關產(chǎn)生開關信號。檢測距離檢測距離2/12/202596反射型光電開關及反射鏡外形三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身2/12/202597反射鏡反射型光電開關工作原理反射鏡反射型光電開關集光發(fā)射器和光接受器于一體，與反射鏡相對安裝配合使用。反射鏡使用偏光三角棱鏡，能將發(fā)射器發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光反射回去，光接收器表面覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來的偏振光。反射板反射鏡被測物體偏振光發(fā)射光2/12/202598調(diào)制型光電開關原理光電開關的LED多采用中頻（40kHz左右）窄脈沖電流驅(qū)動，從而發(fā)射40kHz調(diào)制光脈沖。相應地，接收光電元件的輸出信號經(jīng)40kHz選頻交流放大器及專用的解調(diào)芯片處理，可以有效地防止太陽光、日光燈的干擾，又可減小發(fā)射LED的功耗。

2/12/202599被測物漫反射型光電開關原理漫反射光線反射光線被檢測物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線

漫反射型光電開關集光發(fā)射器和光接受器于一體。當被測物體經(jīng)過該光電開關時，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開關信號。額定距離2/12/2025100漫反射型光電開關的應用請思考如何將光電開關用于衛(wèi)生間的自動沖水設備2/12/2025101反射型光電開關外形電源指示信號指示2/12/2025102反射型光電開關外形（續(xù)）靈敏度調(diào)節(jié)電位器2/12/2025103智能化自學習型光電開關常規(guī)反射型光電開關的動作距離是不變的（與型號有關），當檢測流水線上的漫反射物體時，必須調(diào)節(jié)安裝距離，十分不方便。自學習型光電開關上設置了一只閾值開關，當流水線上的被檢測物體到達光電開關面前時，按下閾值開關數(shù)秒，待“學習”指示燈閃亮停止后，內(nèi)部的微處理器就記住了兩者之間的距離，就能在一定的允許范圍內(nèi)，