1、第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用1第第8章章 光電式傳感器及其應(yīng)用光電式傳感器及其應(yīng)用 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用2第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用3 光電傳感器光電傳感器:將將光信號(hào)（紅外、可見光及紫外光）轉(zhuǎn)變光信號(hào)（紅外、可見光及紫外光）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件成為電信號(hào)的器件。對(duì)于不同波長(zhǎng)對(duì)于不同波長(zhǎng)的光有不同的的光有不同的光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器遠(yuǎn)紫外近紫外可見光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長(zhǎng)/m第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用4按工作原理分類：按工作原理分類： 光電效應(yīng)傳感器光電效應(yīng)傳感器 紅外熱釋電傳感器紅外熱釋電傳感器 固體圖像傳感器固體圖像傳感器 光纖傳感器光纖傳感

2、器 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用58.1 光電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)光電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用6光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用7外光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)的電子在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出逸出物體表面物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。向外發(fā)射的現(xiàn)象。條件：條件：光子能量大于該物體的表面逸出功光子能量大于該物體的表面逸出功結(jié)論：結(jié)論：光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功體的表面電子逸出功a a0 0；逸出的光電子具有動(dòng)能；逸出

3、的光電子具有動(dòng)能； 一定一定時(shí)，產(chǎn)生的光電流和光強(qiáng)成正比時(shí)，產(chǎn)生的光電流和光強(qiáng)成正比第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用8u基于外光電效應(yīng)的光電器件：基于外光電效應(yīng)的光電器件：光電管、光電倍增管、光電管、光電倍增管、光電攝像管等光電攝像管等第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用9二、二、內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照在物體上，使物體的當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生發(fā)生變化，或產(chǎn)生光光生電動(dòng)勢(shì)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象當(dāng)光照射在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象 常見器件：光敏電阻常見器件：光敏電阻1. 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光光半導(dǎo)體半導(dǎo)體電子吸

4、收能量（電子吸收能量（ ）躍遷躍遷電子電子-空穴對(duì)空穴對(duì)電導(dǎo)率增大電導(dǎo)率增大geh原理：原理：eg第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用102、光生伏特效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)pn光光生電子空穴對(duì)原理：原理：光光pn結(jié)結(jié)電子電子n, 空穴空穴p電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)光線照射光線照射pn結(jié)時(shí)，設(shè)光結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度子能量大于禁帶寬度eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移下，被光激發(fā)的電子移向向n區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向的空穴移向p區(qū)外側(cè)，區(qū)外側(cè)，從而使從而使p區(qū)帶正電，區(qū)帶正電，n區(qū)

5、區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用11三、三、 熱釋電效應(yīng)（熱釋電效應(yīng)（紅外檢測(cè)紅外檢測(cè)） 熱釋電效應(yīng)：熱釋電效應(yīng)：當(dāng)一些晶體當(dāng)一些晶體溫度變化時(shí)，其原子排列將溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，發(fā)生變化，晶體自然極化，在晶體在晶體兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。包含包含光光-熱、熱熱、熱-電電兩個(gè)階段的變換過程。兩個(gè)階段的變換過程。 熱釋電材料熱釋電材料:熱釋電晶體(鈮酸鋰、鉭酸鋰)、熱釋電陶瓷(鈦酸鋇（batio3）、鋯鈦酸鉛（pzt）)和熱釋電塑料(聚偏二氟乙烯（pvdf）)等。應(yīng)用：應(yīng)用：紅外探測(cè)器、溫度傳感器、熱成像器件

6、等等 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用128.2 光電器件光電器件(光電傳感器光電傳感器) 光電管光電管:光電倍增管：光電倍增管：光敏電阻光敏電阻:光電二極管：光電二極管：光電三極管光電三極管 :光電池光電池:第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用13一、光電管一、光電管 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：在真空玻璃管內(nèi)裝有光電陰極(逸出功小的光敏材料逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管內(nèi)壁涂敷在玻璃管內(nèi)壁)和陽極，感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線照感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料，便有電子逸出，并被正電位的陽極吸引，在光射到光敏材料，便有電子逸出，并被正電位的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。電管內(nèi)形成空

7、間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。1. 光電管結(jié)構(gòu)和工作原理光電管結(jié)構(gòu)和工作原理原理：原理：基于外光電效應(yīng)；基于外光電效應(yīng)；光光陰極陰極光電子光電子陽極陽極空間空間電子流電子流外接電阻外接電阻壓降壓降u=f(i)u=f(i)（實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換）（實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換）特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，靈敏度低特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，靈敏度低 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用142、光電管的特性、光電管的特性 （1）光電管的伏安特性曲線）光電管的伏安特性曲線 當(dāng)入射光的頻率和通量確定時(shí)，陽極電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性 陽極電壓較低：陰極發(fā)射的電子部分到達(dá)陽極，陽極電壓較低：陰極發(fā)射的電子部分到達(dá)陽極，其余受光電子在真空中運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的負(fù)電場(chǎng)作

8、用，回到陰極。其余受光電子在真空中運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的負(fù)電場(chǎng)作用，回到陰極。陽極電壓增高：光電流隨之陽極電壓增高：光電流隨之增大。當(dāng)陰極發(fā)射的電子能增大。當(dāng)陰極發(fā)射的電子能全部到達(dá)陽極時(shí)，陽極電流全部到達(dá)陽極時(shí)，陽極電流便很穩(wěn)定，稱為飽和狀態(tài)。便很穩(wěn)定，稱為飽和狀態(tài)。 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用15（2）光電管的）光電管的：當(dāng)光電管陽極與陰極間所加電壓和入射光頻譜：當(dāng)光電管陽極與陰極間所加電壓和入射光頻譜一定時(shí)，陽極電流一定時(shí)，陽極電流i與入射光在陰極上的光通量之間的關(guān)系。與入射光在陰極上的光通量之間的關(guān)系。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用16（3）光電管的）光電管的光譜特性光譜特性 同一光電管對(duì)于不

9、同頻率的光，具有不同的靈敏度同一光電管對(duì)于不同頻率的光，具有不同的靈敏度例：對(duì)例：對(duì)gd-4型光電管，陰極采用銻銫材料，對(duì)可見光范型光電管，陰極采用銻銫材料，對(duì)可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測(cè)儀表中。各種光電式自動(dòng)檢測(cè)儀表中。對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測(cè)器。對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測(cè)器。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用17（4）光電管的頻率響應(yīng)）光電管的頻率響應(yīng) 光電管在從光子射入陰極到在陽極上獲得光電子的時(shí)光電

10、管在從光子射入陰極到在陽極上獲得光電子的時(shí)間間隔僅有幾納秒，但由于電極間的分布電容和負(fù)載電阻間間隔僅有幾納秒，但由于電極間的分布電容和負(fù)載電阻構(gòu)成構(gòu)成rc回路關(guān)系，使光電管工作響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至回路關(guān)系，使光電管工作響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至10-4量級(jí)，量級(jí)，在使用時(shí)，可以通過在使用時(shí)，可以通過降低負(fù)載電阻和減少分布電容方法，降低負(fù)載電阻和減少分布電容方法，提高頻率響應(yīng)。提高頻率響應(yīng)。 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用18二、二、 光電倍增管光電倍增管原理：原理：利用二次電子釋放效應(yīng)利用二次電子釋放效應(yīng),將光將光電流在管內(nèi)部進(jìn)行放大。電流在管內(nèi)部進(jìn)行放大。二次電子釋放效應(yīng)：高速電子撞擊二次電子釋放效應(yīng)：高速電子

11、撞擊固體表面固體表面,再發(fā)射出二次電子的現(xiàn)象。再發(fā)射出二次電子的現(xiàn)象。1.結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理光電管缺點(diǎn)：靈敏度較低光電管缺點(diǎn)：靈敏度較低改進(jìn)：光電倍增管改進(jìn)：光電倍增管入射光e1e3e2e4ka光電陰極光電陰極倍增極倍增極陽極陽極設(shè)第一倍增極有設(shè)第一倍增極有個(gè)二次電子發(fā)出，經(jīng)過個(gè)二次電子發(fā)出，經(jīng)過n次加速和轟擊加速后，產(chǎn)生的電子數(shù)為次加速和轟擊加速后，產(chǎn)生的電子數(shù)為 n稱為二次電子發(fā)射比二次電子發(fā)射比 幾種常見光電倍增管的結(jié)構(gòu) 聚焦光柵光電層光云母屏蔽板陽極玻璃真空管陰極倍增極陽極陰極 倍增極陽極陽極聚焦電極倍增極導(dǎo)電層端窗聚焦環(huán)光陰極入射光(a)(b)(c)(d)幾種常見的光電倍增管結(jié)構(gòu)：

12、幾種常見的光電倍增管結(jié)構(gòu)：第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用20幾種光電倍增管的外形 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用212. 光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性 光電特性光電特性 光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間關(guān)系 在入射光通最小于10-4 lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系,當(dāng)光通量再增大時(shí)，呈現(xiàn)非線性特性 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用22放大倍數(shù)放大倍數(shù)(電流增益電流增益) 在一定的工作電壓下，光電倍增管的陽極電流和陰極在一定的工作電壓下，光電倍增管的陽極電流和陰極電流的比稱為光電倍增管的放大倍數(shù)電流的比稱為光電倍增管的放大倍數(shù)(或電流增益或電流增益)。光譜靈敏度和積分靈敏度光

13、譜靈敏度和積分靈敏度光電陰極對(duì)于一定波長(zhǎng)輻射光的靈敏度稱為光電陰極對(duì)于一定波長(zhǎng)輻射光的靈敏度稱為光譜靈敏波，光譜靈敏波，而對(duì)復(fù)合光而對(duì)復(fù)合光(或稱白光或稱白光)的靈敏度稱為的靈敏度稱為積分靈敏度積分靈敏度。積分靈敏度可用光照靈敏度來表示，即以光電流與光源入積分靈敏度可用光照靈敏度來表示，即以光電流與光源入射于陰極的光通量之比來定義。射于陰極的光通量之比來定義。nii倍增極的電壓是由分壓電阻鏈r1、r2、rn+1獲得e1e3e4e5e6e7e8e9e10e11e2r1r2r3r4r5r6r7r8r9r10r11r12c3c2c1陰極陽極輸出rlciau第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用24玻璃光電導(dǎo)層

14、電極絕緣襯底金屬殼黑色絕緣玻璃引線三、 光敏電阻光敏電阻1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理光敏電阻的電極構(gòu)造與封裝電極光導(dǎo)體光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用25光敏電阻工作過程光敏電阻工作過程rgrlei原理：原理：基于光電導(dǎo)效應(yīng)基于光電導(dǎo)效應(yīng)無光照：無光照：光敏電阻阻值很大;有光照：有光照：光子能量大于材料禁帶寬度,價(jià)帶中的電子吸收光子能量后激發(fā)出電子-空穴對(duì),使電阻降低;光線愈強(qiáng),激發(fā)出的電子-空穴對(duì)越多,電阻值越低;光照停止：光照停止：自由電子與空穴復(fù)合,導(dǎo)電性能下降,電阻恢復(fù)原值。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用262、光敏電阻的、光敏電阻的特性及特點(diǎn)

15、特性及特點(diǎn)： 光敏電阻對(duì)光敏感光敏電阻對(duì)光敏感,當(dāng)改變光照強(qiáng)度時(shí)當(dāng)改變光照強(qiáng)度時(shí),電阻的大小也隨電阻的大小也隨著改變。一般會(huì)隨著光照強(qiáng)度的著改變。一般會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增大增大而電阻值而電阻值減小減小。） 暗電阻暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻, 此時(shí)流過的電流稱此時(shí)流過的電流稱為暗電流。為暗電流。 ） 亮電阻亮電阻光敏電阻在光照射時(shí)的電阻稱亮電阻光敏電阻在光照射時(shí)的電阻稱亮電阻, 此時(shí)流過的電流稱亮此時(shí)流過的電流稱亮電流。電流。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。 ） 光電流光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。暗

16、電流越小，光電流越大，光敏電阻的靈敏度越高。 暗電阻一般超過1m,甚至高達(dá)100m，亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，靈敏度很高。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用274) 光照特性光照特性 光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系,稱為光敏電阻的光照特性。不同類型的光敏電阻,光照特性不同。光敏電阻的光照特性 0.050.100.150.200.2500.20.40.60.8光通量 / lm光電流 / ma第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用285)光譜特性光譜特性 光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光,光譜靈敏度不同,而且不同種類光敏電阻峰值波長(zhǎng)也不同。光敏電阻的光譜靈敏度 00.511.522.532

17、0406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛不同材料，其峰值不同材料，其峰值波長(zhǎng)不同。波長(zhǎng)不同。同一種材料，對(duì)不同一種材料，對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光，其同波長(zhǎng)的入射光，其相對(duì)靈敏度不同，響相對(duì)靈敏度不同，響應(yīng)電流不同。應(yīng)電流不同。應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相對(duì)靈敏得到較高得相對(duì)靈敏度。度。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用296) 伏安特性伏安特性 在一定照度下,光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系,稱為伏安特性。光敏電阻的伏安特性 0408012016020051525351000 lx100 lx耗散功率500

18、mw電壓 / v電流 / ma10 lx一定光照，一定光照，r一定，一定，i正比于正比于u。一定電壓，一定電壓，i隨著光隨著光照照e增強(qiáng)而增大。增強(qiáng)而增大。 eri。7) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光作用時(shí)，光電流需要經(jīng)歷一段時(shí)當(dāng)光敏電阻受到脈沖光作用時(shí)，光電流需要經(jīng)歷一段時(shí)間才上升到最大值。這種響應(yīng)時(shí)間用時(shí)間常數(shù)來表示。間才上升到最大值。這種響應(yīng)時(shí)間用時(shí)間常數(shù)來表示。多數(shù)光敏電阻時(shí)間常數(shù)在多數(shù)光敏電阻時(shí)間常數(shù)在10-210-6s數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短與照度有關(guān)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短與照度有關(guān)不同材料的光不同材料的光敏電阻具有不敏電阻具有不同的時(shí)間常數(shù)同的時(shí)間常數(shù)及頻率

19、特性及頻率特性1-硫化鉛硫化鉛2-硫化鉈。硫化鉈。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用318) 溫度特性溫度特性 溫度變化影響溫度變化影響暗電阻和靈敏度，也暗電阻和靈敏度，也影響光敏電阻的光譜影響光敏電阻的光譜響應(yīng)。響應(yīng)。 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線的峰值隨著溫度的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用32常用材料光敏電阻的典型參數(shù)常見光敏電阻常見光敏電阻第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用33一個(gè)實(shí)際的光敏電阻開關(guān)電路 10 k51 k220 7.7 k220 120 繼電器28 vd2v3v2v1d10v3、光敏電阻的

20、、光敏電阻的應(yīng)用應(yīng)用第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用34wr9013crgra0v)(24720hnhu光照度計(jì)：光照度計(jì)：u農(nóng)作物日照時(shí)數(shù)測(cè)定：農(nóng)作物日照時(shí)數(shù)測(cè)定：輸出接單片機(jī)的輸出接單片機(jī)的i/o口，每口，每2分鐘對(duì)此口查詢分鐘對(duì)此口查詢1次，為高電次，為高電平，計(jì)數(shù)一次，為低電平，平，計(jì)數(shù)一次，為低電平，不計(jì)數(shù)。不計(jì)數(shù)。1天查詢天查詢720次。次。 無光照無光照v0=vl ；有光照；有光照v0=vh。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用35四、光電二極管和光電三極管四、光電二極管和光電三極管1.光電二極管和光電三極管的結(jié)構(gòu)及原理光電二極管和光電三極管的結(jié)構(gòu)及原理 光電二極管光電二極管:利用pn結(jié)單向

21、導(dǎo)電性的結(jié)型光電器件,結(jié)構(gòu)與一般二極管類似。pn結(jié)安裝在管的頂部,便于接受光照。外殼上面有一透鏡制成的窗口以使光線集中在敏感面上。 為了獲得盡可能大的光生電流為了獲得盡可能大的光生電流,pn結(jié)的面積比一般結(jié)的面積比一般二極管要大。二極管要大。 為了光電轉(zhuǎn)換效率高為了光電轉(zhuǎn)換效率高,pn結(jié)的深度較一般二極管淺。結(jié)的深度較一般二極管淺。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用36光電二極管大多數(shù)情況下工作在反向偏壓狀態(tài)反向偏壓狀態(tài)。當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用37

22、 光電三極管：光電三極管：可以等效看作一個(gè)光電二極管和一只晶體三極管的結(jié)合。基極開路,集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當(dāng)光照射集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)在集電結(jié)上時(shí), 在結(jié)附近產(chǎn)生電子在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)空穴對(duì), 電子在結(jié)電場(chǎng)的作電子在結(jié)電場(chǎng)的作用下，由用下，由p區(qū)向區(qū)向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成基極電流，區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成基極電流，被晶體管放大倍倍, 因此光電三極管的靈敏度比光電二極管的靈敏度高幾十倍。nnp ico icn輸入光發(fā)射極電極基極電極ico基極b集電極c發(fā)射極e保護(hù)膜(sio2)集電極電極(a)icoicocbe(1)ico(b)第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用382.光敏管的

23、特性光敏管的特性 1)光譜特性光譜特性 光電三極管的光譜特性曲線與光電二極管的相似。光電三極管的光譜特性曲線與光電二極管的相似。 當(dāng)當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí),相對(duì)靈敏度要下降相對(duì)靈敏度要下降,這是因?yàn)楣庾舆@是因?yàn)楣庾拥哪芰刻〉哪芰刻?不足以激發(fā)出電子不足以激發(fā)出電子-空穴對(duì)。空穴對(duì)。 當(dāng)當(dāng)入射光波長(zhǎng)太短時(shí)相對(duì)靈敏度也下降入射光波長(zhǎng)太短時(shí)相對(duì)靈敏度也下降,這是因?yàn)楣庾釉谶@是因?yàn)楣庾釉诎雽?dǎo)體表面附近激發(fā)的電子半導(dǎo)體表面附近激發(fā)的電子空穴在半導(dǎo)體表面附近便被吸空穴在半導(dǎo)體表面附近便被吸收收,不能達(dá)到不能達(dá)到pn結(jié)。結(jié)。020406080100硅鍺入射光相對(duì)靈敏度/%波長(zhǎng)/nm400

24、800120016002000材料不同, 峰值波長(zhǎng)也不同,應(yīng)根據(jù)光譜特性來確定光源和光電器件的最佳匹配。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用39 2) 伏安特性硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線，（a）圖為硅光敏二極管，（b）圖為硅光敏三極管。光敏三極管的光電流比相同管型的光敏二極管的光電流大上百倍。在零偏壓時(shí)，二極管仍有光電流輸出，三極管則沒有第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用40 3) 光照特性 光照特性反映集電極輸出電流ic和照度ec之間的關(guān)系。 三極管的光照特性曲線線性不太好三極管的光照特性曲線線性不太好,在大電流時(shí)有飽和在大電流時(shí)有飽和現(xiàn)象。光電二極管在反向偏壓的作用下現(xiàn)象。光電二極管在反向偏壓的

25、作用下,光照特性曲線有良光照特性曲線有良好的線性。好的線性。 硅光敏管的光照特性（a）硅光敏二極管；（b）硅光敏三極管 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用41 4) 溫度特性 溫度對(duì)光電管暗電流和光電流的影響,如圖所示。 溫度變化對(duì)光電流的影響很小溫度變化對(duì)光電流的影響很小,而對(duì)暗電流影響很大。而對(duì)暗電流影響很大。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用42 5) 頻率響應(yīng)(特性)和時(shí)間常數(shù) 光電管的頻率響應(yīng)是指一定頻率的調(diào)制光照射時(shí),光電管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系。 光電管的頻率響應(yīng)與其物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及光電管的頻率響應(yīng)與其物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。入射

26、光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。硅光電三極管的頻率響應(yīng)曲線100806040200110100調(diào)制光頻率 / khz相對(duì)靈敏度 / %100 k10 krl 1 k第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用43 光電管的時(shí)間常數(shù)光電管的時(shí)間常數(shù):在10-1010-4 s之間,硅管時(shí)間常數(shù)較小,響應(yīng)頻率高。有些特殊用途的光電管,如硅pin光電二極管其響應(yīng)頻率高達(dá)幾百兆赫茲,暗電流小到1na。 p-si n-si i-si硅硅pin管光電二極管管光電二極管:特點(diǎn)：特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)10ghz。在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。不足：不足：i層電阻很大，輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。第8章 光電式傳

27、感器及其應(yīng)用44工作電壓很高工作電壓很高，約，約100100200v200v，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離光生電子在這強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，雪崩反應(yīng)。因此， apd有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。響應(yīng)速度特別有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。響應(yīng)速度特別快，快，帶寬可達(dá)帶寬可達(dá)100ghz100ghz，是目前是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。在。在光通光通信中應(yīng)用前景廣闊。信中應(yīng)用前景廣闊。 缺點(diǎn)：噪聲大缺點(diǎn)：噪聲大雪崩光電二

28、極管雪崩光電二極管(apd) :光+p環(huán)形電極()n()p光照光生載流子強(qiáng)電場(chǎng)加速與其它原子碰撞產(chǎn)生二次電子空穴雪崩放大第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用45硅硅pin光電二光電二極管極管硅光電硅光電二極管二極管第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用46幾種硅（鍺）光電三極管的特性參數(shù) 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用47五、光電池五、光電池1.光電池的結(jié)構(gòu)及原理光電池的結(jié)構(gòu)及原理原理：基于光生伏特效應(yīng)原理：基于光生伏特效應(yīng)光電池有光電池有較大面積的較大面積的pn結(jié)結(jié)，當(dāng)光，當(dāng)光照到照到pn結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在n

29、區(qū)聚積負(fù)電荷，區(qū)聚積負(fù)電荷，p區(qū)區(qū)聚積正電荷，這樣聚積正電荷，這樣n區(qū)和區(qū)和p區(qū)之間區(qū)之間出現(xiàn)出現(xiàn)光生電動(dòng)勢(shì)光生電動(dòng)勢(shì)。+光pnsio2rl 光電池光電池可把太陽能直接變電能，又稱為太陽能電池,是發(fā)電式有源元件.下電極下電極梳狀電極梳狀電極siosio2 2抗反射膜抗反射膜p pn n第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用48種類：種類：硒光電池、氧化亞銅光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可適于接收可見光見光(響應(yīng)峰值波長(zhǎng)響應(yīng)峰值波長(zhǎng)0.56m)，最適宜制造

30、照度計(jì)，常用于，最適宜制造照度計(jì)，常用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表。分析儀器、測(cè)量?jī)x表。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等電源在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用49sesige0.40.811.52波長(zhǎng)/m相對(duì)靈敏度 / %5010002 2、光電池特性、光電池特性 硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表。硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表。如用照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。如用照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。硅硅光

31、電池的光譜峰值在光電池的光譜峰值在800nm800nm附近，硒的在附近，硒的在540nm540nm附近。附近。1 1）光譜特性：）光譜特性： 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用500.30.20.1120.60.40.2020004000照度 / lx光電流/ma光生電壓 / v0 2)光照特性光照特性不同光照射下有不同不同光照射下有不同光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。短路電流在很大范圍短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓與光強(qiáng)是非線性的，且在開路電壓與光強(qiáng)是非線性的，且在2000 lx時(shí)趨于飽和。時(shí)趨于飽和。光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它作為電流源的形式來光電池

32、作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負(fù)載電阻越小越好。使用，不宜用作電壓源，且負(fù)載電阻越小越好。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用51硅光電池光照特性與負(fù)載的關(guān)系2.01.00200400600800 10001.7 100 200 500 1000 照度 / lx光電流 / ma光電池負(fù)載越小，光電流與光電池負(fù)載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。負(fù)載在而且線性范圍越寬。負(fù)載在100 以下，線性還是比較好以下，線性還是比較好的，負(fù)載電阻太大，則線性的，負(fù)載電阻太大，則線性變壞變壞 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用523) 頻率特性

33、頻率特性光電池的頻率特性是指輸出電流隨光電池的頻率特性是指輸出電流隨調(diào)制光頻率調(diào)制光頻率變化的關(guān)系變化的關(guān)系, 反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。硅光電池有反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面100806040200150030004500600021f / hzir / %硅光電池硅光電池硒光電池硒光電池第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用53uoc / mvisc / mauocisc60040020003060204060t / 904) 溫度特性溫度特性第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用5

34、4幾種硅光電池的性能參數(shù) 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用55光電池外形光電池外形第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用563 3、應(yīng)用、應(yīng)用光電探測(cè)器：光電探測(cè)器：光電定向、照度計(jì)+12v-12v 在實(shí)際應(yīng)用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路的組合可實(shí)現(xiàn)或自動(dòng)控制的目的。5g23c3wr1r2r3r4r5c1c218765432第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用573 3、應(yīng)用、應(yīng)用太陽能電池：太陽能電池：衛(wèi)星、燈塔、高空偵察氣球（幾萬米）第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用58太陽電池發(fā)電系統(tǒng)：主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交

35、流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。 調(diào)節(jié)控制器調(diào)節(jié)控制器逆變器逆變器 交流負(fù)載交流負(fù)載太陽太陽電池電池方陣方陣 直流負(fù)載直流負(fù)載太陽能電池電源系統(tǒng)太陽能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管阻塞二極管第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用59六、其他光電器件六、其他光電器件u光電耦合器：發(fā)光和接收元件都封光電耦合器：發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。它以光為媒介，實(shí)裝在一個(gè)外殼內(nèi)。它以光為媒介，實(shí)現(xiàn)輸入電信號(hào)耦合到輸出端。現(xiàn)輸入電信號(hào)耦合到輸出端。應(yīng)用應(yīng)用:電路中的強(qiáng)弱電隔離。電路中的強(qiáng)弱電隔離。發(fā)光二極管發(fā)光二極管光敏三極管光敏三極管強(qiáng)弱電隔離。強(qiáng)弱電隔離。 輸入輸出之間絕緣電阻很高。耐壓

36、達(dá)輸入輸出之間絕緣電阻很高。耐壓達(dá)2000v以上。能避以上。能避免輸出端對(duì)輸入端的干擾。免輸出端對(duì)輸入端的干擾。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。發(fā)光二極管為電流驅(qū)動(dòng)元件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)光二極管為電流驅(qū)動(dòng)元件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲有旁路作用。（濾除噪聲）的噪聲有旁路作用。（濾除噪聲）特點(diǎn)：特點(diǎn)：第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用60u光電開關(guān)：光電開關(guān)：光電開關(guān)在制造業(yè)自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光電開關(guān)在制造業(yè)自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置。可實(shí)現(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)光探測(cè)裝置。可實(shí)現(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù), 料位檢測(cè)，越限料位檢測(cè)

37、，越限安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。透射式透射式 反射式反射式第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用61光電開關(guān)與光電耦合器件比較光電開關(guān)與光電耦合器件比較 都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。區(qū)別：區(qū)別： 光電開關(guān)不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調(diào)制板光電開關(guān)不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調(diào)制板 光電耦合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個(gè)不光電耦合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個(gè)不透光的管殼內(nèi)。透光的管殼內(nèi)。 應(yīng)用：應(yīng)用：光電開關(guān)多用于光電計(jì)數(shù)、報(bào)警、安全保護(hù)、非接觸開關(guān)，及各種光光電開關(guān)多用于光電計(jì)數(shù)、報(bào)警、安全保護(hù)、

38、非接觸開關(guān)，及各種光電控制等方面。電控制等方面。光電耦合器多用于抗干擾電路、電平轉(zhuǎn)換、長(zhǎng)線傳輸、過流保護(hù)及高光電耦合器多用于抗干擾電路、電平轉(zhuǎn)換、長(zhǎng)線傳輸、過流保護(hù)及高壓控制等方面。壓控制等方面。光電開關(guān)與光電耦合器光電開關(guān)與光電耦合器 共同點(diǎn)：共同點(diǎn)：紅外光 t0黑色膜電極(透明)強(qiáng)電介質(zhì)電極(不透明) p+pu熱釋電傳感器：熱釋電傳感器： 利用熱釋電效應(yīng)來檢測(cè)受光面的溫度升高值,得知光的輻射強(qiáng)度,在紅外檢測(cè)紅外檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用，可用于能產(chǎn)生紅外輻射的人體檢測(cè)，如防盜門、賓館大廳自動(dòng)門、自動(dòng)燈的控制等。 pvdffet硅窗地電極壓環(huán)環(huán)形電極彈簧絕緣環(huán)第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用63熱釋電

39、感應(yīng)燈熱釋電傳感器熱釋電傳感器第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用64 ucerl特點(diǎn)：增益很大；當(dāng)輸入為0.1mw/cm2時(shí),可獲得2ma的集電極電流。缺點(diǎn)：響應(yīng)速度低,當(dāng)負(fù)載電阻為幾千歐時(shí),響應(yīng)時(shí)間為毫秒量級(jí)。 u達(dá)林頓光電三極管：達(dá)林頓光電三極管： 光電三極管與普通三極管內(nèi)部采用達(dá)林頓接線方式集成光電三極管與普通三極管內(nèi)部采用達(dá)林頓接線方式集成在一起的組件在一起的組件第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用65u光電角度編碼器光電角度編碼器 用光電方法把被測(cè)用光電方法把被測(cè)角角位移位移轉(zhuǎn)換成以轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代數(shù)字代碼碼形式表示的電信號(hào)形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。的轉(zhuǎn)換部件。1-光源，光源，2-透鏡，透鏡，3-

40、碼盤，碼盤，4-狹縫，狹縫，5-光電組件光電組件第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用66絕對(duì)接觸式編碼器演示4 4個(gè)光電元件個(gè)光電元件 4 4位二進(jìn)制碼盤位二進(jìn)制碼盤 最小分辨角度為最小分辨角度為 =360/2n 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用678.3、光電傳感器應(yīng)用、光電傳感器應(yīng)用按被測(cè)物與光電元件和光源之間的關(guān)系，光電式傳感器的按被測(cè)物與光電元件和光源之間的關(guān)系，光電式傳感器的應(yīng)用有以下四種：應(yīng)用有以下四種：1、光源本身就是被測(cè)物。、光源本身就是被測(cè)物。 如：光電比色溫度計(jì)、光如：光電比色溫度計(jì)、光照度計(jì)等照度計(jì)等被測(cè)物被測(cè)物光電元件光電元件2、恒定光源發(fā)出的光通量透過被測(cè)、恒定光源發(fā)出的光通量透

41、過被測(cè)物，由被測(cè)物吸收一部分后到達(dá)光電物，由被測(cè)物吸收一部分后到達(dá)光電元件上。元件上。 如：測(cè)液體透明度、煙塵濃度等如：測(cè)液體透明度、煙塵濃度等 被測(cè)物被測(cè)物光電元件光電元件恒光源恒光源第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用68 3、恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)過、恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)過被測(cè)物遮擋一部分后照射到光電被測(cè)物遮擋一部分后照射到光電元件上。元件上。 如：測(cè)元件尺寸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等如：測(cè)元件尺寸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等 被測(cè)物被測(cè)物光電元件光電元件恒光源恒光源4、恒定光源發(fā)出的光通、恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物反射后到達(dá)光量經(jīng)被測(cè)物反射后到達(dá)光電元件上。電元件上。 如：測(cè)紙張白度、零件表如：測(cè)紙張白度、零件表面粗糙

42、度、光電轉(zhuǎn)速表等面粗糙度、光電轉(zhuǎn)速表等第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用69應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例1.1.紅外線輻射溫度計(jì)紅外線輻射溫度計(jì) 紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測(cè)量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測(cè)量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測(cè)量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度測(cè)量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度范圍可以從范圍可以從-30-3030003000，中間分成若干個(gè)不同的規(guī)格，可根據(jù)需要，中間分成若干個(gè)不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號(hào)。選擇適合的型號(hào)。食品溫度測(cè)量食品溫度測(cè)量集成集成ic 溫度測(cè)量溫度測(cè)量第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用70光

43、、光、 機(jī)、電一體化的紅外測(cè)溫系統(tǒng)機(jī)、電一體化的紅外測(cè)溫系統(tǒng)814 m第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用712.2.反射式煙霧報(bào)警器反射式煙霧報(bào)警器 在沒有煙霧在沒有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所色吸光材料，所以紅外以紅外led發(fā)出發(fā)出的紅外光無法到的紅外光無法到達(dá)紅外光敏三極達(dá)紅外光敏三極管。管。 當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光當(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（圖中只畫出幾個(gè)微粒的反射示意），使產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個(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。部分紅外光到達(dá)光

44、敏三極管，有光電流輸出。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用723.光電自動(dòng)門光電自動(dòng)門自動(dòng)門光電傳感器放大圖自動(dòng)門光電傳感器放大圖有效檢測(cè)區(qū)域有效檢測(cè)區(qū)域第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用734 4、路燈自動(dòng)控制器、路燈自動(dòng)控制器220vc1路燈cjd-108v200f200fc2c3100fr1r3r5r7r4r6r7r2j470k200k10k4.3kbg1280k25k57k10kbg2bg3bg42cr第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用745、熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用 智能空調(diào)能檢測(cè)出屋智能空調(diào)能檢測(cè)出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，此自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以

45、達(dá)到節(jié)能的目的。以達(dá)到節(jié)能的目的。 空調(diào)中，熱空調(diào)中，熱釋電釋電傳感器的菲涅爾傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)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，以及人一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動(dòng)著。是靜止著還是走動(dòng)著。上下范圍上下范圍左右范圍左右范圍第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用755.產(chǎn)品計(jì)數(shù)產(chǎn)品計(jì)數(shù)第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用766、光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表光電轉(zhuǎn)換電路、光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表光電轉(zhuǎn)換電路n =60( f /z ) 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用77第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用781. 光電效應(yīng)有哪些？這些光電效應(yīng)對(duì)應(yīng)哪些光電效應(yīng)有哪些？這些光電效應(yīng)

46、對(duì)應(yīng)哪些光電元件？光電元件？2. 這些光電元件有哪些特點(diǎn)？分別適用哪些這些光電元件有哪些特點(diǎn)？分別適用哪些場(chǎng)合？場(chǎng)合？小結(jié)：小結(jié)：第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用798.4 光電數(shù)字式傳感器光電數(shù)字式傳感器 一、數(shù)字式傳感器分類和特點(diǎn) 1. 數(shù)字式傳感器分類及工作原理數(shù)字式傳感器分類及工作原理數(shù)字式傳感器：把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器數(shù)字式傳感器：把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器（1） 代碼型數(shù)字式傳感器代碼型數(shù)字式傳感器 代碼型數(shù)字式傳感器又稱為編碼器代碼型數(shù)字式傳感器又稱為編碼器,輸出的每輸出的每個(gè)代個(gè)代碼相當(dāng)于一個(gè)定量的輸入值。碼相當(dāng)于一個(gè)定量的輸入值。k1:輸出代碼為輸出代碼為10l0

47、；k2:輸出代碼為輸出代碼為1011。代碼的代碼的“1”為高電平，為高電平，“0”為低電平。為低電平。（a）代碼型；（）代碼型；（b）計(jì)數(shù)型）計(jì)數(shù)型 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用80（2） 計(jì)數(shù)型數(shù)字式傳感器計(jì)數(shù)型數(shù)字式傳感器計(jì)數(shù)型數(shù)字式傳感器也稱脈沖數(shù)字式傳感器計(jì)數(shù)型數(shù)字式傳感器也稱脈沖數(shù)字式傳感器(上圖上圖b)。脈。脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計(jì)數(shù)器就可對(duì)輸入量進(jìn)行計(jì)沖數(shù)與輸入量成正比，加上計(jì)數(shù)器就可對(duì)輸入量進(jìn)行計(jì)數(shù)，可用來檢測(cè)通過輸送帶上的產(chǎn)品個(gè)數(shù)，也可用來檢數(shù)，可用來檢測(cè)通過輸送帶上的產(chǎn)品個(gè)數(shù)，也可用來檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量。這時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)每移動(dòng)一定距離或測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量。這時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)每移

48、動(dòng)一定距離或轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，傳感器就會(huì)發(fā)生一個(gè)脈沖信號(hào)，如增量轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，傳感器就會(huì)發(fā)生一個(gè)脈沖信號(hào)，如增量式光電脈沖編碼器和光柵傳感器。式光電脈沖編碼器和光柵傳感器。 2. 數(shù)字式傳感器特點(diǎn)數(shù)字式傳感器特點(diǎn)高測(cè)量精度高測(cè)量精度高分辨率高分辨率高信噪比高信噪比適宜在惡劣環(huán)境下和遠(yuǎn)距離傳輸情況下使用適宜在惡劣環(huán)境下和遠(yuǎn)距離傳輸情況下使用容易和其它對(duì)接容易和其它對(duì)接第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用81二、光電角度編碼器光電角度編碼器 用光電方法把被測(cè)用光電方法把被測(cè)角角位移位移轉(zhuǎn)換成以轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代數(shù)字代碼碼形式表示的電信號(hào)形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。的轉(zhuǎn)換部件。1-光源，光源，2-透鏡，透鏡，3-碼

49、盤，碼盤，4-狹縫，狹縫，5-光電組件光電組件第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用82絕對(duì)接觸式編碼器演示4 4個(gè)光電元件個(gè)光電元件 4 4位二進(jìn)制碼盤位二進(jìn)制碼盤 最小分辨角度為最小分辨角度為 =360/2n 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用83根據(jù)碼盤的起始和終止位根據(jù)碼盤的起始和終止位置就可確定轉(zhuǎn)角置就可確定轉(zhuǎn)角 6位二進(jìn)制碼盤位二進(jìn)制碼盤第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用84二進(jìn)制碼盤主要特點(diǎn)：二進(jìn)制碼盤主要特點(diǎn)： （1 1）n n位位(n(n個(gè)碼道個(gè)碼道) )的二進(jìn)制碼盤具有的二進(jìn)制碼盤具有2 2n n種不同編碼，最小分種不同編碼，最小分辨力辨力1 13603600 02 2n n；（2 2）二進(jìn)制碼

50、為有權(quán)碼，編碼二進(jìn)制碼為有權(quán)碼，編碼c cn n,c,cn-1n-1，c c1 1對(duì)應(yīng)于由零位對(duì)應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為：算起的轉(zhuǎn)角為：（3 3）碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)中，）碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)中，c ck k變化時(shí)，所有變化時(shí)，所有c cj j(j(jk)k)應(yīng)同時(shí)變化。應(yīng)同時(shí)變化。1112niiic 某某6 6碼道的二進(jìn)制光電碼盤，光線照射時(shí)得到碼道的二進(jìn)制光電碼盤，光線照射時(shí)得到編碼為編碼為011000011000，則轉(zhuǎn)角為多少？，則轉(zhuǎn)角為多少？第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用85(1)n(1)n位循環(huán)碼碼盤具有位循環(huán)碼碼盤具有2 2n n種不同編碼種不同編碼；(2)(2)循環(huán)碼為無權(quán)碼；循環(huán)碼為無權(quán)碼；(3)(3)循

51、環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時(shí)，編碼中只有一位發(fā)生變化，循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時(shí)，編碼中只有一位發(fā)生變化， 不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用86角編碼器外形角編碼器外形 拉拉線式線式角編角編碼器利用線輪，碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。安裝軸安裝軸第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用87轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸盤碼及盤碼及狹縫狹縫光敏元件光敏元件光欄板及辨向用的光欄板及辨向用的a、b狹縫狹縫ledabc零位標(biāo)志零位標(biāo)志abc第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用88三、直線位移編碼器三、直線位移編碼器 u間接直線位移編碼器間接直線位移編碼器通過機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，把被測(cè)體的

52、通過機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，把被測(cè)體的直線位移直線位移轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成角位角位移移。這樣，可以用角度數(shù)字編碼器直接測(cè)量線位移。這樣，可以用角度數(shù)字編碼器直接測(cè)量線位移。圖示為一種典型的間接線位移編碼器結(jié)構(gòu)圖示為一種典型的間接線位移編碼器結(jié)構(gòu)第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用89用途：機(jī)床和類似的設(shè)備中，軸的旋轉(zhuǎn)將引起螺母的直線位移，用途：機(jī)床和類似的設(shè)備中，軸的旋轉(zhuǎn)將引起螺母的直線位移，被測(cè)體就裝在這個(gè)螺母上，軸上裝有標(biāo)準(zhǔn)的編碼盤。如果碼盤被測(cè)體就裝在這個(gè)螺母上，軸上裝有標(biāo)準(zhǔn)的編碼盤。如果碼盤采用增量式編碼器，則可測(cè)得位移的方向和相對(duì)于基準(zhǔn)位置的采用增量式編碼器，則可測(cè)得位移的方向和相對(duì)于基準(zhǔn)位置的大小，行程范圍

53、比較大，這種系統(tǒng)的精度可在大小，行程范圍比較大，這種系統(tǒng)的精度可在1m行程上達(dá)到行程上達(dá)到0.003mm。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用90u直接直線位移編碼器直接直線位移編碼器通常有一個(gè)長(zhǎng)標(biāo)尺和沿標(biāo)尺運(yùn)動(dòng)的掃描點(diǎn)，用于感受和測(cè)通常有一個(gè)長(zhǎng)標(biāo)尺和沿標(biāo)尺運(yùn)動(dòng)的掃描點(diǎn)，用于感受和測(cè)量任何相對(duì)位移。優(yōu)點(diǎn)：避免了一套直線旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的機(jī)械量任何相對(duì)位移。優(yōu)點(diǎn)：避免了一套直線旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置，也避免了由此產(chǎn)生的變換誤差。光柵直接增量式直裝置，也避免了由此產(chǎn)生的變換誤差。光柵直接增量式直線位移傳感器就是一種高精度、高速線位移傳感器。線位移傳感器就是一種高精度、高速線位移傳感器。光柵式測(cè)量是利用光通過相疊的兩片

54、光柵片時(shí)形成莫爾條紋光柵式測(cè)量是利用光通過相疊的兩片光柵片時(shí)形成莫爾條紋的原理進(jìn)行的。光柵光學(xué)系統(tǒng)有主光柵的原理進(jìn)行的。光柵光學(xué)系統(tǒng)有主光柵(動(dòng)光柵動(dòng)光柵)和指標(biāo)光柵和指標(biāo)光柵(定光柵定光柵) 。第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用91編碼器在定位加工中的應(yīng)用1 1絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器 2電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 3轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 4轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 5工件工件 6刀具刀具 第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用92 編碼器在數(shù)控加工中心的刀庫選刀控制中的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)刀庫旋轉(zhuǎn)刀庫被加工工件被加工工件刀具刀具角編碼器的輸出為當(dāng)前刀角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號(hào)具號(hào)角編碼器與角編碼器與 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)刀庫連接刀庫連接第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用93四

55、、數(shù)字式光電傳感器應(yīng)用四、數(shù)字式光電傳感器應(yīng)用 光學(xué)碼盤測(cè)角儀的原理圖光學(xué)碼盤測(cè)角儀的原理圖1光源光源 2大孔徑非球面聚光鏡大孔徑非球面聚光鏡 3碼盤碼盤 4狹縫狹縫 5光電元件光電元件1、光學(xué)碼盤測(cè)角儀、光學(xué)碼盤測(cè)角儀第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用941 1絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器 2電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 3轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 4轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 5工件工件 6刀具刀具 2、編碼器在定位加工中的應(yīng)用第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用953、編碼器在數(shù)控加工刀庫選刀控制中的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)刀庫旋轉(zhuǎn)刀庫被加工工件被加工工件刀具刀具角編碼器的輸出為當(dāng)前刀角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號(hào)具號(hào)角編碼器與旋轉(zhuǎn)刀庫連接角編碼器與旋轉(zhuǎn)刀庫連接第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用96角編碼器除了能直接測(cè)量角位移或間接測(cè)量直線位移外，角編碼器除了能直接測(cè)量角位移或間接測(cè)量直線位移外，可用于數(shù)字測(cè)速、工位編碼、可用于數(shù)字測(cè)速、工位編碼、伺服電機(jī)控制伺服電機(jī)控制等。等。 m法測(cè)速（適合于高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）t 編碼器每轉(zhuǎn)