機械工業出版社

中等職業教育電氣類規劃教材

《自動檢測與轉換技術》

第十章

光電傳感器

2014－11－52/4/20231第十章光電傳感器在這一章里，卡卡要給大家簡單介紹光電效應，著重講解光電元件的原理、分類、特性、電路接線以及光電傳感器的應用。光電傳感器的最大特點是非接觸測量。2/4/202321860年，英國物理學家麥克斯韋建立了電磁理論，認識到光是一種電磁波。1905年，德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發射效應，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。2/4/20233

第一節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生相應電效應的物理現象稱為光電效應。

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。

2/4/20234

紫外光電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，形成電子發射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監測等。

紫外線2/4/20235光敏電阻

當光敏電阻受到光照時，阻值減小。2/4/20236光敏電阻原理演示

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）光照變化產生的電流稱為暗電流2/4/20237光敏二極管

將光敏二極管的PN結設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結時，電子-空穴對數量增加，光電流與照度成正比。2/4/20238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。2/4/20239紅外發射、接收對管外形

紅外發射管紅外接收管2/4/202310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（又稱耗盡層）上時，在PN結附近產生的電子-空穴對數量也隨之增加，光電流也相應增大，光電流與照度成正比。

2/4/202311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2/4/202312光敏三極管

光敏三極管有兩個PN結。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，從外觀上很難區別。

2/4/202313光敏三極管外形

2/4/202314光敏三極管內部結構

a)

內部組成b)管芯結構c）結構簡化圖

1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡

5—發射極引腳6—N+襯底7—N型集電區8—SiO2保護圈

9—集電結10—P型基區11—N型發射區12—發射結

2/4/202315硅光敏晶體管的光譜特性

電磁波頻譜2/4/202316光敏二極管、三極管的光電特性比較

0光照光電流光敏三極管光敏二極管3000lx4mA請判斷光敏二極管、三極管的靈敏度孰高孰低0.3mAIΦE2/4/202317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型區每吸收一個光子就產生一對光生電子-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，空穴留在P區，所以N區帶負電，P區帶正電。如果光照是連續的，經短暫的時間，PN結兩側就有一個穩定的光生電動勢輸出。

2/4/202318基于光生伏特效應的光電元件

——光電池新型的硅光電池是在P型襯底上制造一薄層N型層作為光照敏感面，效率更高。N型區每吸收一個光子就產生一對光生電子-空穴對。空穴通過漂移運動被拉到P型區，帶正電；電子留在N區，帶負電。2/4/202319光電池外形光敏面2/4/202320能提供較大電流的大面積光電池外形2/4/202321光電池串聯，能提高電壓；

并聯，可以提高輸處電流每一片光電池的最大輸出電壓約為0.6V，每平方米，晴天的輸出電流約為10A。2/4/202322太陽能組件2/4/202323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2/4/202324光電池在動力方面的應用太陽能賽車太陽能電風扇太陽能硅光電池板2/4/202325光電池在動力方面的應用（續）住宅太陽能供電2/4/202326光電池在動力方面的

應用（續）嫦娥一號上的光電池板2/4/202327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

開路電壓為對數特性短路電流為線性特性2/4/202328第二節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

2/4/202329二、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換成TTL電平。

當光照增加，Ui<（1/2）VDD時，反相器翻轉,輸出變為什么電平？

2/4/202330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？繼電器KA吸合還是釋放？如果將V1與Rb2位置上下對調，請畫出電路，并分析工作過程。

2/4/202331五、光電池的應用電路

——光電池短路電流測量電路

I/U轉換電路的輸出電壓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微調總的放大倍數。2/4/202332第三節光電傳感器的應用

—、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）2/4/2023331.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格，可根據需要選擇適合的型號。2/4/202334紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準2/4/202335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2/4/202336紅外線輻射溫度計的使用2/4/202337紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應用（續）2/4/202338紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀2/4/202339紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量2/4/202340紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用IC的溫度測量2/4/202341紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續）利用紅色激光瞄準被測物（冷藏牛奶和面食）2/4/202342紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續）溫度采集系統利用紅色激光瞄準被測物（電控柜、天花板內的布線層）2/4/202343紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續）利用紅色激光瞄準被測物（電控柜、天花板內的布線層）2/4/202344紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續）2/4/202345紅外線輻射溫度計的使用距離與目標直徑、面積的關系mmm2/4/202346紅外線輻射溫度計的特性參數2/4/202347比色計在高溫非接觸測量中的應用

比色式溫度傳感器抗煙霧、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，可以不完全被目標充滿，不需調焦就可準確測量。

比色溫度計適于環境條件惡劣的工業現場中使用，如:煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴重的鋼鐵、焦化和爐窯等應用現場。紅色黃色2/4/2023482.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2/4/202349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射的紅外線而輸出電信號的傳感器。熱釋電晶體廣泛用于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：在房間無人時能自動減小空調機的功率；電視機能判斷無人觀看或觀眾已經睡覺后自動關機的電路；開啟監視器或自動門鈴上的應用；攝影機或數碼照相機自動記錄動物或人的活動……

您可以根據自己的奇思妙想，結合其他電路開發出更加優秀的新產品。或自動化控制裝置。2/4/202350熱釋電傳感器的內部電路兩塊反向串聯的熱釋電晶片場效應管2/4/202351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。

2/4/202352菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片2/4/202353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。2/4/202354熱釋電套件2/4/202355熱釋電報警器菲涅爾透鏡設定按鈕高分貝喇叭2/4/202356熱釋電報警器（續）菲涅爾透鏡Φ5mm接插件2/4/202357熱釋電報警器（續）吸頂式熱釋電報警器2/4/202358熱釋電報警器（續）無線報警式熱釋電報警器2/4/202359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2/4/202360熱釋電感應燈熱釋電傳感器2/4/202361自動感應燈

（參考施特朗公司資料）2/4/202362熱釋電傳感器在智能空調中的應用智能空調能檢測出屋內是否有人，微處理器據此自動調節空調的出風量，以達到節能的目的。

空調中，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2/4/202363二、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2/4/202364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

4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池

7、10—電流/電壓轉換器8—標準水樣

參比通道（抵消外界影響）

2/4/202365

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發射的恒定紅外光。而在火災發生時，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，經閥值判斷電路后，發出報警信號。

煙霧報警2/4/202366無線煙霧報警器內部結構

可發出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器2/4/202367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。它內部使用一節9伏層疊電池供電，工作在警戒狀態時，工作電流僅為15微安，報警發射時工作電流為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出90分貝的連續報警，工作指示燈快速連續閃爍，無線發射器發出無線報警信號，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境中可以達到20米。2/4/202368三、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，煙霧室內又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發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。2/4/202369

2.光電式轉速表

光電式轉速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數十毫米外非接觸地測量其轉速。

n=60(f/z)

2/4/202370水泵轉速測量2/4/202371光電式轉速表外形

2/4/2023723.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相比較來實現色標檢測，而不是直接測量顏色。人眼對各色光的敏感程度2/4/202373色標傳感器的用途

現代化工業生產中，顏色檢測和顏色識別等的應用越來越多。例如，在包裝生產中機器要確定哪種