南昌航空大学航空与机械学院第七章 光电式传感器光电式传感器是利用光电元件将光信号变换成电信号的一种装置 。光电元件也称光敏元件，光电元件的类型很多，但其工作原理都是 建立在光电效应这一物理基础上的。根据光电效应的不同机理，光电 效应可分为三类： 光电子发射效应。在光的照射下，使电子从物理表面逸出的现 象称之。光电导效应。在光的照射下，使物理电阻率改变的现象称之。光伏效应。在光的照射下使物体在某一方向产生电动势的现象 称之。 光电子发射效应在物体表面产生，所以也称外光电效应，通常使 用的是金属材料；光电导效应和光伏效应发生在物体内部，所以也称 内光电效应，一般使用的是半导体材料。南昌航空大学航空与机械学院 7-1光敏电阻 一、光敏电阻的工作原理光电导效应：半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能 增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象称为光 电导效应。 光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，电阻又回复原来值 。根据这一原理制成的器件称为光敏电阻。 光敏电阻没有极性，使用 时在电阻两端加直流或交流偏压，如下图所示。光敏电阻不受光照射时的电阻称暗电阻，此时通过的电流称暗电流。受光照 射时的电阻称亮电阻，对应的电流称亮电流。亮电流与暗电流之差称光电流。光 敏电阻的暗电阻在几兆欧以上，而亮电阻在几千欧以下。暗电阻与亮电阻之差越 大，光电流越大，灵敏度越高。南昌航空大学航空与机械学院第七章 光电传感器南昌航空大学航空与机械学院光敏电阻的结构图南昌航空大学航空与机械学院二、光敏电阻的基本特性1.光照特性：表示光电流与照射光强度的关系，也称光电特性。不同类型的光敏电阻光照特性不同，但大多数光敏电阻的光照特性曲 线是非线性的，所以不适宜作检测元件，只能作为开关式的光电转换器。南昌航空大学航空与机械学院2.伏安特性：表示光敏电阻的光电流与外加电压之间的关系。在 给定的电压下，光电流的数值随着照射光的增强而加大，照射光 强不变时，外加电压越高，光电流I也越大，灵敏度随之增大。但 最高工作电压受到允许耗散功率限制，不同元件有不同的规定， 使用时应注意。南昌航空大学航空与机械学院 3.光谱特性：表示照射光的波长于光电流的关系。不同材料 光敏电阻的光谱特性不同，照射光的波长不同时，光敏电阻 的灵敏度亦不同。光敏电阻的灵敏度有一个峰值，材料不同 灵敏度峰值对应的波长不同。所以选择光敏电阻时，要与使 用的光源结合起来考虑，才能获得较好的效果。南昌航空大学航空与机械学院4.频率特性：表示光电流与照射光强度变化频率之间的关系。因 为光敏电阻受光照射后光电流不能立即达到饱和值，而是需要经 过一段时间。同样光线停止照射后，光电流也不是立即完全消失 ，也存在一定的延时现象。大多数光敏电阻的相应时间都较长，在ms级左右。它除了 与材料有关外，还取决于照度、负载电阻和环境温度。南昌航空大学航空与机械学院5.温度特性：光敏电阻与其它半导体器件一样，温度对其特 性影响很大。温度升高时暗电流增大，使灵敏度降低。南昌航空大学航空与机械学院第七章 光电传感器照相机自动测光 光控灯 工业控制南昌航空大学航空与机械学院72 光电管光电管的工作原理与光敏电阻是相似的，其差别只是光照 在半导体结上而已。 光电二极管的P-N结装在管的顶部,上面有一个透镜制成的窗口 ，以便入射光集中在P-N结。光电二极管在电路中往往工作在反 向偏置，没有光照时流过的反向电流很小，因为这时P型材料中 的电子和N型材料中的空穴很少。但当光照射在P-N结上时，在 耗尽区内吸收光子而激发出的电子-空穴对越过结区，使少数载 流子的浓度大大增加，因此通过P-N结产生稳态光电流。 其特 点是体积小，频率特性好。南昌航空大学航空与机械学院光电三极管的结构与光敏二极管相似，不过它有两个P-N结， 基极无引出线，仅有集电极和发射极两端引线。当集电极c上 相对于发射极e为正的电压而不接基极b时，基极-集电极的结 就是反向偏置的。当光照射在基极-集电极结上时，就会在结 附近产生电子-空穴对，从而形成光电流(约几A)，输出到三 极管的基极，此时集电极电流是光生电流的倍(是三极管的 电流放大倍数)。可见，光敏三极管具有放大作用，它的优点 是电流灵敏度高。南昌航空大学航空与机械学院3.7 半导体敏感元件传感器 73 光电池 光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后 产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源 的光电池是常用的光生伏特型器件。+-PN南昌航空大学航空与机械学院它可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、 光照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来检验 能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗 糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的 形状、工作状态的识别等。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况 下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应 快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件 、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器 在检测和控制领域得到了广泛的应用。74 光电传感器的应用南昌航空大学航空与机械学院应用光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射 式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种 基本形式。 被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件 上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温 计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这 种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等南昌航空大学航空与机械学院被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对 光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量 液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定 液体中某种物质的含量等。南昌航空大学航空与机械学院被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通 量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱, 减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原 理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。南昌航空大学航空与机械学院恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分 光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测 物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷 、表面位移等。南昌航空大学航空与机械学院光电式转速表机械式转速表和接触式电子转速表精度不高，影响被测物的运转状 态，已不能满足自动化的要求。光电式转速表属于反射式光电传感器， 它可以在距被测物数十毫米处非接触地测量转速。由于光电器件的动态 特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不干扰被测物的转动， 光源l发出的光线经透镜2会聚成平行光束，照射到旋转物体上的反光纸4反射 回来，经透镜5聚焦后落在光敏二极管6上。它产生与转速对应的电脉冲信号， 经放大整形电路8得到了TTL 电平的脉冲信号，再经频率计电路9处理后由显示 器10显示出每分钟或每秒钟的转数即转速南昌航空大学航空与机械学院案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。南昌航空大学航空与机械学院亮度传感器： 通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比 较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线 ，达到节约电能的目的。南昌航空大学航空与机械学院相机测距反射式光电传感器南昌航空大学航空与机械学院3.13 CCD固态图象传感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的 结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物( 如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极， 以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS) 。 第八章 光纤传感器南昌航空大学航空与机械学院在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元， 如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图 像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度 相对应的光生电荷图像。3.13 CCD固态图象传感器南昌航空大学航空与机械学院01111100光敏管 阵列并 联 串 联 转 换 器运算电路显示电路结束信号驱动脉冲CCD3.13 CCD固态图象传感器南昌航空大学航空与机械学院 特点: (1) 非接触检测; (2) 响应快; (3) 可靠性高,为修简便; (4) 测量精度高; (5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响. 应用:(1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.3.13 CCD固态图象传感器条形码扫描器南昌航空大学航空与机械学院GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114 数码相机3.13 CCD固态图象传感器南昌航空大学航空与机械学院光电偶合嚣1光电偶合器 由一个发光元件和一 个光电元件共同封装在 一个外壳内组成的复合 型转换元件。它能够以光为媒介 耦 合与传递电信号也能 够隔离(绝缘)开电路的输 入与输出端。因此又称 为光电隔离器。南昌航空大学航空与机械学院光电开关 又称光电断续器，它是将红外发光元件和光电元件组装在一起， 典型的光电开关结构如图 。 (b)是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面 上且以某一角度相交，交点一般即为待检物的所在处。当有物体经过时， 接收元件可按收到从物体表面反射的光，使输出产生电平变化。(a)是一种透射式的光电开关，两管之间有一间陷，发光元件和接收元件的光轴 是重合的。当被测物体位于或通过间隙时，遮断光路，输出端产生电平变化， 起到检测的作用。南昌航空大学航空与机械学院光纤与激光器、半导体光电器件一起构成了新的光学技 术光电子学。第八章 光纤传感器81 光纤的结构和传光原理1、结构 光纤由纤芯和包层组成。中心部 分称纤芯，围绕纤芯的部分称包层。这两部 分都是用石英、玻璃或塑料等光透射率高的 材料作成的，但二者的折射率不同。纤芯的折射率nl包层的折射串n 2。利用折射率不同，在纤芯内产生全反射，使 光束沿着轴向前进到达传输目的。为了增加 抗机械张力防止腐蚀，在包层外加覆一层 塑胶尼龙被覆层。由许多单根光纤组成的光 纤束称光缆。南昌航空大学航空与机械学院2、传光原理数值孔径越大， 光纤的集光能力越 强，但光信号畸变 越厉害。南昌航空大学航空与机械学院 82 光纤传感器的工作原理及组成光纤传感器是将被测对象的状态转换成光信号来进行检测的传 感器。基本原理：将来自光源的光经过光纤送入调制器，在调制器内与外 界被测参数相互作用，导致光的光学性质，如光的强度、频率、相 位、波长、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤 送入光探测器，经解调器解调后获得被测参数。 分类：按照光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为传感 型和传输型两类。传感型光纤传感器：光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件。它是利用光 纤本身的特性受被测物理量作用而发生变化的特点工作的，调制器是光纤本 身，即内部调制，应用的是基本功能的转换，所以称传感型。传感器中的光 纤是连续的。传输型光纤传感器：光纤不是敏感元件，仅起传光作用，传感器中的光纤 是不连续的。它是利用在光纤端面或两根光纤中间放置其它介质的敏感元件 ，感受被测物理量的变化。南昌航空大学航空与机械学院南昌航空大学航空与机械学院第八章 光纤传感器传感型光纤传感器应用：南昌航空大学航空与机械学院 光纤流速传感器光纤流速传感器由光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。光 纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使 光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化。 其振主幅的变化与流速成正比。南昌航空大学航空与机械学院3.12 光纤传感器传输型光纤传感器应用南昌航空大学航空与机械学院南昌航空大学航空与机械学院作业件检测颜色检测南昌航空大学航空与机械学院 第九章 半导体磁敏传感器 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流 流过时，在垂直于电流和磁场的方向