光电传感器光电传感器1光通量：每单位时间到达、离开或通过曲面的光能量光电传感器：是将光通量转换为电量的一种传感器，其最大特点是非接触测量光电传感器的基础是光电转换元件的光电效应 21905年德国物年德国物理学家爱因斯坦用理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光量子学说解释了光电发射效应，并光电发射效应，并为此而获得为此而获得1921年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。3第一节第一节 光电效应及光电元器件光电效应及光电元器件 用光照射某一物体，可以看作用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串光子的轰击，组成物体受到一连串光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为相应电效应的物理现象称为光电效光电效应应。 光电效应通常可以分为光电效应通常可以分为3类，类，有外光电效应，内光电效应和光生有外光电效应，内光电效应和光生伏特效应。伏特效应。 4 外光电效应：在光线的作下，能使电外光电效应：在光线的作下，能使电子逸出物体的表面。向外逸出的电子叫光子逸出物体的表面。向外逸出的电子叫光电子。电子。 基于外光电效应的光电元件有光电管、基于外光电效应的光电元件有光电管、紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 光电管光电倍增管5 紫外光电管外形紫外光电管外形 当入射紫外当入射紫外线照射在紫外管线照射在紫外管阴极板上时，电阴极板上时，电子克服金属表面子克服金属表面对它的束缚而逸对它的束缚而逸出金属表面，形出金属表面，形成电子发射。紫成电子发射。紫外光电管多用于外光电管多用于紫外线测量、火紫外线测量、火焰监测等。焰监测等。 紫外线紫外线610.1.1 光电管 在一个真空泡内装有两个电在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。极：光电阴极和光电阳极。 光电阴极通常是用逸出功小光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。做成，其感光面对准光的照射孔。 当光线照射到光敏材料上，当光线照射到光敏材料上，光子的能量传递给阴极表面的电光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，子，当电子获得的能量足够大时，便有电子逸出，这些电子被具有便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就内形成空间电子流，在外电路就产生电流。产生电流。7光电管的结构和电路8光电管测量电路9光电管的光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。 一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率同的红限频率f f0 0，因此它们可用于不同的光谱范围。，因此它们可用于不同的光谱范围。 除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率于红限频率f f0 0，并且强度相同，随着入射光频率的不，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。不同材料的光电阴极。10 受光照的物体导电率发生受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效变化，或产生光生电动势的效应叫应叫内光电效应内光电效应。 基于内光电效应的元器件基于内光电效应的元器件有光敏电阻，光敏二极管，光有光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管，光敏达林顿管及光敏三极管，光敏达林顿管及光敏晶闸管等。敏晶闸管等。10.1.2 基于内光电效应的光电元器件11光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到当光敏电阻受到光照时，光照时， 阻值减小。阻值减小。 在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里。12光敏电阻结构符号（a）光敏电阻结构 （b）电极 （c）连接电路13光敏电阻 优点：灵敏度高，光谱响应范优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。强和寿命长等。 不足：需要外部电源，有电流不足：需要外部电源，有电流时会发热。时会发热。 14光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电当光敏电阻受到光照时，阻受到光照时，光生光生电子电子空空穴对穴对增加，增加，阻阻值减小，流过值减小，流过光敏电阻的电光敏电阻的电流增大。流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）15光敏电阻的主要特性参数(1)暗电阻与暗电流暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流成为暗电流。(2)亮电阻与亮电流亮电阻与亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。(3)光电特性光电特性 施加额定电压，置于室温时测得的电阻值与光照度的关系。（具有非线性）(4)光电流光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。 16光敏电阻的光照特性光照特性光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流光电流I和光照强度和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图为硫化镉光敏电阻的光照特性。17光敏电阻的温度特性 其性能其性能( (灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻) )受温度的影响较大。受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流光电流I I和温度和温度T T的关系如图所示。有时为了提高的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。温度降低。18光敏晶体管的工作原理及结构 光敏二极管光敏二极管，光敏三极管光敏三极管，光光敏达林顿管敏达林顿管（光敏复合管）以及光光敏晶闸管敏晶闸管等统称为光敏晶体管光敏晶体管，可用于光的照度测量和控制。 光敏晶体管的具体特性参数见书P134表10-3所示。19光敏二极管光敏二极管1.结构原理结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。 图为光敏二极管结构简图和符号 20光敏二极管光敏二极管将光敏二极管的将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光的正下方，光照射到光敏二极管的敏二极管的PN结时，电结时，电子子-空穴对数量增加，当空穴对数量增加，当在光敏二极管两端施加在光敏二极管两端施加电压后，流过电压后，流过PN结的光结的光电流也相应增大，光电电流也相应增大，光电流与光照度成正比。流与光照度成正比。21光敏二极管光敏二极管 光敏二极管在电路中一光敏二极管在电路中一般是处于般是处于反向工作状态反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。光敏二极管接线图22 光敏二极管的反向偏置接线光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示（参考上页图）及光电特性演示 在没有光照时，由于二在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。（暗电流）很小。当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比关系。比关系。 光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照23红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管（光敏二极管）（光敏二极管）典型应用：会展入场人数计数器会展入场人数计数器，由红外线发射和接收对管组成，其发射和接收的最大距离可达8米，并可在室内自然光下，进行准确的计数，无需对光采用聚焦措施。该计数器可用于城市会展人场人数的统计。24光敏三极管光敏三极管 光敏三极管光敏三极管有有PNPPNP型和型和NPNNPN型两种，如图。其结构与一般三极型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，只是它的发射极管很相似，只是它的发射极e e一边做的很大一边做的很大, ,以扩大光的照射面以扩大光的照射面积积, ,且且其基极其基极b b不接引线不接引线，故其外形与光敏二极管相似，从外观上，故其外形与光敏二极管相似，从外观上较难区别。当集电极较难区别。当集电极c c加上正电压加上正电压, ,基极开路时基极开路时, ,集电极处于反向偏集电极处于反向偏置状态，集电极电流为原始光电流的置状态，集电极电流为原始光电流的倍，故其倍，故其具有电流放大作用。具有电流放大作用。 25光敏三极管外形光敏三极管外形26光敏三极管内部结构光敏三极管内部结构a)内部组成内部组成b)管芯结构管芯结构c）结构简化图结构简化图1集电极引脚集电极引脚2管芯管芯3外壳外壳4玻璃聚光镜玻璃聚光镜5发射极引脚发射极引脚6N+衬底衬底7N型集电区型集电区8SiO2保护圈保护圈9集电结集电结10P型基区型基区11N型发射区型发射区12发射结发射结 27光敏二极管和光敏三极管的区别n光电流u光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。n响应时间u光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为510us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。n输出特性u光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。28光敏达林顿管在在需需要要高高增增益益或或大大电电流流输输出出的的场场合合，需需采采用用达达林林顿顿光光敏敏管管。图是达林顿光敏管，它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也增大，因此适适合合于于开开关关状状态态或或位位式式信信号号的的光光电电变换变换。 光敏达林顿管29光敏晶闸管光敏晶闸管光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极、阴极k和门极和门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。光敏晶闸管的特点是：导通负极，门极可悬空。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。制。光敏面光敏面30光敏晶体管的基本特性(1)光谱特性光谱特性指在一定光照度时， 输出的光电流（或用相对灵敏度相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。硅光敏晶体管的光谱特性图如下。 由图可知，硅晶体管的峰值波长为0.8m，接近红色光。此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。 1滤光玻璃引起的光谱特性紫偏移2 硅晶体管的光谱特性3 滤光玻璃引起的光谱特性红偏移31(2)(2)光电特性光电特性0光照光照光光电电流流光敏光敏三极管三极管光敏光敏二极管二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低请判断灵敏度的高低0.3mA请计算当请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流IIE32 由图可知：光敏晶体管的光电流光照度成线性关系。光敏三极管的光电特性曲线斜率较大，说明灵敏度比光敏二极管高。 光敏二极管的光电特性的斜率为k=0.3/3000，那么光电流I=k*100=0.01mA33(3)温度特性温度特性 光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小(图(b)，而对暗暗电电流流影影响响很很大大(图(a)， 所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。 34基于基于光生伏特光生伏特效应的光电元件效应的光电元件光电池光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。器件。由于它可把太阳能直接变电能，又称为太阳能电由于它可把太阳能直接变电能，又称为太阳能电池。它是发电式有源元件。它有较大面积的池。它是发电式有源元件。它有较大面积的PNPN结，当光结，当光照射在面积较大的光电池照射在面积较大的光电池P P区表面，产生电子区表面，产生电子- -空穴对，空穴对，光生电子因光生电子因PNPN结的内电场而漂移到负极，空穴留在结的内电场而漂移到负极，空穴留在P P区，区，从而产生光生电动势从而产生光生电动势E E。光照越强，光生电动势就越大。光照越强，光生电动势就越大。 命名方式：命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。池之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前目前, ,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。应用最广、最有发展前途的是硅光电池。35以硅光电池为例硅光电池结构图硅光电池的工作原理示意图36光电池的表示符号、基本电路光电池的表示符号、基本电路37光电池光电池外形外形光敏面光敏面38光电池的基本特性光电池的基本特性 (1) 光光谱谱特特性性 光电池对不同波长的光的灵灵敏敏度度是不同的。 从图中可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8m附近，硒光电池在0.5m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2m，而硒光电池只能为0.380.75m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 39(2)(2)光电池的光电特性光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性一个典型的硅光电池的光电特性开路电压为开路电压为对数特性对数特性短路电流为短路电流为线性特性线性特性1光电池负载开路时开路电压曲线2负载短路时短路电流曲线 光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。40 从图中看出， 短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时，用光电池作为测量元件时， 应把它当作电流应把它当作电流源的形式来使用，源的形式来使用， 不宜用作电压源不宜用作电压源。 41光电池的应用光电池主要有两大类型的应用：光电池主要有两大类型的应用： 将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。电池定将获得更广泛的应用。 将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。42其他其他光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池43光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能硅光电池板硅光电池板44太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能供LED警示标志牌太阳能电池45光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电太阳能发电46光电池自动干手器 手放入干手器时，手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电热电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，极管基射极反偏而截止，继电器释放，从而切断继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。风机和电热丝的电源。47第二节第二节 光电元器件的基本应用电路光电元器件的基本应用电路一、光敏电阻的基本应用电路一、光敏电阻的基本应用电路 a）U与光照变化趋势相同的电路与光照变化趋势相同的电路b）U与光照变化趋势相反的电路与光照变化趋势相反的电路 48二、光敏二极管应用电路二、光敏二极管应用电路 利用反相利用反相器可将光敏二器可将光敏二极管的输出电极管的输出电压转换成压转换成TTL电平。电平。 当光照增加，当光照增加，Ui2.4V,输出低电平=2.0V，输入低电平=0.8V。50光敏三极管的应用电路51光敏三极管光控继电器电路光敏三极管光控继电器电路当无光照时，当无光照时，V1截止，截止，I =0，则，则V2处于什处于什么状态？继电器么状态？继电器KA吸合还是释放？那么当有强吸合还是释放？那么当有强光照时是怎样呢？光照时是怎样呢？52五、光电池的应用电路五、光电池的应用电路光电池短路电流测量电路光电池短路电流测量电路 I/U 转换电路的输出电压转换电路的输出电压Uo与光电流与光电流I成正比，从而成正比，从而达到电流达到电流/电压转换的目的。若希望电压转换的目的。若希望Uo为正值，可将光电为正值，可将光电池极性调换。光电池用于微光测量时，池极性调换。光电池用于微光测量时，I可能较小，则应可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级放大电路中使用电位器增加一级放大电路，并在第二级放大电路中使用电位器RP微调总的放大倍数。微调总的放大倍数。 一般为得到光电流与光照度成线性的特性，要求光电池的负载电阻趋于0，采用集成运算放大器组成的转换电路就能满足要求，如图所示：53第三节第三节 光电传感器的应用光电传感器的应用光电传感器的形式被测物是光源被测物吸收光通量被测物是有反射能力的表面被测物遮蔽光通量54 、光源本身是被测物的应用实例、光源本身是被测物的应用实例 光的照度光的照度E的单位是的单位是lx（勒勒克斯），它是常克斯），它是常用的光度学单位用的光度学单位之一，它表示受之一，它表示受照物体被照亮程照物体被照亮程度的物理量，可度的物理量，可以用照度计来测以用照度计来测量。量。光电池光电池（外加柔（外加柔光罩）光罩）55红外线传感器红外线传感器56红外线传感器概述红外线传感器概述 凡是存在于自然界的物体，例如人体、火焰甚至凡是存在于自然界的物体，例如人体、火焰甚至于冰都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长于冰都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。不同而已。 人体的温度为人体的温度为36363737，所放射的红外线波长为，所放射的红外线波长为9 9lOm(lOm(属于远红外线区属于远红外线区) )，加热到，加热到400400700700的物的物体，其放射出的红外线波长为体，其放射出的红外线波长为3 35m(5m(属于中红外线属于中红外线区区) )。红外线传感器可以检测到这些物体发射出的红。红外线传感器可以检测到这些物体发射出的红外线，用于测量、成像或控制。外线，用于测量、成像或控制。 用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，比用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，比可见光作为媒介的检测方法要好。可见光作为媒介的检测方法要好。57红外光检测的优越性红外光检测的优越性 1 1可昼夜测量可昼夜测量 红外线红外线( (指中、远红外线指中、远红外线) )不受周围可见光不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。的影响，故可在昼夜进行测量。 2 2不必设光源不必设光源 由于待测对象发射出红外线，故不必设光由于待测对象发射出红外线，故不必设光源。源。 3 3适用于遥感技术适用于遥感技术 大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少少(2(22.6m2.6m，3 35m5m，8 814m14m三个波段称为三个波段称为“大气窗口大气窗口”)”)，故适用于遥感技术。，故适用于遥感技术。581.1.红外线辐射温度计：红外线辐射温度计： 红外辐射温度计既可用于高温测量，红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从度计的温度范围可以从-30-3030003000，中，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。择适合的型号。59红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光仅激光仅 用于瞄准用于瞄准60红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度计红外线辐射温度计用于食品温度测量用于食品温度测量61红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪62红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量63 红外线辐射温度计在非接触温度红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食）642.2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用热释电传感器在人体检测、报警中的应用 1.1.热释电效应热释电效应 若使某些强介电质物质的表面温度发若使某些强介电质物质的表面温度发生变化，在这些物质表面上就会产生电荷生变化，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为的变化，这种现象称为热释电效应热释电效应，是热，是热电效应的一种。具有这种效应的介质制成电效应的一种。具有这种效应的介质制成的元件称为的元件称为热释电元件热释电元件。 这种现象在钛酸钡之类的强介电质物这种现象在钛酸钡之类的强介电质物质材料上表现得特别显著。质材料上表现得特别显著。 热释电效应产生的电荷不是永存的，热释电效应产生的电荷不是永存的，很快便被空气中的各种离子所结合。很快便被空气中的各种离子所结合。 65热释电元件在红外线检测中得到广泛的热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。控制等。 热释电元件外形热释电元件外形66热释电传感器简介热释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等的活动等等 您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的新产品或自动化控制装置。秀的新产品或自动化控制装置。67PZT即热释电元件锆钛酸铅68热释电传感器的内部电路热释电传感器的内部电路两块反向两块反向串联的热串联的热释电晶片释电晶片场效应管场效应管69热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理热释电晶片表面必须罩上一块由一组平热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中透镜的监视视野范围中运动运动时，顺次地进入时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是电元件前面，它是“视而不见视而不见”的。的。 70菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片热释电晶片物体或人体移动的速度越快，灵敏度就越高。物体或人体移动的速度越快，灵敏度就越高。71菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外形传感器不加菲涅尔传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离透镜时，其检测距离小于小于2m，而加上该透，而加上该透镜后，其检测距离可镜后，其检测距离可增加增加3倍以上。倍以上。72热释电报警器热释电报警器菲涅尔透镜菲涅尔透镜设定按钮设定按钮高分贝喇叭高分贝喇叭73热释电报警器（续）热释电报警器（续）菲涅尔透镜菲涅尔透镜5mm接插件接插件74热释电报警器（续）热释电报警器（续）吸顶式吸顶式热释电报警器热释电报警器75热释电传感器应用热释电传感器应用热释电传热释电传感器用于自动感器用于自动亮灯，当然也亮灯，当然也可以用于防盗可以用于防盗热释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围76热释电感应灯热释电感应灯热释电热释电传感器传感器77自动感应灯自动感应灯（参考施特朗公司资料）（参考施特朗公司资料）78热释电传感器在智能空调中的应用热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测智能空调能检测出屋内是否有人，微出屋内是否有人，微处理器据此自动调节处理器据此自动调节空调的出风量，以达空调的出风量，以达到节能的目的。到节能的目的。空调中，热释电传感器的菲涅尔空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。是静止着还是走动着。上上下下范范围围左右范围左右范围79二、被测物吸收光通量的应用实例二、被测物吸收光通量的应用实例 光电式浊度计和光电式浊度计和含沙量测量含沙量测量将装有浊水的试管将装有浊水的试管插入仪器中插入仪器中80光电式浊度计工作原理光电式浊度计工作原理 1 1恒流源恒流源 2 2半导体激光器半导体激光器 3 3半反半透镜半反半透镜 44反射镜反射镜 5 5被测水样被测水样 6 6、99光电池光电池 7 7、1010电流电流/ /电压转换器电压转换器 8 8标准水样标准水样 参比通道参比通道812.2.烟雾报警器外形烟雾报警器外形 （参考（参考南京千里通公司南京千里通公司 无线无线烟雾报警器烟雾报警器资料）资料） 无烟雾时，光敏无烟雾时，光敏元件接收到元件接收到LED发射发射的恒定红外光。而在的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，经阀值判断电路后，发出报警信号。发出报警信号。 烟雾烟雾报警报警82无线无线烟雾报警器内部结构烟雾报警器内部结构 可发出高分贝可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器笛鸣声的蜂鸣器83无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作微安，报警发射时工作电流为电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的分贝的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。信息传递出去。无线发射器的报警距离在空旷地可无线发射器的报警距离在空旷地可以达到以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到20米。米。84三、被测物体反射光通量的应用实例三、被测物体反射光通量的应用实例1.反射式反射式 烟雾报警器烟雾报警器 在没有烟雾在没有烟雾时，由于红外对时，由于红外对管相互垂直，烟管相互垂直，烟雾室内又涂有黑雾室内又涂有黑色吸光材料，所色吸光材料，所以红外以红外LED发出发出的红外光无法到的红外光无法到达红外光敏三极达红外光敏三极管。管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。光电流输出。852.2.光电式转速表外形光电式转速表外形 光电式转速表属于光电式转速表属于反射式光电传感器，它反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转米外非接触地测量其转速，动态特性好，可用速，动态特性好，可用于高转速的测量而又不于高转速的测量而又不干扰被测物的转动。干扰被测物的转动。 86n =60(f /z ) 转速表前端发出的红色激光照射在旋转物上，光线经黏贴在连轴器上的反光纸反射回来，旋转物每转一圈，转速表中的光敏接收器就产生一个脉冲信号。在1s的时间间隔内输出的脉冲数就反映了旋转物体的每秒转数，再乘以60后由数码显示器显示出每分钟的转数，即转速。873.3.色彩传感器色彩传感器色饱和图色饱和图色彩传感器常用于检测色彩传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较它是通过与非色标区相比较来实现色彩检测，而不是直来实现色彩检测，而不是直接测量颜色。接测量颜色。人眼对各色光的敏感程度人眼对各色光的敏感程度88色彩传感器的用途色彩传感器的用途现代化工业生产中，颜色检测和颜现代化工业生产中，颜色检测和颜色识别等的应用越来越多。例如，在包色识别等的应用越来越多。例如，在包装生产中机器要确定哪种产品放在什么装生产中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、如何保证产品的正面朝颜色的包装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗口等等。向包装盒的玻璃纸窗口等等。89色彩传感器外形（续）色彩传感器外形（续）90色彩传感器色彩传感器 色彩传感器的工作原理是光生伏特效光生伏特效应应，其输出是与分解后的三路光信号成正比的电流信号Ir、Ig、Ib，它们分别经I/U转换器转换为电压信号，由计算机根据色度学原理，计算出被测物的颜色参数。91色彩传感器在流水线上检测产品的颜色色彩传感器在流水线上检测产品的颜色92产品包装色彩检测、分选产品包装色彩检测、分选934.光电自动门光电自动门自动门光电传感器自动门光电传感器放大图放大图有效检测区域有效检测区域94四、被测物遮蔽光通量的应用实例四、被测物遮蔽光通量的应用实例1.光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测器 光电传感器光电传感器 带材走偏带材走偏时，边缘经常时，边缘经常与传送机械发与传送机械发生碰撞，易出生碰撞，易出现卷边，造成现卷边，造成废品。废品。 当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。材跑偏的方向及大小。 95光电式带材跑偏光电式带材跑偏检测控制器原理检测控制器原理1被测带材被测带材2卷取电机卷取电机3卷取辊卷取辊4液压缸液压缸5活塞活塞6滑台滑台7光电检测装置光电检测装置8光源光源9、10透镜透镜11-光敏电阻光敏电阻R112遮光罩遮光罩 96带材纠偏系统带材纠偏系统97光纤传感器光纤传感器光纤传感器抗电磁干扰能力强；灵敏度光纤传感器抗电磁干扰能力强；灵敏度较高；安全；灵巧轻便；使用方便较高；安全；灵巧轻便；使用方便98光纤传感元件光纤传感元件 光导纤维光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃是用比头发丝还细的石英玻璃制成的，每根光纤由圆柱形的内芯和包层制成的，每根光纤由圆柱形的内芯和包层组成。组成。内芯的折射率略大于包层的折射率内芯的折射率略大于包层的折射率。 光是直线传播的。然而入射到光纤光是直线传播的。然而入射到光纤中的光线却能限制在光纤中，而且随着光中的光线却能限制在光纤中，而且随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传送到很纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传送到很远的地方去。远的地方去。 光纤的直径比光的波长大很多，它光纤的直径比光的波长大很多，它工作的基础是光的全内反射。工作的基础是光的全内反射。 99光导纤维中光的传输特性光导纤维中光的传输特性100光纤传感器结构光纤传感器结构101光纤液位传感器 102结构特点：光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空气中没接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。光电接收器的要求不高。由于同种溶液在不同浓度时的折射率不同，经标定，这种液位传感器也可作浓度计。光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠物质。103第四节第四节 光电开关及光电断续器光电开关及光电断续器 从原理上讲，光电开关及光电断续器没有从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。的检测距离可达几米至几十米。 104一、光电开关一、光电开关n光电开关光电开关是一种利用感光元件对变是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出控制，从而获得最终的控制输出“开开”、 “关关”信号的器件。信号的器件。 n光电开关的特点是小型、高速、非光电开关的特点是小型、高速、非接触。接触。105二、光电开关的结构和分类二、光电开关的结构和分类 光电开关可分为遮断型和反射型两大光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。收不到红外线而产生一个负脉冲信号。 遮断型光电开关的检测距离一般可达十几遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。米，对所有能遮断光线的物体均可检测。 106光电开关外形光电开关外形107遮断型光电开关示意图遮断型光电开关示意图遮断报警遮断报警108遮断式光电开关原理遮断式光电开关原理ObjectReceiver 遮遮断断式式光光电电开开关关由由相相互互分分离离且且相相对对安安装装的的光光发发射射器器和和光光接接受受器器组组成成。当当被被检检测测物物体体位位于于发发射射器器和和接接受受器器之之间间时时，光光线线被被阻阻断断，接接受受器器接接受受不不到到红红外外线线而而产产生开关信号。生开关信号。被检测物体光发射器光接收器109光电开关在光电开关在 流水线上的应用流水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口遮断式光电开关遮断式光电开关（计数）（计数）110光幕光幕 两个柱两个柱形结构相对形结构相对而立，每隔而立，每隔数十毫米安数十毫米安装一对发光装一对发光二极管和光二极管和光敏接收管，敏接收管，形成光幕，形成光幕，当有物体遮当有物体遮挡住光线时，挡住光线时，传感器发出传感器发出报警信号。报警信号。接收器接收器111 光幕应用光幕应用 当有物当有物体遮挡住光体遮挡住光线时，传感线时，传感器发出报警器发出报警信号，起保信号，起保护、预警等护、预警等作用。作用。光线被遮断（报警）光线被遮断（报警）112 光幕应用（续）光幕应用（续）产品高度测量产品高度测量113 光幕应用（续）光幕应用（续）三维尺寸三维尺寸检测检测宽度宽度测测量量长度长度测测量量高度高度测测量量114 光幕应用（续）光幕应用（续）木材外形截面积检测木材外形截面积检测115光幕应用（续）光幕应用（续）纠偏纠偏光光幕幕可可检检测测出出带带材材在在卷卷曲曲过过程程中中的的偏偏移移，经经控控制制器器和和执执行行机机构构使使带带材材向向正正确确的的方方向向运运动动（纠偏）。（纠偏）。116 光幕应用（续）光幕应用（续）光幕用于光幕用于 自动收费系统的自动收费系统的车辆检测车辆检测117 光幕应用（续）光幕应用（续）锻压机床的锻压机床的 安全区域设置安全区域设置 及入侵报警及入侵报警118 光幕应用（续）光幕应用（续）安全区示警安全区示警119反射型光电开关反射型光电开关 反射型光电开关分为两种情况：反反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。型）。 反射镜反射型光电开关采用较为方便反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。光）反射回去，提高抗干扰能力。 120定区域反射式光电开关原理定区域反射式光电开关原理 定定区区域域式式光光电电开开关关有有一一个个非非常常确确定定的的检检测测区区域域，不不经经过过该该区区域域的的被被测测物物体体不不会会引引起起光光电电开开关关产产生生开关信号。开关信号。检测距离检测距离121反射型光电开关及反射镜外形反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜三角反射镜集发射、接收器于集发射、接收器于一身一身122反射镜反射镜反射型反射型光电开关光电开关工作原理工作原理 反射镜反射镜反射型反射型光电开光电开关集光发射器和光接受器关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏接受反射镜反射回来的偏振光。振光。反射板反射镜反射镜被测物体偏振光偏振光发射光发射光123调制型光电开关原理调制型光电开关原理 光电开关的光电开关的LED多采用中频（多采用中频（40kHz左右）窄脉左右）窄脉冲电流驱动，从而发射冲电流驱动，从而发射40kHz调制光脉冲。相应地，调制光脉冲。相应地，接收光电元件的输出信号经接收光电元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及选频交流放大器及专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，又可减小发射灯的干扰，又可减小发射LED的功耗。的功耗。 124被测物漫反射型光电开关原理被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线 漫漫反反射射型型光光电电开开关关集集光光发发射射器器和和光光接接受受器器于于一一体体。当当被被测测物物体体经经过过该该光光电电开开关关时时，发发射射器器发发出出的的光光线线经经被被测测物物体体表表面面反反射射由由接接受受器器接接受受，于于是是产产生生开关信号。开关信号。额定距离额定距离125漫反射型漫反射型光电开关的应用光电开关的应用请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备126反射型光电开关外形反射型光电开关外形电源电源指示指示信号信号指示指示127反射型光电开关外形反射型光电开关外形（续）（续）灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器128表面反射率表面反射率 对于漫反射式光电开关发出的光线需对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回接收要被检测物表面将足够的光线反射回接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度，被检测物体的表面还应尽量垂直于强度，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。光电开关的发射光线。129光电开关应用（续）光电开关应用（续）透明度测量、控制透明度测量、控制质量检测质量检测130 光电开关应用（续）光电开关应用（续）加工控制加工控制131 光电开关应用（续）光电开关应用（续）机械手定位机械手定位132二、二、光电断续器光电断续器 光电断续器可分为遮断型和反射型两种。光电断续器可分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的是标准的U字型结构。其发射器和接收器做在字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过U U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测。较适合高速检测。133光电断续器外形光电断续器外形134光电断续器外形（续）光电断续器外形（续）红色红色光柱光柱135 齿齿盘盘每每转转过过一一个个齿齿，光光电电断断续续器器就就输输出出一一个个脉脉冲冲。通通过过脉脉冲冲频频率率的的测测量量或或脉脉冲冲计计数数，即即可可获获得得齿齿盘盘转转速速和和角位移。角位移。光电断续器的应用光电断续器的应用设齿盘的齿数为设齿盘的齿数为m，请写出转，请写出转速速n与脉冲频率与脉冲频率f的关系式？的关系式？n136 当当 工工 件件经经过过光光电电断断续续器器时时，接接收收器器即即产产生生一一个个计计数数脉脉冲。冲。光电断续器的应用（续）光电断续器的应用（续）137反射式反射式光电断续器光电断续器 光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。光电断续器的发光化设备、办公设备和家用电器中。光电断续器的发光二极管可以直接用直流电驱动，亦可用二极管可以直接用直流电驱动，亦可用40kHz40kHz尖脉冲电尖脉冲电流驱动；红外流驱动；红外LEDLED的正向压降约为的正向压降约为1.11.11.3V1.3V，驱动电流，驱动电流控制在控制在20mA20mA以内。以内。 138光电传感器的其他用途（续）光电传感器的其他用途（续）断裂检测断裂检测电梯自动运行电梯自动运行条件判断条件判断139