【正文】 檢 測 技 術(shù) 電子與信息工程學(xué)院 主講人： xxx 檢測技術(shù) 第 9章 光電式傳感器 概述 光電效應(yīng)與光電器件 CCD固體圖像傳感器 光纖傳感器 光電式編碼器 習(xí)題 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 第 9章 光電式傳感器 工作原理演示 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) ? 光電傳感器是將被測量的變化通過光信號變化轉(zhuǎn)換成電信號，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。在計算機、自動檢測、控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。 ?光敏器件種類很多， 如： 光電管、 光敏二極管、 光電倍增管、 光敏三極管、 光敏電阻、 光電池、 光電耦合器、 光纖等等。 光信號 光電傳感器 電信號 概述 概述 通常按工作原理分為 4類 : — 光電效應(yīng)傳感器 — 紅外熱釋電探測器 — 固體圖像傳感器 — 光纖傳感器 光電傳感器的分類 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 概述 光電效應(yīng)傳感器 是應(yīng)用光敏材料的光電效應(yīng)制成的光敏器件。光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢等，這些因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)按原理又分為以下 2種： (1) 外光電效應(yīng) ：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，在回路中形成光電流的現(xiàn)象。 (2) 內(nèi)光電效應(yīng) ： 光電導(dǎo)效應(yīng) :在光照作用下，物體導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象 。光生伏特效應(yīng) ：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象 . 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 被測物吸收光通量的應(yīng)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 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 煙霧報警器 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(zāi)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 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 定區(qū)域式光電開關(guān) 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(guān)（計數(shù)） 光電開關(guān)在流水線上的應(yīng)用 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光幕應(yīng)用 三維尺寸檢測 寬度測量 長度測量 高度測量 概述 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 紅外熱釋電探測器 主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時引起材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動勢原理制成的一類器件。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應(yīng)用 熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應(yīng)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 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 集成 IC 溫度測量 紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用 耳溫儀 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 固體圖像傳感器 結(jié)構(gòu)上分為兩大類，一類是用 CCD電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成 CCD圖像傳感器，一類是用光敏二極管與 MOS晶體管構(gòu)成的將光信號變成電荷或電流信號的MOS金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器。 概述 光纖傳感器 它利用發(fā)光管（ LED）或激光管（ LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測對象，被檢測信號調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)后變成電信號。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光纖溫度報警器 概述 光電傳感器的基本形式 由 光路 及 電路 兩大部分組成 :光路部分 實現(xiàn)被測信號對光量的控制和調(diào)制 。電路部分 完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換 . 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 1）由被測量控制光電變換器處于“通”或“斷”兩種狀態(tài)，如光電式轉(zhuǎn)速表、光電繼電器、光電計數(shù)器、光電開關(guān)、目標探測等。 2）光電變換器輸出光電流是輸入光通量的函數(shù)，如光電位移計、測振計、照度計、光電探測器等。 按其輸出量的性質(zhì)可分為 脈沖式光電傳感器 和 模擬式光電傳感器 。 概述 光電傳感器的基本形式 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 脈沖光電傳感器： 將被測量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的光電流，光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài) ,也就是“ 通 ”、“ 斷 ”的開關(guān)狀態(tài) ,所以也稱為光電元件的開關(guān)運用狀態(tài)。 這類傳感器要求光電元件靈敏度高 ,而對光電特性的線性要求不高。 主要用于零件或產(chǎn)品的 自動計數(shù) 、 光控開關(guān) 、計算機的光電輸入設(shè)備 、 光電編碼器 及 光電報警裝置 等方面。 概述 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 概述 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 模擬式光電傳感器 ：將被測量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的光電流。 根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)。如測量液體、氣體的透明度、混濁度 ,對氣體進行成分分析 ,測定液體中某種物質(zhì)的含量等。 根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例如測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。 概述 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮去其一部分 ,使作用在光電元件上的光通量減弱 ,減弱的程度與被測物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。利用這一原理可以測量長度、厚度、線位移、角位移、振動等。 被測物體本身就是輻射源，直接照射在光電元件上，也可以經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件上。光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。 概述 光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干擾能力強（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實現(xiàn)非接觸式測量等特點 可以直接檢測光信號，間接測量溫度、壓力、位移、速度、加速度等 其發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍廣，具有很大的應(yīng)用潛力 . 光電傳感器的特點 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 E h v??2012kE m v h v A? ? ? ?? 光電效應(yīng)方程 ? 光子是具有能量的粒子，每個光子的能量可表示為 h—普朗克常數(shù)： h= 1034 JS v—光的頻率 m—電子的質(zhì)量 v—電子逸出初始速度 A0 —表面逸出功 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 愛因斯坦光 電效應(yīng)方程 光電效應(yīng)與光電器件 可以根據(jù)光電效應(yīng)制成光電器件 — 光電器件 是將 光能轉(zhuǎn)變?yōu)?電能 的一種傳感器件。是構(gòu)成 光電式傳感器的主要部件 。 光電器件工件的物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)分為： 外光電效應(yīng) 、 內(nèi)光電效應(yīng) 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 外光電效應(yīng)型光電器件 當 光照射 到金屬或金屬氧化物的 光電材料 上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使 電子獲得足夠的能量 ，電子會 克服 正離子對它的 吸引力 ， 脫離材料 表面而進入外界空間，這種現(xiàn)象稱為 外光電效應(yīng) 。 即外光電效應(yīng)是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。 根據(jù) 外光電效應(yīng)做出 的光電器件有 光電管 和 光電倍增管 。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 光電管及其基本特性 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) RUI ?? 光強? 光電管是一個抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內(nèi)部有光陰極、陽極，光陰極涂有光敏材料，當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量 E大于電子的逸出功 A（ E＞ A），會有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻 R上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。 入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子與光強成正比 光電效應(yīng)與光電器件 光電管及其基本特性 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 主要用于：分光光度計、光電比色計等分析儀器和各種自動裝置 。 光電管的結(jié)構(gòu)示意圖 光 陽極 光電陰極 光窗 光電效應(yīng)與光電器件 光電管及其基本特性 光電管分為 真空光電管 和 充氣光電管 .充氣光電管 充填氬或氖氣，光電作用下使氣體電離，增大光電流。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 充氣光電管 穩(wěn)定性較差，溫度影響大，容易衰老。一般采用真空光電管。 隨著半導(dǎo)體器件發(fā)展，真空光電管逐漸被半導(dǎo)體器件代替。 光電管主要性能 : 伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時間、峰值探測率和溫度特性。 光電效應(yīng)與光電器件 μ AIVU（ a ） 真 空 光 電 管（ b ） 充 氣 光 電 管5 02 0μl m4 0μl m6 0μl m8 0μl m1 0 0μl m1 2 0μl m1 0 0 1 5 0 2 0 0024681 01 2VUμ AI（ 1）伏安特性 一定光照 條件下 陰極所加電壓 與 陽極 所產(chǎn)生的 電流 之間的關(guān)系。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 （ 2）光照特性 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時 ， 光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性 。 其特性曲線如圖所示。曲線 1表示 氧銫陰極 光電管的光照特性，光電流 I與光通量成線性關(guān)系。曲線 2為銻銫陰極 的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。 光電管的光照特性 25 50 75 100 2 0 Φ/1m IA/ μA 1 光電效應(yīng)與光電器件 （ 3）光譜特性 可 見 光 譜/ nm?/%I 不同光電陰極材料的光電管，對同一波長的光有不同的靈敏度；同一種陰極材料的光電管對于不同波長