光電式傳感器

1、光電式傳感器,光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。,一、光電式傳感器的工作基礎(chǔ)：光電效應(yīng),,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(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。,二、分類：分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng).,1、外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，,基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、

2、光電倍增管、光電攝像管等。,這一類元件屬于玻璃真空管元件,1）紫外管外形,當(dāng)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(fā)射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。,紫外線,光電管的結(jié)構(gòu)示意圖,,,,,,,,,,,,,光,陽極,光電陰極,,,,光窗,,,,,在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。 此時若光

3、強增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。,光電管,2）光電倍增管,1、組成：光電陰極+若干倍增極+陽極2、光電倍增管：放大光電流.3、在入射光極為微弱時，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小。,2、內(nèi)光電效應(yīng)：在光線的作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。,這一類元件屬于半導(dǎo)體元件。,光敏電阻,當(dāng)光敏電阻受到光照時，

4、 阻值減小。,符號：,RG,梳狀電極,半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層。 光敏電阻的電極一般采用梳狀，提高了光敏電阻的靈敏度。,靈敏度高，光譜特性好，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定,光敏電阻有以下優(yōu)點： 1.光譜響應(yīng)相當(dāng)寬。 2.所測的光強范圍寬，即可對強光響應(yīng)，也可對弱光響應(yīng)。 3.無極性之分，使用方便，成本低，壽命長。 4.靈敏度高，工作電流大，

5、可達數(shù)毫安。 光敏電阻的不足之處： 強光照射下線性較差，頻率特性也較差。,,光敏電阻演示,當(dāng)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）,,光敏電阻是一種光電效應(yīng)半導(dǎo)體器件，應(yīng)用于光存在與否的感應(yīng)（數(shù)字量）以及光強度的測量（模擬量）等領(lǐng)域。,光敏電阻的主要特性參數(shù),1．暗電阻、亮電阻和光電流 暗電阻：光敏電阻在室條件下，無光照時具有的電阻值，稱為暗電阻(>1MΩ）

6、。此時流過的電流稱為暗電流。 亮電阻：光敏電阻在一定光照下所具有的電阻稱其為在該光照下的亮電阻（<1kΩ）。此時流過的電流稱為亮電流。 光電流=亮電流?暗電流。,2．伏安特性 在一定光照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與其光電流之的關(guān)系，成為伏安特性。圖是CdS光敏電阻的伏安特性曲線。它是線性電阻，服從歐姆定律，但不同照度下具有不同的斜率。注意光敏電阻的功耗，使用時保持適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉凸ぷ麟娏鳌?圖 CdS光敏

7、電阻的伏安特性,3．光照特性 在一定的偏壓下，光敏電阻的光電流與照射光強之間的關(guān)系，稱為光敏電阻的光照特性。圖示出CdS光敏電阻的光照特性曲線，呈非線性，故其不宜作測量元件，一般在自動控制系統(tǒng)中作開關(guān)式光電信號傳感元件。,4．光譜特性 光譜特性表征光敏電阻對不同波長的光其靈敏度不同的性質(zhì)。光敏電阻的光譜特性如圖所示。,5．溫度特性在光照一定的條件下，光敏電阻的阻值隨溫度的升高而下降，即溫度特性，用溫度系數(shù)?來表示。式

8、中，R1—在一定光照下，溫度為T1時的阻值；R2—在一定光照下，溫度為T2時的阻值。,圖 CdS光敏電阻的溫度特性曲線（光照一定）,溫度不僅影響光敏電阻的靈敏度，而且還影響其光譜特性，溫度升高，光譜特性向短波方向移動，如圖所示。,CdS光敏電阻作電子測光元件。光線從孔板照射在CdS光敏電阻上，移動密度板，使電路達到平衡，兩個LED發(fā)光二極管發(fā)光均勻，表示適曝。如只有其中一只亮而另一只不亮，則表示欠曝或過曝，這時移動密度板，可達

9、到正確曝光的目的。電路中的熱敏電阻RM(1kΩ)起溫度補償作用，以補償光敏電阻的溫度變化而引起的誤差。,,,光敏二極管,將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。,紅外發(fā)射、接收對管外形,紅外發(fā)射管,,紅外接收管,,光敏二極管的符號及電路,反向偏置狀態(tài),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(dāng)于

10、普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。,光敏二極管應(yīng)用電路a)亮通電路 b)暗通電路,,,分析：有光照時，光敏二極管導(dǎo)通---V1導(dǎo)通---V2導(dǎo)通---K得電，觸點動作；無光照時，光敏二極管截止---V1截止---V2截止---K失電，觸點復(fù)位。,亮通或光通,光敏二極管的反向偏置接線,在沒有光照時，由于二極管反向

11、偏置，反向電流（暗電流）很小。,當(dāng)光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。,,,光敏二極管的反向偏置接法,,,,,UO,+,—,光照,光敏三極管外形,,光敏三極管模型及電路,只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上，有光照時反向?qū)ā?光敏三極管在電路中與普通三極管接法相同，管基極開路，集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。,光電式傳感器的應(yīng)用 ——在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅?,軟盤中有一個寫保護的開關(guān)，

12、這個開關(guān)有什么作用呢？它的工作原理又是怎樣的呢？顧名思義，它是防止向軟盤寫入數(shù)據(jù)的裝置。軟驅(qū)上的寫保護檢測裝置，可分為微動開關(guān)型和光電傳感器型兩種，下面我們以光電傳感器型為例說明其工作原理。光電傳感器型寫保護檢測裝置由一個發(fā)光二極管及光敏三極管所組成，軟盤插入軟驅(qū)后，其寫保護缺口正好位于二極管與三極管之間，如果寫保護打開，即露出小孔，則從發(fā)光二極管發(fā)射出的檢測光照射到光敏三極管上；光敏三極管產(chǎn)生寫保護信號。否則就沒有寫保護信號，該盤片

13、可隨意寫入新數(shù)據(jù)。,紅外線紙張監(jiān)控器,高,有光照,低,低,,失電,,RC環(huán)形振蕩器不工作,單張紙，透光強,光電池外形,,光敏面,其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用,柔光罩下面為圓形光電池,,,,,例：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器,它由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出的光通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上，光敏元件將其轉(zhuǎn)為電信號輸出。通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得被測轉(zhuǎn)速

14、 n=60f/Nn—轉(zhuǎn)速； f—脈沖頻率； N—圓盤孔數(shù)。,,測速也可以采用反射式：只要用白紙畫上黑道的圓紙貼在旋轉(zhuǎn)體上即可。其測量電路與透射式相同,例：光電液位檢測在液體未升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線不會被光電三極管接收；當(dāng)液位上升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時，出于液體的折射，光電三極管接收到紅外信號由此獲得液位信號。,例：感煙傳感器(火災(zāi)報警器的一部分) 由紅外發(fā)光二極管及光電三極管組成，

15、但二者不在同一平面上(有一定角度)。在無煙狀態(tài)時，光電三極管接收不到紅外線； 當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，產(chǎn)生大量煙霧，煙霧粒子進入感煙傳感器時，由于紅外線受煙霧粒于折射作用，光電三極管接收到紅外線，給出煙霧報警信號。,光電開關(guān) 光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收， 并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、 “關(guān)”信號的器件。  圖1為典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖(

16、a)是一種透射式的光電開關(guān)， 它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。 當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時， 會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣就起到了檢測作用。 圖(b)是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時則接收不到。光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，而且與TTL、 MOS等電路容易結(jié)

17、合。,圖1 光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)(a) 透射式； (b) 反射式,光電開關(guān)外形,,遮斷式光電開關(guān)原理,,,遮斷式光電開關(guān)由相互分離且相對安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測物體位于發(fā)射器和接受器之間時，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關(guān)信號。,,被檢測物體,光發(fā)射器,光接收器,齒盤每轉(zhuǎn)過一個齒，光電斷續(xù)器就輸出一個脈沖。通過脈沖頻率的測量或脈沖計數(shù)，即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移。,光電斷續(xù)器的應(yīng)用,,請寫出轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式,n=

18、 ？,n,例：防盜報警電路 將光電斷路器安裝于抽屜的背后，并設(shè)一電源開關(guān)于隱蔽的地方，當(dāng)需要防盜時將開關(guān)合上。平時由于擋板插入槽口，光電三極管僅有暗電流，BG不導(dǎo)通，繼電器J不吸合。當(dāng)小偷撬開抽屜時，一拉開抽屜則擋板離開槽口，光電三極管的光電流使R2上產(chǎn)生接近電源的電壓，BG導(dǎo)通，繼電器吸合，發(fā)出報警信號。,這種裝置同樣可以安裝在門窗上起防盜報警作用。,反射型光電開關(guān)及反射鏡外形,三角反射鏡,,,集發(fā)射、接收器于一身,,例：條

19、形碼掃描筆,漫反射型光電開關(guān)的應(yīng)用,,,例：注油液位控制裝置,,線型探測器,主動式紅外報警探測器,拆去外殼后的發(fā)射機,拆去外殼后的接收機,,面型探測器,返回,玻璃破碎探測器,雙鑒探測器,紅外/微波探測器,1.按探測原理不同或應(yīng)用的傳感器不同來分 可分為開關(guān)式探測器、被動紅外式探測器、主動紅外式探測器、雷達式微波探測器、超聲波探測器、聲控探測器、振動探測器等。2.按工作方式來分主動式被動式3.按探測器的警戒范圍來分

20、 點控制型 線控制型 面控制型 空間控制型,入侵探測器的種類,主動紅外探測器,（一）、主動紅外探測器的原理 當(dāng)被探測目標(biāo) 遮擋 紅外發(fā)射器和接收器之間的紅外光束時，探測器有響應(yīng)，并報警。遮光的最短時間就是40ms,報警：,TX,RX,,,太短目的性不明顯且易誤報，太長易漏報；考慮人的最快移動速度；通常：遮光時間在50～500毫秒間可調(diào)應(yīng)用：構(gòu)成電子欄桿警戒時，應(yīng)將遮光時間調(diào)短，用在圍墻上或圍墻

21、內(nèi)側(cè)警戒時，應(yīng)將遮光時間調(diào)長,最大射束距離應(yīng)是制造廠規(guī)定的探測距離要留有余量。（幾米～幾百米）黑夜和白天的背景光強度相差大自然環(huán)境如霧等，能縮短探測距離,探測距離：,發(fā)散角： 為了減少誤報警，安裝使用中應(yīng)讓發(fā)射器與接收器軸線重合 ；同時安裝對準(zhǔn)容易。,三、安裝注意事項發(fā)射器與接收器之間的紅外光束要對準(zhǔn)，否則較強烈的振動或是風(fēng)速較大時可能引起系統(tǒng)的誤報警 在反光表面（如光滑的墻壁或地板）附近安