1、傳感器原理與應(yīng)用,電子科技大學(xué)中山學(xué)院 2013,光電傳感器,光電傳感器,介紹光電效應(yīng)、光電元件的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、應(yīng)用電路，以及光電傳感器的四種類型的應(yīng)用實(shí)例。還簡單介紹了光輻射的基本知識(shí)。,1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf （或h）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)。,第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件,光電效應(yīng)的分類,第一類：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)的光電元件有光電管、光電倍增

2、管、光電攝像管等。 第二類：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)，也稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管及光敏晶閘管等。 第三類：在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。,1）外光電效應(yīng),a)光電管 b)外光電效應(yīng)示意,1陽極a 2陰極k 3石英玻璃外殼 4抽氣管蒂 5陽極引腳 6陰極引腳 7金屬表面 8光子 9光致發(fā)射電子,金屬板,“光電子”,愛因斯坦光電方程,式中 m電子質(zhì)量； W金屬光電陰極材料的逸出功； f入射光的頻率。 由于逸出功與材料的性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)材料選定后，要使金屬

3、表面有電子逸出，入射光的頻率f應(yīng)有一最低的限度值。當(dāng)hf小于W時(shí)，即使光通量很大，照射時(shí)間很長，也不可能有電子逸出，這個(gè)最低限度的頻率稱為紅限。,電子逸出金屬表面的速度v可由能量守恒定律確定：,電磁波頻譜（光是一種電磁波）,光電管電路及特性,金屬陽極a和陰極k封裝在一個(gè)石英玻璃殼內(nèi)。當(dāng)入射光照射在陰極板上時(shí),光子的能量傳遞給陰極表面的電子,當(dāng)電子獲得的能量足夠大時(shí),電子就可以克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面,形成電子發(fā)射。當(dāng)光電管陽極加上數(shù)十伏電壓時(shí),從陰極表面逸出的“光電子”被具有正電壓的陽極所吸引,在光電管中形成電流,簡稱為光電流,光電流I正比于光電子數(shù),而光電子數(shù)又正比于光照度。,1

4、 低照度時(shí)的曲線 2紫外線增強(qiáng)時(shí)的曲線,光電倍增管,外光電效應(yīng)的典型元器件還有光電倍增管。它的靈敏度比上述光電管高出幾萬倍以上，在星光下就可以產(chǎn)生可觀的電流，光通量在10-1410-6lm（流明）的很大變化區(qū)間里，其輸出電流均能保持線性。,因此光電倍增管可用于微光測量,如探測高能射線產(chǎn)生的輝光等。但由于光電倍增管是玻璃真空器件，體積大、易破碎,工作電壓高達(dá)上千伏,所以目前已逐漸被新型半導(dǎo)體光敏元件所取代。,微弱 光照,二、基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件,1光敏電阻 在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。 光敏電阻的圖形符號(hào)：

5、構(gòu)成光敏電阻的材料有： 金屬的硫化物(如CdS)、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，若光子能量hf大于該半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收光子能量后，躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子-空穴對(duì)的出現(xiàn)使電阻率變小。光照越強(qiáng)，光生電子-空穴對(duì)就越多，阻值就越低。入射光消失，電子-空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值。,光敏電阻外形及結(jié)構(gòu),當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)， 左右電極之間的阻值減小。,光敏電阻原理演示,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子-空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。,暗電流 （溫度升高，暗電增大）,光照產(chǎn)生的電流 稱為亮電流

6、,光敏電阻的特性和參數(shù),1）暗電阻：置于室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，通常大于1M。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點(diǎn)。 2）光電特性：在光敏電阻兩極電壓固定不變時(shí),光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特性(非線性嚴(yán)重),3）響應(yīng)時(shí)間：光敏電阻受光照后，光電流需要經(jīng)過一段時(shí)間（上升時(shí)間）才能達(dá)到其穩(wěn)定值。同樣，在停止光照后，光電流也需要經(jīng)過一段時(shí)間(下降時(shí)間)才能恢復(fù)到其暗電流值，（時(shí)延特性）。光敏電阻的上升響應(yīng)時(shí)間和下降響應(yīng)時(shí)間約為102103s，光敏電阻不能用在要求快速響應(yīng)的場合。,部分光敏電阻的特性參數(shù),二、光敏管,光

7、敏二極管、光敏晶體管、光敏晶閘管等統(tǒng)稱為光敏管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏晶體管的靈敏度比二極管高，但頻率特性較差，暗電流也較大。目前還研制出光敏晶閘管，它的導(dǎo)通電流比光敏晶體管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，因此輸出功率大，主要用于光耦合器（俗稱光電耦合器）中。,光敏二極管的結(jié)構(gòu),光敏二極管的PN結(jié)被設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射。,1負(fù)極引腳 2管芯 3外殼 4玻璃聚光鏡 5正極引腳 6N型襯底 7SiO2保護(hù)圈 8SiO2透明保護(hù)層 9鋁引出電極 10P型擴(kuò)散層 11耗盡層12金絲引出線,光敏二極管的工作原理,沒有光照時(shí)，由于二極管反 向偏置，所以反向電流很小

8、， 稱為暗電流，相當(dāng)于普通二 極管的反向飽和漏電流。 當(dāng)合適波長的光照射在光敏 二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層） 上時(shí)，原子中的電子吸收光子 的能量，變成自由光子。相應(yīng) 地，產(chǎn)生同樣數(shù)量的空穴。 光照增強(qiáng)，產(chǎn)生的電子-空穴 對(duì)數(shù)量也隨之增加，在外加的反 向電壓的作用下，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，從而產(chǎn)生 反向電流電流（稱為光電流），光電流與照度成正比。,部分光敏二極管特性參數(shù),.,光敏二極管實(shí)物照片,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(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。,透鏡,+,-,光敏二極管外形,光敏二極管伏安特性及紅外發(fā)射、接收對(duì)管,

9、紅外發(fā)射管,紅外接收管,光敏二極管的伏安特性,光敏二極管的反向偏置接法,在沒有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱為暗電流，相當(dāng)于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(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)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。,電路的輸出電壓Uo與光電流ID成正比，在一定范圍內(nèi)，與光照度E 成正比。,光敏晶體管,光敏晶體管又稱“光敏三極管”，它有兩個(gè)PN結(jié)。與普通晶體管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏晶體管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（C、E）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

10、,光敏晶體管的結(jié)構(gòu),a）管芯結(jié)構(gòu) b) 結(jié)構(gòu)簡化圖 c）光敏晶體管圖形符號(hào) 1N+襯底 2N型集電區(qū) 3透光SiO2保護(hù)圈 4集電結(jié)JC 5P型基區(qū) 6發(fā)射結(jié)JE 7N型發(fā)射區(qū),光敏三極管的外形 多數(shù)只有C、E兩個(gè)電極,C,E,B,C,E,硅光敏晶體管的伏安特性,光敏晶體管在不同照度下的伏安特性與一般晶體管在不同基極電流下的輸出特性相似。光敏晶體管的工作電壓一般應(yīng)大于3V。若在伏安特性曲線上作負(fù)載線，便可求得某光強(qiáng)下的輸出電壓UCE。,硅光敏晶體管的光譜特性,電磁波頻譜,硅光敏晶體管的光譜特性,電磁波頻譜,幾種光敏材料的光譜峰值波長,.,3DU光敏三極管特性參數(shù),光敏達(dá)林頓管,將光敏三極管與另

11、一個(gè)普通三極管制作在同一個(gè)管芯里，連接成復(fù)合管型式，稱為達(dá)林頓型光敏三極管。它的靈敏度更高（=12），且允許輸出較大的電流。但是達(dá)林頓光敏三極管的漏電（暗電流）也較大，頻響較差，溫漂也較大。,光敏達(dá)林頓三極管圖形符號(hào),達(dá)林頓型光耦合器 輸出電流可達(dá)50mA,光敏晶閘管,光敏晶閘管有三個(gè)引出電極，即陽極a、陰極k和門極g 。它的頂部有一個(gè)玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽極與負(fù)載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負(fù)極，門極可懸空。當(dāng)有一定照度的光信號(hào)通過玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時(shí),將產(chǎn)生門極電流,從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后,即使光照消失,光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。使陽極與陰極的電壓反向,

12、 或使負(fù)載電流小于其維持電流，晶閘管截止。 光敏晶閘管的特點(diǎn)是：,導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多,工作電壓可達(dá)近千伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動(dòng)檢測控制。,光敏晶閘管用于光控路燈電路,光敏面,光照小于設(shè)定值時(shí),VT1截止, VT2的門極電流Ig2增大,VT2導(dǎo)通,電燈HL亮。減小Rg, 門極電流被旁路,靈敏度降低。,光敏晶閘管多用于弱電控制強(qiáng)電的光耦電路,雙向過零觸發(fā)晶閘管光耦 MOC30系列,2020/10/5,36,單片機(jī)控制燈光或交流繼電器電路,.,三、基于光生伏特效應(yīng)的光電元件 光電池,在P型襯底上制造一很薄、透明的N型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，

13、PN結(jié)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子-空穴對(duì)， 光生 電子-空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢輸出，這就是光生伏特效應(yīng)。,太陽能電池的種類,非晶硅可撓式,光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖,.,光電池內(nèi)部載流子的漂移示意圖,入射光線,光電池外形,光敏面,1.硅光電池的圖形符號(hào)及等效電路,當(dāng)光電池短路時(shí)，相當(dāng)于電流源； 當(dāng)光電池開路時(shí)，相當(dāng)于電壓源；,E,2.硅光電池的主要特性,開路電壓Uoc：在一定光照下，硅光電池兩個(gè)輸出端開路時(shí)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢。短路電流ISc：在一定光照

14、下，硅光電池所接負(fù)載電阻為零時(shí)，流過硅光電池的電流。暗電流ID：在無光照的條件下，在硅光電池兩端施加額定反向電壓時(shí)所產(chǎn)生的電流。反向阻抗R:在無光照的條件下，在硅光電池兩端施加額定反向電壓時(shí)所呈現(xiàn)的阻抗。峰值波長o：響應(yīng)光譜轉(zhuǎn)換效率最大處的波長。上、下限波長1、2 ：響應(yīng)光譜中轉(zhuǎn)換峰值的50%處所對(duì)應(yīng)的上、下限波長。 最大反向電壓URM：使用硅光電池時(shí)所允許加的極限反向電壓(由串聯(lián)的其他電池產(chǎn)生)。 轉(zhuǎn)換效率：硅光電池輸出電能與輸入光能量的比值。,光譜特性：,硅光電池對(duì)近紅外敏感。硒光電池對(duì)可見光敏感。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步,硅光電池已具有從藍(lán)紫到近紅外的寬光譜特性。目前許多廠商已生產(chǎn)出峰值波長為

15、0.7m(可見光)的硅光電池,在紫光(0.4m)附近仍有4060%的相對(duì)靈敏度。,硒、硅、鍺光電池的光譜特性比較,光電池的光電特性,光電池的負(fù)載電阻不同，輸出電壓和電流也不同。開路電壓Uo與光照度的關(guān)系呈非線性，近似于對(duì)數(shù)關(guān)系，在2000lx照度以上就趨于飽和。負(fù)載電阻越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系就愈好。當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，光電流在很大范圍內(nèi)與照度成線性關(guān)系，當(dāng)希望光電池的輸出與光照度成正比時(shí).應(yīng)把光電池作為電流源來使用。,當(dāng)被測非電量是開關(guān)量時(shí)，也可以把光電池作為電壓源來使用。,開路電壓,對(duì)數(shù)特性,短路電流,能提供較大電流的大面積光電池外形（頻率特性很差）,光電池組件,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用,

16、太陽能賽車,太陽能電風(fēng)扇,太陽能 硅光電池板,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）,沙漠住宅太陽能供電,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）,嫦娥飛船上的光電池板,各種光電池,四象限探測器：完全對(duì)稱的4個(gè)光敏元件置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上。當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時(shí)，四個(gè)象限上探測器輸出的光電信號(hào)幅度不相同。常用于激光制導(dǎo)、跟蹤等。,第二節(jié) 光電元件的基本應(yīng)用電路,一、光敏電阻基本應(yīng)用電路 圖a中，當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻R很大，I在RL上的壓降Uo很小。隨著入射光增大，R減小，Uo隨之增大。圖中，入射光增大，Uo反而減小。,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,二、光敏二極管的應(yīng)用電路,光敏

17、二極管在應(yīng)用電路中必須反向偏置。利用施密特反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。,Ui=5V-URL=5V- IRL,例：用反相器來得到較大負(fù)載能力的電路見左下圖,光電特性見右下圖,RL=10k,求:74HC04的輸出穩(wěn)定地跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)的光照度閾值。,解：在VDD=5V時(shí),查74HC04的典型輸入低電平ViL=2.1V,典型輸入高電平ViH=2.4V。當(dāng)74HC04的輸入低于2.1V后，輸出才能穩(wěn)定地跳變?yōu)楦唠娖?4.9V),此時(shí)輸入回路流過RL的電流為： I=ViL/RL=(5-2.1)V/10k=0.29mA,查右上圖,得此時(shí)的光照度約為2900lx,約為陰天室外照度。,光敏晶

18、體管,光敏二極管,三、光敏晶體管應(yīng)用電路,a）射極輸出電路 b）集電極輸出電路,光敏晶體管的輸出狀態(tài)比較,例：光控繼電器電路如下圖,1)分析工作過程；2)若VCC=12V，中間繼電器KA的驅(qū)動(dòng)線圈阻值RKA=100，額定動(dòng)作電流為80mA。設(shè)V2的足夠大，求：在強(qiáng)光照時(shí)，流過中間繼電器KA的電流，以及繼電器的狀態(tài)。,晶體管V2截止的瞬間，有電流通過反向接法的“續(xù)流二極管”VD，減小了V2的對(duì)地過電壓。,解： 1）當(dāng)無光照時(shí)，V1截止，IB=0，V2也截止，繼電器KA處于失電（釋放）狀態(tài)。,當(dāng)有強(qiáng)光照時(shí)，V1產(chǎn)生較大的光電流I，I一部分流過下偏流電阻RB2（起穩(wěn)定工作點(diǎn)作用），另一部分流經(jīng)RB1

19、及V2的發(fā)射結(jié)。當(dāng)IBIBS(IBS=ICS/)時(shí)，V2飽和，產(chǎn)生較大的集電極飽和電流ICS（與IB基本無關(guān)），ICS=(VCC0.3V)/RKA。若ICS大于繼電器KA的額定動(dòng)作距離，則KA吸合。 思考： 若將V1與RB2的 位置上下對(duì)調(diào)， 其結(jié)果如何？,.,2）由于足夠大，在強(qiáng)光照時(shí)，I較大，流過V2集電極的電流與以及基極電流IB基本無關(guān)，ICES(12-0.3V)/0.1k=117mAKA的動(dòng)作電流（80mA），所以KA可靠動(dòng)作（吸合）。,3DU,1k,10k,12V,第三節(jié) 光電傳感器的應(yīng)用,a）被測物是光源 b）被測物吸收部分光 c）被測物是有反射能力的表面 d）被測物遮蔽部分光 1

20、被測物 2光電元件 3恒光源,光電傳感器的幾種應(yīng)用形式的演示,、光源本身是被測物的應(yīng)用實(shí)例 照度計(jì),光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學(xué)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(jì)（也稱勒克斯計(jì)）來測量。,光電池(外加柔光罩）,照度計(jì)的技術(shù)指標(biāo),照度計(jì)又稱勒克斯計(jì)是一種專門測量光度、亮度的儀器儀表,用于測量光照度(物體被照明的程度)，也即物體表面所得到的光通量與被照面積之比。照度計(jì)通常是由硒光電池或硅光電池和數(shù)字微安表電路、色彩補(bǔ)償、余弦補(bǔ)償、微處理器、三位半數(shù)字液晶顯示器等組成。 技術(shù)指標(biāo)： 示值切換范圍：1.99910n lx （n=15） 取樣率：2.5次/秒

21、操作環(huán)境：050 相對(duì)濕度70%RH,照度計(jì)中的補(bǔ)償器,1.受照面的亮度與光源的入射角度有關(guān)。當(dāng)光源入射角度不與柔光罩垂直時(shí)，必須進(jìn)行余弦補(bǔ)償。,斜向光照,2.光電池對(duì)不同顏色光的轉(zhuǎn)換效率不同，必須進(jìn)行顏色補(bǔ)償。光電池的峰值波長約為0.78微米。,紅外線輻射溫度計(jì)簡述,紅外線的波長在0.76100m之間，位于微波與紅光之間。任何物體，只要它的溫度比零下273度高，就無一例外地發(fā)射出紅外線。 紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度范圍可以從-303000，中間分成若干個(gè)不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號(hào)。可用于鐵路機(jī)車

22、軸溫檢測，冶金、化工、高壓輸變電設(shè)備、熱加工流水線表面溫度測量，但不適合測量表面亮麗的鋁、不銹鋼等物體的表面溫度。,紅外線輻射溫度計(jì)外形,激光僅 用于瞄準(zhǔn),紅外線輻射溫度計(jì)原理,紅外輻射測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)透鏡及儀器與被測物的距離確定。 紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照設(shè)計(jì)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后，顯示出被測目標(biāo)的溫度值。除此之外，還應(yīng)考慮目標(biāo)的黑度、測溫儀所在的環(huán)境條件，如氣溫、污染等因素對(duì)性能指標(biāo)的影響，并作適合的修正。,

23、紅外輻射溫度計(jì)原理（續(xù)）,測試時(shí)，按下手槍形測量儀的開關(guān)，將槍口射出的低功率紅色激光瞄準(zhǔn)到被測物中央部位，這樣，被測物發(fā)出的紅外輻射能量就能準(zhǔn)確地聚焦在紅外輻射溫度計(jì)“槍口”里面的光電池上。CPU根據(jù)距離、被測物表面黑度輻射系數(shù)、水蒸氣及粉塵吸收修正系數(shù)、環(huán)境溫度以及被測物輻射出來的紅外光強(qiáng)度等諸多參數(shù)，計(jì)算出被測物體的表面溫度。 當(dāng)被測物不是絕對(duì)黑體時(shí)，在相同溫度下，輻射能量將減小。比如十分光亮的物體只能發(fā)射或接收很少一部分光的輻射能量，因此必須根據(jù)預(yù)先標(biāo)定過的溫度，輸入光譜黑度修正系數(shù)（或稱發(fā)射本領(lǐng)系數(shù)）。測量時(shí)，必須保證被測物體的“熱像”充滿光電池的整個(gè)視場。因此與被測物距離不能太遠(yuǎn)。,

24、紅外輻射溫度計(jì)原理（續(xù)）,通常在光學(xué)系統(tǒng)前面加入濾光片，它只讓814m波長（12）的輻射紅外光通過,還能消除背景光。對(duì)于絕對(duì)黑體,光電池的輸出光電流I 可以表達(dá)為 式中： K靈敏度修正系數(shù)； ET黑體熱力學(xué)溫度為T 時(shí)的光譜輻射能量； D光學(xué)系統(tǒng)的光譜透射率； K光電池的光譜靈敏度。 由于與熱力學(xué)溫度有關(guān)，所以輸出的電流信號(hào)I與被測體表面溫度T 有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種檢測方法又稱為部分輻射光檢測法。,紅外輻射溫度計(jì)原理框圖,1槍形外殼 2紅色激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng) 3濾光片 4聚焦透鏡,紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸測量食物溫度中的應(yīng)用（續(xù)）,紅色激光僅用于瞄準(zhǔn)被測物,測量冷藏牛奶溫度,測量飯食溫度,紅外線輻

25、射溫度計(jì)非接觸測量管道的溫度,紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）,紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸體溫測量中的應(yīng)用,耳溫儀,紅外線輻射溫度計(jì)用于人體額溫快速測量,紅外線輻射溫度計(jì)測量電路板溫度,IC的溫度測量,紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸測量功率電路設(shè)備溫度中的應(yīng)用,用于高壓電路的安全測量,紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）,紅外線輻射溫度計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),裝修內(nèi)部的布線溫度升高可能引燃天花板,紅外線輻射溫度計(jì)非接觸測量鋼水的溫度,熱釋電傳感器在人體檢測、報(bào)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(yuǎn)紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動(dòng)門、自動(dòng)燈的控制

26、等。,熱釋電元件外形,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(dòng)物發(fā)射出的紅外線，而輸出電壓信號(hào)的傳感器?？梢杂糜跇堑雷詣?dòng)開關(guān)、防盜報(bào)警、人體檢測等。 例如：在房間無人時(shí)能自動(dòng)減小空調(diào)機(jī)的功率；能判斷無人觀看電視或觀眾已經(jīng)睡覺后自動(dòng)關(guān)機(jī)；有人活動(dòng)時(shí)開啟監(jiān)視器；自動(dòng)門鈴；攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)，以避免長時(shí)間空白畫面而浪費(fèi)計(jì)算機(jī)的硬盤空間。,熱釋電效應(yīng),某些電介質(zhì)如鋯鈦酸鉛（PZT，見第六章），表面溫度發(fā)生變化時(shí)，在電介質(zhì)的表面就會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，用具有熱釋電效應(yīng)的電介質(zhì)制成的元件稱為熱釋電元件。紅外熱釋電傳感器由濾光片、熱釋電紅外敏感元件，高輸入阻抗

27、放大器等組成。 制作熱釋電敏感元件時(shí)，先把熱釋電材料制成很小的薄片，在薄片兩側(cè)鍍上電極，把兩個(gè)極性相反的熱釋電敏感元件并排，再反向串聯(lián)。,紅外熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),a）外形 b）分體結(jié)構(gòu) c）內(nèi)部電氣接線圖 d)濾光片的光譜特性 1濾光片 2管帽 3左、右敏感元件 4放大器 5管座 6引腳 7高阻值電阻R,熱釋電傳感器的放大電路,兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片,場效應(yīng)管,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(gè)不大的視場角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動(dòng)時(shí)，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電單元將

28、輸出一串交變脈沖信號(hào)。當(dāng)然，如果人體靜止不動(dòng)地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。,菲涅爾透鏡,菲涅爾透鏡能將透鏡前面的一個(gè)物體，在其后面成像為水平方向的n個(gè)物體。 當(dāng)發(fā)光物體水平移動(dòng)時(shí)，能產(chǎn)生閃爍效果。,透鏡后面為熱釋電晶片,菲涅爾透鏡外形,傳感器不加菲涅爾透鏡時(shí)，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。,電路原理框圖及帶寬簡介,在正常行走速度下，由菲涅爾透鏡產(chǎn)生的光脈沖調(diào)制頻率約為6Hz左右；當(dāng)人體快速奔跑通過傳感器面前時(shí)，可能達(dá)到20Hz。再考慮到熒光燈、節(jié)能燈、LED燈的脈動(dòng)頻閃為100Hz，所以信號(hào)調(diào)理電路中的放大器帶寬不應(yīng)太寬,以0.120Hz為宜。帶寬窄

29、,則干擾小,誤判率低；帶寬大,噪聲電壓大,可能引起誤報(bào)警。低頻段對(duì)應(yīng)于慢速移動(dòng);展寬高頻段,有利于快速移動(dòng)響應(yīng)。現(xiàn)已將點(diǎn)畫線框中的所有電路集成到一片厚膜電路中。,熱釋電組件,熱釋電報(bào)警器,菲涅爾透鏡,設(shè)定按鈕,高分貝喇叭,熱釋電報(bào)警器（續(xù)）,菲涅爾透鏡, 5mm接插件,熱釋電報(bào)警器（續(xù)）,吸頂式 熱釋電報(bào)警器,熱釋電報(bào)警器（續(xù)）,無線報(bào)警式 熱釋電報(bào)警器,熱釋電傳感器應(yīng)用,熱釋電傳感器用于自動(dòng)亮燈，當(dāng)然也可以用于防盜。,熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍,熱釋電感應(yīng)燈,熱釋電傳感器,自動(dòng)感應(yīng)燈,熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用,智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，單片機(jī)據(jù)此自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。

30、,空調(diào)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(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動(dòng)著。,色標(biāo)傳感器,色飽和圖,色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色。,人眼對(duì)各色光的敏感程度,三基色合成,色彩傳感器的原理,白色光源照在物體上時(shí)，物體表面的反射光顏色將由物體的性質(zhì)決定。在許多場合，必須判定反射光的顏色，但由于人的生理和情感因數(shù)的影響，要對(duì)色彩做出準(zhǔn)確判斷以及定量描述是較困難的。用色彩傳感器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)色彩的測定，目前它在圖像處理和美工、紡織、印染、涂料、食品加工、農(nóng)作物生長和成熟判斷等方面得到應(yīng)用 。 現(xiàn)

31、代色度學(xué)是采用CIE（國際照明委員會(huì)）所規(guī)定的一套顏色測量原理及計(jì)算方法來確定顏色的。任何一個(gè)物體的顏色都可用紅、綠、藍(lán)（R、G、B）三原色的光功率譜的函數(shù)來表示。射入眼睛的光線刺激視網(wǎng)膜上對(duì)不同顏色有不同靈敏度的視覺細(xì)胞，并通過視神經(jīng)傳送到大腦，從而感覺到色彩。,色彩傳感器及信號(hào)處理示意圖,1紅、綠、藍(lán)濾色片 2玻璃基板 3-Si 4透明導(dǎo)電膜 5公共電極 6背面引出電極 7遮光保護(hù)樹脂 8電流/電壓轉(zhuǎn)換器,色彩傳感器的原理,無定型硅（-Si）制成的色彩傳感器能得到三色信號(hào)。在玻璃基板上按順序粘貼紅、綠、藍(lán)濾色鏡，分別與R、G、B三個(gè)輸出電極處于同一軸線上。-Si本身的光譜靈敏度與人眼十分接

32、近，峰值波長約為0.50.6m。當(dāng)光線透過紅、綠、藍(lán)濾光片后，就可以分別得到R、G、B三根光譜特性。,色標(biāo)傳感器的用途,色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色?？捎糜诎b、印刷、制藥、紡織、煙草等機(jī)械，以檢測色標(biāo)。還可用于彩色材料的定位、定長、分切、糾偏、計(jì)數(shù)等功能。,各種色標(biāo)傳感器外形,色標(biāo)傳感器能識(shí)別紅、綠、藍(lán)等顏色,色標(biāo)傳感器外形（續(xù)）,色標(biāo)傳感器在流水線上檢測產(chǎn)品的顏色,用多個(gè)色標(biāo)傳感器測量薄板的顏色,產(chǎn)品包裝色彩檢測、分選,二、被測物吸收部分光的應(yīng)用實(shí)例,光電式濁度計(jì)和 含沙量測量,將裝有濁水的試管插入儀器中,光電式濁度

33、計(jì)工作原理,1恒流源 2半導(dǎo)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(zhuǎn)換器 8標(biāo)準(zhǔn)水樣,參比通道（抵消外界影響）,光源發(fā)出的光線經(jīng)過半反半透鏡分成兩束強(qiáng)度相等的光線：一路光線穿過標(biāo)準(zhǔn)水樣8，到達(dá)光電池9，產(chǎn)生作為被測水樣濁度的參比信號(hào)；另一路光線穿過被測水樣品5到達(dá)光電池6，其中一部分光線被樣品介質(zhì)吸收，樣品水樣越混濁，光線衰減量越大，到達(dá)光電池6的光通量就越小。兩路光信號(hào)均轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Uo1、Uo2，由運(yùn)算器計(jì)算出Uo1、Uo2的比值，并進(jìn)一步算出被測水樣的濁度。參比通道目的：當(dāng)光源的光通量由于種種原因有所變化，或環(huán)境溫度變化引起光電池靈敏度發(fā)生改變時(shí)，

34、由于兩個(gè)通道的結(jié)構(gòu)完全一樣，所以在最后運(yùn)算： U o1/Uo2值（其值的范圍是01）時(shí)，上述誤差可自動(dòng)抵消，減小了測量誤差。類似結(jié)構(gòu)還可以制成光電比色計(jì)、血色素濃度測量、化學(xué)分析等。,光電式濁度計(jì)工作原理,三、被測物體反射光的應(yīng)用實(shí)例1 煙霧報(bào)警器,賓館等場所強(qiáng)制安裝火災(zāi)報(bào)警器 火災(zāi)發(fā)生時(shí)伴隨有光和熱的化學(xué)反應(yīng)。物質(zhì)在燃燒過程中一般有下列現(xiàn)象發(fā)生： （1）產(chǎn)生熱量：使環(huán)境溫度升高，可以用各種溫度傳感器來測量。但是在燃燒速度非常緩慢的情況下，火災(zāi)初期的環(huán)境溫度上升不易鑒別的。 （2）產(chǎn)生可燃性氣體：有機(jī)物在燃燒的初始階段,首先釋放出來的是可燃性氣體,如CO等?？梢杂脷饷魴z測。 （3）產(chǎn)生煙霧:煙

35、霧是人們?nèi)庋勰芤姷降奈⑿腋☆w粒。煙霧有很大的流動(dòng)性,可潛入煙霧傳感器中,是檢測比較有效的火災(zāi)的手段,可以用反射式光電傳感器檢測。 （4）產(chǎn)生火焰：可利用紫外管檢測,但需設(shè)計(jì)帶通濾波器,只讓檢測紫外線的抖動(dòng)信號(hào)通過,避開太陽光的照射.,反射式煙霧報(bào)警器原理示意圖,1紅外發(fā)光二極管 2煙霧檢測室 3透煙孔 4紅外光敏晶體管 5黑色吸光絨布 6煙霧,煙霧報(bào)警器外形,在沒有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅外光敏晶體管。 當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射，使部分紅外光到達(dá)光敏晶體管。,報(bào)警,無線煙霧報(bào)警器內(nèi)部結(jié)構(gòu),可發(fā)出

36、高分貝笛鳴聲的蜂鳴器,無線火災(zāi)煙霧傳感器,無線火災(zāi)煙霧傳感器可以固定在墻體或者天花板上。它內(nèi)部使用一節(jié)9伏層疊電池供電，工作在警戒狀態(tài)時(shí)，工作電流僅為15微安，報(bào)警發(fā)射時(shí)工作電流為20毫安。當(dāng)探測到初期明火或者煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)，傳感器的報(bào)警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的斷續(xù)報(bào)警聲，工作指示燈快速連續(xù)閃爍，無線發(fā)射器發(fā)出無線報(bào)警信號(hào)，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)，將報(bào)警信息傳遞出去。 無線發(fā)射器的報(bào)警距離在空曠地可以達(dá)到200米，在有阻擋的普通房間結(jié)構(gòu)中，可以達(dá)到20米。,反射式煙霧報(bào)警器演示,紅外LED的激勵(lì)電流用40kHz調(diào)制,所以紅外光敏晶體管接收到的光信號(hào)也是同頻率的調(diào)制光。,光敏晶體輸出40kHz電

37、信號(hào)，經(jīng)窄帶選頻放大器放大、檢波后成為直流電壓，再經(jīng)低放和閾值比較器輸出報(bào)警信號(hào)。室內(nèi)的燈光、太陽光即使泄露進(jìn)煙霧檢測室也無法通過40kHz選頻放大器。,反射式光電傳感器舉例2光電反射式轉(zhuǎn)速表,光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉(zhuǎn)速。,n =60( f /z ),n ：每分鐘轉(zhuǎn)速 f ：輸出脈沖頻率z ： 齒輪的齒數(shù),光電反射式轉(zhuǎn)速表的原理框圖,a）光路及工作原理框圖 b）各點(diǎn)波形 1光源（紅色LED） 2、6聚焦透鏡 3被測旋轉(zhuǎn)物 4反光紙,光電反射式轉(zhuǎn)速表工作原理,光源發(fā)出的光線經(jīng)聚焦透鏡2會(huì)聚成平行光束，照射到被測旋轉(zhuǎn)物3上，光線經(jīng)事先粘貼在旋轉(zhuǎn)物

38、體上的反光紙4反射回來，經(jīng)透鏡6聚焦后落在光敏二極管7上。旋轉(zhuǎn)物體每轉(zhuǎn)一圈，光敏二極管就產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào),經(jīng)放大整形電路得到TTL電平的脈沖信號(hào),該信號(hào)在與門中和“秒信號(hào)”相“與”。與門在1s的時(shí)間間隔內(nèi)輸出的脈沖數(shù)正比于旋轉(zhuǎn)物體的每秒轉(zhuǎn)數(shù),再經(jīng)數(shù)據(jù)運(yùn)算電路處理后,由數(shù)碼顯示器顯示出每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。轉(zhuǎn)速n為,光電式轉(zhuǎn)速表外形,光電反射式轉(zhuǎn)速表的1誤差,測頻時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖通過閘門（與門）進(jìn)入計(jì)數(shù)器，被測頻率f=N/t門控。由于閘門開啟時(shí)刻（秒信號(hào)的上升沿）和被測計(jì)數(shù)脈沖上升沿到來的時(shí)刻之間的關(guān)系是隨機(jī)的，有可能像圖中的ud波形所示，在第二個(gè)1s閘門時(shí)間里，比在第一個(gè)1s閘門時(shí)間多計(jì)數(shù)了一個(gè)脈沖，或少

39、計(jì)數(shù)了一個(gè)脈沖。,可以由單片機(jī)來控制閘門信號(hào)的上升沿與被測脈沖的上升沿同步，以減小1誤差，稱為同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法。,1誤差例題,當(dāng)t門控=1s、被測頻率f=1000Hz時(shí)，1個(gè)脈沖所產(chǎn)生的1誤差為1Hz, 示值相對(duì)誤差：,當(dāng)被測頻率f=10Hz,t門控 仍然為1s時(shí)的示值相對(duì)誤差就顯得不可容忍：,門控時(shí)間的選取,當(dāng)被測頻率f 較低時(shí)，應(yīng)增加門控時(shí)間,就可以減小1誤差。例如,當(dāng)T門控=10s、被測頻率雖然較小，例如f =10Hz時(shí)，根據(jù)f=N/t門控，在10s的時(shí)間間隔里，可以得到N=f t門控=1010=100個(gè)脈沖，每一個(gè)1脈沖代表0.1Hz，所產(chǎn)生的示值相對(duì)誤差只有t門控=1s時(shí)的1/10：,

40、可以利用“同步電路”來盡量減小1誤差。,光電反射式轉(zhuǎn)速計(jì)用于水泵轉(zhuǎn)速測量,反射式光電傳感器實(shí)例：光電自動(dòng)門,自動(dòng)門光電傳感器放大圖,有效檢測區(qū)域,四、被測物遮擋部分光的應(yīng)用實(shí)例 光電式帶材跑偏測控系統(tǒng),在帶材生產(chǎn)線上，由于帶材橫向厚度及壓輥壓力不均等原因，導(dǎo)致帶材邊緣或縱向標(biāo)志線與加工機(jī)械的中心線不平行或不重合，從而發(fā)生帶材橫向運(yùn)行偏差，稱為“跑偏”。需要以帶材邊緣縱向?yàn)榛鶞?zhǔn)，實(shí)行邊緣位置控制，稱為“糾偏”。,光電傳感器,帶材走偏時(shí),邊緣經(jīng)常與傳送機(jī)械發(fā)生碰撞,易出現(xiàn)卷邊,造成廢品。,光電式帶材跑偏檢測控制電路,帶材左偏時(shí)，E1得到的光如何變化？,1LED光源 2擴(kuò)束透鏡 3平行光束鏡 4會(huì)聚透鏡 5光電池E1 6帶材 7溫度補(bǔ)償 光電池E2 8遮光罩 9跑偏指示,光電式帶材跑偏的光電檢測裝置,.,1帶材 2邊緣位置 檢測傳感器 3電源及信號(hào) 線連接座,光電式帶材跑偏檢測控制電路原理,帶材左偏時(shí),輸出電壓表的 指針偏向右邊,為正值。,光源1發(fā)出的光線經(jīng)擴(kuò)束透鏡2和會(huì)聚透鏡3