传感器与检测技术教学课件作者高成7-光电式传感器课件

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1、第7章光电式传感器光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器。光电式传感器具有结构简单、非接触、不受电磁干扰的影响、可靠性高、体积小、重量轻、价格低廉、灵敏度高和反应快等优点。除可直接检测光信号外，还可以用来测量转速、位移、距离、温度、浓度、浊度等参量，也可以用作对各种产品的计数、机床的保护装置，在自动化、检测技术领域应用广泛。7.1光电式传感器的基本元件光电式传感器一般都是由光源、光学元件和光电元件三个部分组成。7.1.1光源光电式传感器对光源的选择要考虑很多因素，例如波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。我们把通电

2、后发光的器件，统称为电光源，或者叫电光元件。普通的电光源可以分为四类：热辐射光源、气体放电光源、电致发光器件和激光器。7.1光电式传感器的基本元件7.1.2光学元件与光路在光电式传感器中，必须采用一定的光学元件，并按照一些光学定律和原理构成各种各样的光路。常用的光学元件有各种反射镜和透镜。7.1光电式传感器的基本元件7.1.3光电效应与传统光电器件光电效应即是由于物体吸收能量为E的光后产生的电效应。内光电效应是指物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动，而不会逸出物体的现象。外光电效应是指当光照射到物体上使电子逸出物体表面的现象。7.1

3、光电式传感器的基本元件1.光敏电阻光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。7.1光电式传感器的基本元件2.光电池光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。光生伏特效应指在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。光电池是把光直接转变为电能的器件，又称为太阳能电池。7.1光电式传感器的基本元件3.光敏晶体管光敏二极管的PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时反向电阻很大，反向电流很小。当光照射光敏二极管时，光子打在PN结附近，使PN结附近

4、产生光生电子—空穴对，它们在PN结处的内电场作用下定向运动形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。7.1光电式传感器的基本元件光敏三极管的工作原理：当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生光生电子—空穴对，它们在PN结处于内电场作用下，作定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加，由于光照射发射产生的光电流相当于三极管的基极电流，所以集电极电流是光电流的β倍。因此光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。7.1光电式传感器的基本元件光电倍增管是基于外光电效应

5、和二次电子发射效应的电子真空器件。4.光电倍增管7.1光电式传感器的基本元件7.2新型光电器件7.2.1CCD电荷耦合器件(CCD)是一种大规模金属氧化物半导体(MOS)集成电路光电器件，以电荷为信号。它具备光电信号转换、存储、转移的功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。CCD传感器的应用:⑴组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。⑵用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真、摄像、光学文字识别技术(OCR)与图像识别等

6、。7.2.2CMOS图像传感器CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器.CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点.7.2新型光电器件7.2.3PSD光电位置传感器(PSD)是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。主要用于距离测量、位移或角度变化的监测等。一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量，二维PSD器件可以检测平面上的入射光点的XY二维位置坐标。7.2新型光电器件7.3光栅式传感器7.3.1工作原理光栅式传感器(或称光栅测量系统)是

7、指利用光栅原理对输入量(位移量)进行转换、显示的整个测量装置。它包括三大部分：光栅光学系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。莫尔条纹:光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出的正弦变化正好经历一个周期，可通过电路整形处理，变成一个脉冲输出。脉冲数（条纹数）与移过的栅距数是一一对应的，因此位移量为。据此可知运动零件的位移量。7.3光栅式传感器7.4光纤式传感器特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度

8、、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。7.4.1工作原理满足全反射条件:7.4光纤式传感器光