6 光电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学版）

项目六 光电式传感器 项目分析 任务6.1　认识光电式传感器 任务6.2　光电式传感器的应用 知识拓展 项目六　光电式传感器 项目分析 了解光电式传感器的原理 熟悉光电元件 能正确使用常用的光电式传感器 任务分析 1 任务一 传感器技术基础 任务6.1 认识光电式传感器 相关知识 2 技能训练 3 任务分析 本任务主要介绍常用的光电式传感器。通过学习认识光电式传感器，了解光电式传感器的原理、分类，能对光电元件进行检测。 相关知识 光电式传感器是将光能转化为电能的一种传感器，它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器具有结构简单、精度高、响应速度快、非接触等优点，故广泛应用于各种检测技术中。但光电式传感器存在光学器件和电子器件价格较贵，并且对测量的环境条件要求较等缺点，近来新型的光电式传感器不断涌现，如光纤传感器、CCD图像传感器等，使光电式传感器得到了进一步的发展。图6－1为常用光电式传感器。 图6－1 常用光电式传感器 （a）光电管 （b）光电倍增管 （c）光敏电阻 （d）光敏二极管 （e）光敏三极管 （f）光电池 （g）光电式转速传感器 （h）反射型光电式传感器 （i）光电式鼠标 （j）光纤传感器 （k）CCD传感器产品扫描仪 （l）红外温度计 图6－1 常用光电式传感器 1．光电效应 光电式传感器的工作原理是基于不同形式的光电效应。光电效应就是光电材料（或物质）在吸收了光能后而发生相应电效应的物理现象。 光电效应通常分为三类 （1）在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。 （2）在光线作用下能使物体的电阻率发生改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。 （3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 1）自然光源：包括太阳光、月光等自然界存在的光线。典型的例子有高温比色温度仪、路灯光电控制开关、光照度表等。 2）热辐射光源：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。白炽灯、卤钨灯等都属于此种光源。 3）电致发光器件——发光二极管：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种原理制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器等。 2．常用光源 4）气体放电光源：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯等是光谱仪器中常用的电源，统称光谱灯。通过对光谱灯内所涂荧光剂的选择，可以使气体放电灯发出某一特定波长或某一范围波长的光，照明日光灯即为一典型实例。 5）激光器：它能量高度集中，方向性好、频率单纯、相干性好，是很理想的光源。特别是半导体激光器，更适合于光敏元件匹配。 1）光电管、光电倍增管 3．光电元器件 （1）光电管 图6－2列出几种常见光电管。 图6－2 常见光电管 光电管的结构示意图如图6－3（a）所示。真空玻璃壳内封装着半圆筒形金属片制成的阴极K和位于正中轴心的金属丝制成的阳极A，光电阴极涂有光敏材料。 图6－3 光电管 （a）结构示意图 （b）光电管符号及测量电路 光电管符号及测量电路如图6－3（b）所示。无光线照射时，电路不通。有光线照射时，阳极电位A高于阴极电位K，在光照频率大于阴极材料红限频率的前提下，当光电管阳极与阴极间加上适当正向电压（约几十伏）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。 由于阴极材料的逸出功不同，所以不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏度。人们可以根据检测对象是红外光、紫外光或可见光的不同来选择不同阴极材料的光电管，以便获得满意的灵敏度。 当用光电管去测量很微弱的入射光时，光电管产生的光电流很小（小于零点几毫安），不易检测，误差也很大，说明普通光电管的灵敏度不高。这时可改用灵敏度较高的光电倍增管。 （2）光电倍增管 光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子，并使电子获得倍增的电真空器件。它有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比