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第5章 光电式传感器原理与应用
5.1 光电效应及光电器件 5.2 光电码盘 5.3 电荷耦合器件 5.4 光纤传感器 5.5 光栅传感器
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光电效应通常可分为四类：
(1) 外光电效应:在光线作用下,使电子逸出物体表面而 产生光电子发射的现象。基于外光电效应原理的器件 属于真空光电元件,有光电管、光电倍增管等。 (2) 内光电效应:在光线作用下,使物体的电阻率改变的 现象。基于内光电效应原理的器件属于半导体光电元 件,有光敏电阻、光敏晶体管等。 (3) 光生伏特效应:在光线作用下，物体产生一定方向 电动势的现象。基于光生伏特效应原理的器件属于半 导体光电元件,有光电池等。 (4) 热释电现象：热电材料受红外光等照射时，若其 表面温度上升或下降,则该表面产生电荷的现象。
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(4) 温度特性
光敏晶体管的温度特性
温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较 小，但是对暗电流的影响却十分显著
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(5) 频率特性
光敏晶体管的频率特性
光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度 与调制频率的关系称为频率特性
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5.1.6光电池
定义：光电池是一种自发电式的光电元件，它受 到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加 电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。 光电池的种类：硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、 锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是 硅光电池， 硅光电池优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特 性好、转换效率高、能耐高温辐射等。另外，由 于硒光电池的光谱峰值处于人眼的感觉范围，所 以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。
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(3) 光谱特性
对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相 同的。各种材料的光谱特性如图5.1.5所示，从图中看出， 每种光敏电阻对不同波长的入射光有着不同的灵敏度， 硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区 域；因此在选用光敏电阻时应当把元件 和光源的种类 结合起来考虑，才能获得满意的结果
第5章 光电式传感器原理与应用
概述
光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化转 换成电量的传感器，它首先把被测量的变化转换 成光信号的变化，然后借助光电元件参数的变化 将光信号转换成电信号，它的物理基础是光电效 应。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元 件三部分组成。在检测时，被测量使光源发射出 的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件的 输出电量也作相应的变化，最后用电量来表示被 测量的大小。其输出的电量可以是模拟量，也可 以是数字量。光电检测方法具有精度高、反应快、 非接触等优点，有多种参数都可测量，传感器的 结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领 域内得到广泛应用。
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光电池的主要特性如下：
(1) 光谱特性 (2) 光电特性 (3) 温度特性 (4) 频率特性
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(1) 光谱特性
（a）结构示意图；（b）图形符号 1-硅光电池； 2-硒光电池
光电池
光电池光谱特性
不同材料的光电池适用的入射光波长范围也不相 同。硅光电池的适用范围宽，对应的入射光波长 可在0.45μm-1.1μm之间，而硒光电池只能在 0.34μm-0.57μm波长范围，它适用于可见光检 测。
光电式数字转速表的工作原理
若调制盘上开有z个缺口,测量计数时间为t(s),被测转 速为n(r/min)，则此时得到的(4)烟尘浊度连续监测仪
吸收式烟尘浊度监测仪框图
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5.2 光电码盘
光电编码器具有下列特点：
①具有高的测量精度和分辨率，测量范围大； ②抗干扰能力强，稳定性好； ③信号易于处理、传送和自动控制； ④便于动态及多路测量，读数直观； ⑤安装方便，维护简单，工作可靠性高。
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(1) 暗电阻，暗电流
若将光敏电阻置于无光照的黑暗条件下， 测得光敏电阻的阻值称为暗电阻，这时， 在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流 值称为暗电流。
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(2) 亮电阻、光电流
光敏电阻在光照下，测得的光敏电阻的阻 值称为亮电阻，亮电阻一般在几千欧姆。 这时在工作电压下测得的电流为亮电流。 亮电流和暗电流之差称为光电阻的光电流 IФ
硫化铅的光谱温度特性
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5.1.4光敏二极管
光敏二极管的工作原理也是基于内光电效 应，与光敏电阻的差别仅在于光线照射在 半导体PN结上,PN结参与了光电转换过程。
(a)结构示意图和图形符号 (b)基本电路
光敏二极管
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5.1.5光敏晶体管
光敏晶体管通常指 光敏三极管，光敏 三极管有两个PN 结，因而可以获得 电流增益，它比光 敏二极管具有更高 的灵敏度。
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5.1 光电效应及光电器件
5.1.1 光电管 5.1.2 光电倍增管 5.1.3 光敏电阻 5.1.4 光敏二极管 5.1.5 光敏晶体管 5.1.6 光电池 5.1.7 光电传感器的应用
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5.1.1 光电管
(a)反射式光电阴极光电管 (b)透射式光电阴极光电管
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5.2.1工作原理 5.2.2 码盘和码制 5.2.3旋转式光电编码器 5.2.4 应用
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5.2.1工作原理
透射式旋转光电编码器
编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以及安装在圆盘 两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心 码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗 区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后， 由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的 光敏元件输出的信号，分别为“1”或“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏 元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的 角位移大小。
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(5) 频率特性
当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段 时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流 也不立刻为零，这说明光敏电阻有时延特性。由 于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们 的频率特性也不相同。
光敏电阻的频率特性
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(6) 温度特性
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，从图中可以看出， 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，在 使用光敏电阻检测时为了能接受远红外光，或为了提高 灵敏度，要采取控制温度的措施。
光敏电阻的光谱特性
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(4) 光电特性
光敏电阻的光电特性 光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。 如图5.1.6所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。做检测 元件时，要对其值进行曲线拟合，响应曲线不连续，这 是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式 光电传感器。
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光敏器件的具体应用
(1) 测量工件表面的缺陷 (2) 测量转速 (3)光电数字转速表 (4)烟尘浊度连续监测仪
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(1) 测量工件表面的缺陷
检查零件表面缺陷的光电传感器
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(2) 测量转速
光电转速计工作原理
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(3)光电数字转速表
连接电路
光电管结构示意图
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5.1.2光电倍增管
（a）直线型；(b) 鼠笼式；(c) 盒-网型 1一阴极；2-倍阴极；3-阳极；4-绝缘隔板；5-栅极。
光电倍增管的结构原理图
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5.1.2光电倍增管
假设每个电子落到任一倍增极上都打出σ个电子，则 阳极电流I为
I i 0
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5.2.2 码盘和码制
编码器有两种：增量编码器和绝对编码器
接触式编码盘示意图
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二进制码、十进制码与循环码对照表
角 度 0 1α 2α 3α 4α 5α 6α 7α 8α 9α 5α 11α 电刷位置 a b c d e f g h i j k l 二进制码 0000 0001 005 0011 050 051 015 0111 500 501 55 511 十进制码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 11 格 雷 码 0000 0001 0011 005 015 0111 051 050 150 151 1111 115
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四种基本形式
(1)直射式如图5.1.19(a)所示,光源本身就是被测物体。被 测物体的光通量指向光敏器件，产生光电流输出。这种 形式常用于光电比色高温计中作光电器件。 (2)透射式如图5.1.19 (b)所示，光源的光通量一部分由被 测物体吸收，另一部分则穿过被测物体投射到光敏器件 上。该形式常用于测量混合气体、液体的透明度、浓度 等。 (3)反射式如图5.1.19 (c)所示，光源发射出的光通量投射 到被测物体上，被测物体又将部分光通量反射到光敏器 件上。反射的光通量取决于被测物体的反射条件，该形 式一般用于测量工件表面的粗糙度及测量转速等。 (4)遮蔽式如图5.1.19 (d)所示，光源发射出的光通量投射 到被测物体上,被测物体遮蔽光通量改变，则投影到光敏 器件上的光通量也随着改变。这种形式常用于测量位置、 位移、振动、频率等，在自动控制中用作自控开关。