1、传感器应用传感器应用课程教学资源建设课程教学资源建设 建设院校：建设院校：主要参与企业：主要参与企业：重庆工业职业技术学院重庆工业职业技术学院中国四联集团中国四联集团重庆三木瑞华机电有限重庆三木瑞华机电有限公司公司重庆电子工程职业技术学院重庆电子工程职业技术学院 1905年德国物年德国物理学家爱因斯坦用理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光量子学说解释了光电发射效应，并光电发射效应，并为此而获得为此而获得1921年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。2022-11-182 第一节第一节 光电效应及光电元件光电效应及光电元件 用光照射某一物体，可以看作物体用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为
2、受到一连串能量为hf 的光子的轰击，组的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。应电效应的物理现象称为光电效应。2022-11-183 外光电效应：在光线的作外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像电管、光电倍增管、光电摄像管等。管等。光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏当光敏电阻受到光电阻受到光照时，照时，光生光生电子电子空穴空穴对增加，对增加，阻阻值减小，电值
3、减小，电流增大。流增大。2022-11-186暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）光敏二极管光敏二极管 将光敏二极管的将光敏二极管的PN 结设置在透明管结设置在透明管壳顶部的正下方，光壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的照射到光敏二极管的PN结时，电子结时，电子-空穴空穴对数量增加，光电流对数量增加，光电流与照度成正比。与照度成正比。2022-11-187光敏二极管外形光敏二极管外形 2022-11-188光敏二极管阵列光敏二极管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件元件的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。于分光镜。红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形 2
4、022-11-189红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管PIN光电二极管光电二极管 PIN光电二极管是在光电二极管是在P区和区和N区之间插入一层电区之间插入一层电阻率很大的阻率很大的I层，从而减小了层，从而减小了PN结的电容，提高了结的电容，提高了工作频率。工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥
5、控器的接收管（红外波段）、各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF 频频带小信号开关带小信号开关、中波频带中波频带2022-11-1810到到1000MHZ之间电流控制、可变之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和高频功率开关切换和RF领域的高领域的高速开关等。特殊结构的速开关等。特殊结构的PIN二极二极 管还可用于测量紫外线或射线等管还可用于测量紫外线或射线等。APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）光敏二极管（雪崩光敏二极管）硅雪崩光电二极管是采用硅雪崩光电二极管是采用n+p-p+型结构型结构的可见光和近红外探测器，它具有高响应度，的可见
6、光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。统。2022-11-1811GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数系列硅雪崩光电二极管的特性参数 参数参数单位单位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直径光敏面直径mm0.20.50.8工作电压工作电压V100150100150150250暗电流暗电流nA152535响应度响应度V/w606060上升时间上升时
7、间ns134噪声等效功率噪声等效功率 Pw/Hz1/20.050.070.09结电容结电容pF11.52使用温度范围使用温度范围-20+40-20+40-20+40封装形式封装形式 TO型型 光纤型光纤型TO型型TO型型光敏二极管的反向光敏二极管的反向偏置接法偏置接法 在没有光照时，在没有光照时，由于二极管反向偏置，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电这时的电流称为暗电流，相当于普通二极流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的当光照射在二极管的PNPN结（又称耗尽层）结（又称耗尽层）上时，在上时，在PNPN结附近产结附近
8、产生的电子生的电子-空穴对数量空穴对数量也随之增加，光电流也随之增加，光电流也相应增大，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。与照度成正比。2022-11-1813 光敏二极管的反向偏置接线光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示（参考上页图）及光电特性演示 在没有光照时，在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。电流（暗电流）很小。2022-11-1814 当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比关系。比关系。光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照光敏三极管光敏三极管 光敏三极管有两光敏三
9、极管有两个个PN结结。与普通。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，有引出线，只有正负（只有正负（c、e）两个引脚，两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。上很难区别。2022-11-1815光敏三极管外形光敏三极管外形 2022-11-1816光敏三极管内部结构光敏三极管内部结构 a)内部组成内部组成 b)管芯结构管芯结构 c）结构简化图结构简化图 1集电极引脚集电极引脚 2管芯管芯 3外壳外壳 4玻璃聚光镜玻璃聚光镜 5发射极引
10、脚发射极引脚 6N+衬底衬底 7N型集电区型集电区 8SiO2保护圈保护圈 9集电结集电结 10P型基区型基区 11N型发射区型发射区 12发射结发射结 2022-11-1817硅光敏晶体管的光谱特性硅光敏晶体管的光谱特性 电磁波频谱电磁波频谱2022-11-1818光电特性光电特性 光光电电流流2022-11-18190光照光照光敏光敏 三极管三极管光敏光敏 二极管二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低请判断灵敏度的高低0.3mA请计算当请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流I IE光敏晶闸管光敏晶闸管 光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极光敏晶闸管有三个引出电极
11、，即阳极a、阴极阴极k和门极和门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的
12、电压导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光敏晶反向，或使负载电流小于其维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。可用于工业自动检测控制。2022-11-1820光敏晶闸管外形光敏晶闸管外形光敏面光敏面2022-11-1821基于光生伏特效应的光电元件基于光生伏特效应的光电元件 光电池光电池 在在N型衬底上制造一薄层型衬底上制造一薄层P型层作为光型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射照敏感
13、面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光型区每吸收一个光子就产生一对光生电子子就产生一对光生电子空穴对，空穴对，光生光生 电电子子空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到动被拉到N型区，空穴留在型区，空穴留在P区，所以区，所以N区带区带负电，负电，P区带正电。如果光照是连续的，经区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。电动势输出。2022-11-1822光电池光电池外形外形2022-11-1823光敏面光敏面能提供较大电流的能提供较
14、大电流的大面积光电池大面积光电池外形外形2022-11-1824其他其他光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用2022-11-1825柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用2022-11-1826太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能 硅光电池板硅光电池板光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）2022-11-1827太阳能发电太阳能发电光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）2022-11-1828光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用光电池的光电特性光电池的光
15、电特性 一个典型的硅光电池的光电特性一个典型的硅光电池的光电特性 1 1开路电压曲线开路电压曲线 2 2短路电流曲线短路电流曲线 2022-11-1829开路电压为开路电压为 对数特性对数特性短路电流为短路电流为 线性特性线性特性2022-11-1830第二节第二节 光电传感器的应用光电传感器的应用 光源本身是被测物的应用实例光源本身是被测物的应用实例 光的照度光的照度E的单位是的单位是lx（勒勒克斯），它是常克斯），它是常用的光度学单位用的光度学单位之一，它表示受之一，它表示受照物体被照亮程照物体被照亮程度的物理量，可度的物理量，可以用照度计来测以用照度计来测量。量。光电池光电池（外加柔（外
16、加柔光罩）光罩）2022-11-18311.1.红外线辐射温度计：红外线辐射温度计：红外辐射温度计既可用于高温测量，红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从度计的温度范围可以从-30-3030003000，中，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。择适合的型号。2022-11-1832红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光仅激光仅 用于瞄准用于瞄准2022-11-1833红外线辐射温
17、度计外形红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度计红外线辐射温度计用于食品温度测量用于食品温度测量2022-11-1834红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪2022-11-1835红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量2022-11-1836 红外线辐射温度计在红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用非接触温度测量中的应用集成集成IC 温度测量温度测量2022-11-1837 红外线辐射温度计在非接触温度测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）中的应用（续）利用红色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（冷藏
18、牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食）2022-11-1838红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）（续）利用红色激光瞄准被利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花测物（电控柜、天花板内的布线层）板内的布线层）温度温度 采集系统采集系统2022-11-1839比色式温度传感器温度非接触比色式温度传感器温度非接触测量中的应用测量中的应用 比色式温度传感器采用比色式（双波比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘
19、能力较强，不受窗口玻雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准璃影响，能瞄准 ,测量小目标，可不考虑测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。调焦就可准确测量。比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如 :烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。场。2022-11-18402.2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用热释电传感器在人体检测、报警中的应用 热释电元件在红外线检测中得到广泛的热释电元件在红外
20、线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。控制等。热释电元件外形热释电元件外形 2022-11-1841热释电传感器简介热释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研
21、究和对热释电晶体的应用。热释电兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照
22、相机自动记录动物或人的活动等等机自动记录动物或人的活动等等 您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。秀的新产品。或自动化控制装置。2022-11-1842热释电传感器的内部电路热释电传感器的内部电路两块反向两块反向串联的热串联的热释电晶片释电晶片场效应管场效应管2022-11-1843热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由一组热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体透镜
23、单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是释电元件前面，它是“视而不见视而不见”的。的。2022-11-1844菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片热释电晶片2022-11-1845菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离透镜时，其
24、检测距离小于小于2m，而加上该透，而加上该透镜后，其检测距离可镜后，其检测距离可增加增加3倍以上。倍以上。2022-11-1846热释电套件热释电套件2022-11-1847热释电报警器热释电报警器菲涅尔透镜菲涅尔透镜设定按钮设定按钮高分贝喇叭高分贝喇叭2022-11-1848热释电报警器（续）热释电报警器（续）菲涅尔透镜菲涅尔透镜 5mm接插件接插件2022-11-1849热释电报警器（续）热释电报警器（续）吸顶式吸顶式 热释电报警器热释电报警器2022-11-1850热释电传感器应用热释电传感器应用 热释电传热释电传感器用于自动感器用于自动亮灯，当然也亮灯，当然也可以用于防盗可以用于防盗热
25、释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围2022-11-1851热释电感应灯热释电感应灯热释电热释电传感器传感器2022-11-1852自动感应灯自动感应灯（参考施特朗公司资料）（参考施特朗公司资料）2022-11-1853热释电传感器在智能空调中的应用热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测智能空调能检测出屋内是否有人，微出屋内是否有人，微处理器据此自动调节处理器据此自动调节空调的出风量，以达空调的出风量，以达到节能的目的。到节能的目的。空调中，热释电传感器的菲涅尔空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。是静止着还是走动着。上下范围上下范围左右范围左右范围
