《光电式传感器》课件2

光电式传感器探测光信号并转换为电信号的器件课程目标与内容理解光电效应基本原理熟悉各类光电传感器结构掌握光电转换机制分析不同类型工作特点掌握应用场景与选型方法光电效应基础光能转化为电能物理学基础现象光子激发电子跃迁量子力学解释机制爱因斯坦光量子理论获得诺贝尔物理学奖内光电效应与外光电效应内光电效应外光电效应光子被材料吸收光子使电子脱离材料表面电子在材料内部移动产生光电子发射产生导电性变化需要达到阈值能量如光敏电阻如光电管光电转换原理光照射特定波长光子入射能量吸收半导体材料吸收光子能量电荷分离产生电子-空穴对电信号输出生成可测量电压或电流光电传感器的组成部分光源LED、激光二极管等发光装置光敏元件光电二极管、光敏电阻等感光部件光学系统镜头、滤光片等光路控制装置信号处理电路放大、滤波等电子电路光电传感器的分类按工作方式按波长范围透射式、反射式、漫反射式可见光、红外线、紫外线按工作原理按用途分类光电导、光电伏特、光电发射位置、计数、测距、图像透射式光电传感器结构特点工作原理发射器与接收器分离安装光束被物体阻挡时信号变化被测物体穿过光路检测物体通过状态应用场景物体计数、位置检测尺寸测量、边缘检测反射式光电传感器一体化结构反射机制检测距离发射器与接收器集成在利用反射板将光束反射通常比透射式短，但安同一侧回接收器装方便漫反射式光电传感器直接检测物体无需反射板辅助利用漫反射原理物体表面将光散射回接收器适用多种材质可检测不同颜色和表面的物体光纤式光电传感器光纤探头主机部分特殊环境应用微小柔性探测末端包含光源和信号处理单元可用于狭小空间和恶劣条件光电传感器的特点非接触式检测无机械磨损，使用寿命长响应速度快可检测高速运动物体抗电磁干扰光信号传输不受电磁场影响精度高可实现微米级精确检测光电传感器的优势工作可靠稳定适应各种工业环境检测范围广从几毫米到几十米体积小巧紧凑易于安装和集成成本相对低廉性价比高，维护简便光电传感器的局限性12环境光干扰脏污敏感阳光等强光源影响检测精度灰尘油污可能导致误检或失效3透明物体检测难玻璃等材料检测需特殊调整光电传感器的性能指标检测距离有效工作范围与光源强度和接收灵敏度相关响应时间从感应到输出信号的时间影响高速应用可行性分辨率能区分的最小物体尺寸决定精细检测能力抗干扰性在复杂环境中的稳定性影响工作可靠性响应时间与灵敏度光电传感器的选择原则被测对象特性工作环境材质、尺寸、表面状态、颜色温度、湿度、光照、空间限制经济因素性能要求价格、维护成本、使用寿命精度、速度、稳定性、抗干扰能力光电开关的工作原理光源发射LED发出调制光束光路状态变化物体遮挡或反射光束光电元件检测光电二极管接收光信号变化开关输出控制产生开关量信号光电开关的应用场景光电编码器概述角位移测量器件基于光栅原理转动角度、速度、方向的精确利用光信号的周期性变化检测精密机电一体化产品集光、机、电技术于一体增量式光电编码器结构特点工作原理光栅盘上等间距透明与不透明条纹光通过旋转码盘产生脉冲输出脉冲信号计数脉冲确定位置通常有A、B两相正交信号相位差判断旋转方向绝对式光电编码器多位数字编码码盘上有多条同心轨道，构成唯一位置码掉电不丢失位置每个位置对应唯一编码，无需归零格雷码设计相邻位置编码仅一位变化，提高可靠性光电编码器的应用工业机器人精密机床各关节位置和速度控制进给系统位置反馈汽车系统摄影器材转向角度和车轮速度测量镜头对焦和变焦控制传感器原理CCD光电转换光子激发硅基底产生电荷电荷存储在电势阱中积累电荷电荷转移像移动水桶接力传递电荷信号读出转换为电压信号并放大传感器原理CMOS像素级处理每个像素有独立放大器1光电转换光敏二极管产生电荷并行读出结构行列寻址方式读取数据与传感器对比CCD CMOS性能指标CCD传感器CMOS传感器图像质量较高中等（不断改进）功耗较高低集成度低高读出速度较慢快制造成本高低图像传感器的应用智能手机机器视觉安防监控高清图像捕捉产品质量检测全天候监视光电液位传感器工作原理结构特点利用光在不同介质中折射率差异棱镜式探头设计检测液体是否存在无可动部件，可靠性高应用场景流体容器溢出防护储罐液位监测光电液位传感器的工作原理无液体状态有液体状态光线在棱镜内全反射液体改变折射条件光电接收器接收到光信号光线从棱镜射出输出低液位信号接收器无光信号输出高液位信号光电液位传感器的应用光电烟雾传感器散射原理基于光散射效应检测烟雾颗粒安全防护火灾早期预警关键设备广泛应用家庭、商业、工业场所必备光电烟雾传感器的工作原理发射光束烟雾进入红外LED发射光线烟雾颗粒进入暗室接收检测光散射光电接收器检测散射光烟雾颗粒散射光线光电烟雾传感器的应用家庭安全独立烟雾报警器建筑消防集成火灾报警系统工业安全易燃区域监测特殊场所隧道、地铁等公共区域光电测距传感器技术类型测量范围三角测量法从毫米到百米不等飞行时间法根据应用场景选择相位差法精度特点高精度距离测量非接触式操作光电测距传感器的工作原理发射光束激光或红外光发射物体反射被测物体表面反射光线接收测量测量光程差或时间差计算距离处理器计算实际距离光电测距传感器的应用机器人导航工业测量自动驾驶障碍检测与环境建图零件尺寸精确测定车辆与障碍物距离感知红外传感器概述热辐射检测感应物体发出红外辐射非可见光域工作在人眼不可见波长温度相关一切物体均发射红外线红外传感器的工作原理主动式红外被动式红外自身发射红外光不发射任何辐射检测反射回来的信号只接收物体本身红外热辐射如红外测距、安防探测器如人体感应、热成像红外传感器的应用激光传感器概述高能量密度单色性好，方向性强高精度测量可达微米级精度远距离探测有效距离可达数公里快速响应可进行高速采样激光传感器的工作原理激光束发射半导体激光器产生激光光路角度变化目标距离影响反射光角度光束成像光点位置记录在位置敏感器件上激光传感器的应用工业测量自动驾驶精密零件尺寸检测激光雷达环境感知地形测绘建模3D高精度地形图制作物体三维扫描重建光电传感器在工业自动化中的应用物体检测与计数生产线上产品存在性检测位置与尺寸测量尺寸公差检验与质量控制颜色和标记识别产品分类与分拣安全防护区域监测危险机械周围人员安全保障光电传感器在机器人技术中的应用运动控制精确定位关节角度与速度反馈物体识别机器人末端执行器位置控制环境感知待抓取目标定位与形状识别障碍物检测与避障光电传感器在医疗设备中的应用血氧测量医学成像无创检测利用不同波长光吸收率测量氧饱和度内窥镜和显微系统中的图像采集通过光学方法分析体内成分含量光电传感器在环境监测中的应用空气质量检测水质监测气象观测颗粒物浓度监测浊度和有机物检测能见度和光照强度测量基于光散射原理利用吸光度原理太阳辐射监测光电传感器在安全系统中的应用区域防护入侵检测烟火探测光幕防止误入危险红外对射报警系统早期火灾预警区域车辆安全倒车雷达和碰撞避免光电传感器在汽车工业中的应用雨量感应光线感应自动雨刷控制自动大灯控制仪表监控驾驶辅助发动机转速和车轮速度车道偏离警告和自动泊车光电传感器在智能家居中的应用光电传感器的信号处理信号采集微弱光电信号转换滤波放大去除噪声提高信噪比数字转换模数转换处理算法处理信息提取与决策输出光电传感器的抗干扰技术光调制技术1调制特定频率光信号滤光装置2光学滤波器过滤杂散光屏蔽设计3电磁屏蔽和光学遮蔽软件补偿4算法消除环境影响光电传感器的校准方法1标准源校准使用标准光源作为参考2标准距离校准使用精确测量的标准距离3温度补偿校准消除温度漂移影响4多点校准建立全量程响应曲线光电传感器的维护与故障排除日常维护常见故障排除方法清洁光学表面无信号输出检查电源供应检查连接稳定性信号不稳定清洁光学窗口防尘防潮处理检测距离变短检查安装位置定期功能测试误触发频繁检查线路连接光电传感器的发展趋势集成化发展1系统级芯片整合多功能智能化处理内置AI算法实现自主决策无线通信物联网连接和远程监控低功耗设计能效提升和绿色环保微型化与集成化智能化与网络化云端分析处理大数据决策中心无线通信网络5G/物联网连接边缘计算节点3现场实时处理智能传感终端数据采集源头高性能与多功能化性能极限提升更高精度和更快响应多参数检测一个传感器测量多种物理量自适应能力智能调整适应不同环境新型光电材料的应用石墨烯材料超高灵敏度宽光谱响应范围钙钛矿材料低成本高性能可调光谱响应量子点材料高量子效率精确波长选择性有机光电材料柔性可弯曲环保可降解光电传感器在物联网中的角色亿10+78%15+全球应用规模市场增长率应用领域拓展光电传感器已成为物联网数据采集主力智能家居和工业

4.0推动需求激增从传统工业向智慧城市全面延伸总结与展望基础理论完善应用领域广泛光电效应理论体系日趋完备从工业到消费领域全面渗透2未来发展可期技术持续创新智能化、集成化、微型化趋势明显3新材料、新工艺不断突破。