浅谈光电传式感器原理及应用讲解

1、光电传式感器原理及应用论文题目：浅谈光电传感器原理及应用院系：信息与机电工程学院专业：电气工程及其自动化班级： 09 电气二班姓名：苏江明学号： 090154789浅谈光电传式感器原理及应用摘要：光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源 ,光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高 ,反应快 ,非接触等优点 ,而且可测参数多 ,传感器的结构简单 ,形式灵活多样 ,因此 ,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。关键词： 光电传感器、传感器、光电效应一、绪论在科

2、学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。 由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展， 使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单 ,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用， 它一种是以光电效应为理论基础， 由光电材料构成的器件。二、光电传感器的原理1、光电传感器原理光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器， 光电式传感器的基础

3、是光电转换元件的光电效应， 它首先把被测量的变化转换成光信号的变化 , 然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源 ,光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高 ,反应快 , 非接触等优点 ,而且可测参数多 ,传感器的结构简单 ,形式灵活多样 , 因此 ,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器的基本结构如图 6 所示。2、光电传感器的光源光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的， 因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源

4、有以下几种：2.1 、发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。2.2 、丝灯泡这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感， 构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。3、光电元件光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。3.1 外光电效应在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管

5、、光电倍增管就属于这类光电器件。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定：E=hv 。式中：h普朗克常数， 6.626 10 （J?s）；光的频率（ s）。若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A 时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量h必须超出逸出功 A，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即式中： m电子质量； v0电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。 由上式可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功 A。不同物体具有不同的逸出功， 这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，成为红限频率或波长限。

6、光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。当入射光的频谱成分不变时， 产生的光电流与光强成正比。 光电子逸出物体表面具有初始动能， 因此外光电效应器件， 如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。3.2 内光电效应受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态， 而引起材料电阻12率变化，这种效应称为光电导效应。 基于这种效应的器件有光敏电阻mh- A2等。4、常见的光电传感器光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一

7、个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积， PN 结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（A），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。 光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。与光敏二极管相比， 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外， 还有对电信号放大的功能。 光敏三级管的外型与一般三极管相差不大， 一般光敏

8、三极管只引出两个极发射极和集电极，基极没有引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流： Iceo= （1+）Icbo （很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子 -空穴对，使得基极产生的电流 Ib 增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流 Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。 光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如图 9 所示。由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也

9、仅0.6V ，还不能使下一级晶体管有较大的电流输出，故必须加正向偏压，如图9（ a）所示。为了减小晶体管基极电路阻抗变化，尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压， 可在光电池两端并联一个电阻。 或者如图9（b）所示的那样利用锗二极管产生的正向压降和光电池受到光照时产生的电压叠加，使硅管e、b 极间电压大于 0.7V ，而导通工作。这种情况下也可以使用硅光电池组，如图10（c）所示。半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度，如图 11（a）所示。当光照产生的光电流为时， 输出电压为了保证光敏二极管处于反向偏置，在它的正极要加一个负电压。图

10、11（b）给出硅光电池的光电转换电路，由于光电池的短路电流和光照成线性关系， 因此将它接在运放的正、反相输入端之间，利用这两端电位差接近于零的特点，可以得到较好的效果。在图中所示条件下，输出电压。5、光电传感器的类型由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的 ,按光电元件 (光学测控系统 )输出量性质可分二类 ,即模拟式光电传感器和脉冲 (开关 )式光电传感器 . 模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流 ,它与被测量间呈单值关系 .模拟式光电传感器 按被测量 (检测目标物体 )方法可分为 透射 (吸收 )式, 漫反射式 , 遮光式 (光束阻档 )三大类 .所谓透

11、射式是指被测物体放在光路中 ,恒光源发出的光能量穿过被测物 , 部份被吸收后 ,透射光投射到光电元件上，如测液体、气体透明度和混浊度的光电比色计等 ;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上 ,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上，如光电比色温度计和光照度计等 ;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射到光电元件上的光通量改变 ,改变的程度与被测物体在光路位置有关，如振动测量、工件尺寸测量； 而在脉冲式光电传感器 中在这种传感器中， 光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和

12、光电式转速测量等场合。三、光电传感器应用3.1LED 传感器光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。 在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。 LED （发光二极管）发光二极管最早出现在19 世纪 60 年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用。 LED 就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED 通电流时，它会发光。由

13、于LED 是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED 的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。不像白炽灯那样，LED 抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外， LED 所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。 （激光二极管除外， 它与普通 LED 的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离） 。LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。不过在 1970 年，人们发现 LED 还有一个比寿命长更好的优点， 就是它能够以非常快的速度来开关， 开关速度可达到 KHz 。将接收器的放大器调制到发射器的调制频率， 那么它就

14、只能对以此频率振动的光信号进行放大。 我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。 将收音机调到某台， 就可以忽略其他的无线电波信号。经过调制的 LED 发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相当于收音机。人们常常有一个误解：认为由于红外光LED 发出的红外光是看不到的， 那么红外光的能量肯定会很强。 经过调制的光电传感器的能量的大小与 LED 光波的波长无太大关系。一个 LED 发出的光能很少， 经过调制才将其变得能量很高。 一个未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段， 使接收器只能接收到发射器发出的光，才能使其能量变得很高。相比之下，经过调制的接收器能忽略周围的光， 只

15、对自己的光或具有相同调制频率的光作出响应。这就是经过调制的 LED 传感器。而未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射， 如刚出炉的红热瓶子， 在这种应用场合如果使用其它的传感器， 可能会有误动作。如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话， 那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到。 周围光源接收器也可以用来检测室外光。但是并不是说经调制的传感器就一定不受周围光的干扰， 当使用在强光环境下时就会有问题。例如，未经过调制的光电传感器，当把它直接指向阳光时，它能正常动作。我们每个人都知道，用一块有放大作用的玻璃将阳光聚集在一张纸上时，很容易就会把纸点燃。设想将玻璃替换成传感器的镜头， 将纸

16、替换成光电三极管， 这样我们就很容易理解为什么将调制的接收器指向阳光时它就不能工作了， 这是周围光源使其饱和了。调制的 LED 改进了光电传感器的设计，增大了检测距离，扩展了光束的角度，人们逐渐接受了这种可靠易于对准的光束。到 1980 年，非调制的光电传感器逐步就退出了历史舞台。红外光 LED 是效率最高的光束，同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。但是有些传感器需要用来区分颜色（如色标检测） ，这就需要用可见光源。在早期，色标传感器使用白炽灯做光源，使用光电池接收器，直到后来发明了高效的可见光 LED 。现在，多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光 LED 发射器。经调制的传

17、感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离， 这是因为检测距离是一个非常重要的参数。 未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体，这些场合要求的响应速度都非常快。但是，现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度， 能满足大多数的检测应用。3.2 光纤传感器安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用，是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰， 并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯要低， 因而折射率低。 光束照在这两种材料的边界处（入射角在一定范围

18、内，），被全部反射回来。 根据光学原理，所有光束都可以由光纤来传输。 两条入射光束（入射角在接受角以内）沿光纤长度方向经多次反射后， 从另一端射出。 另一条入射角超出接受角范围的入射光， 损失在金属外皮内。 这个接受角比两倍的最大入射角略大，这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响 （弯曲半径要大于最小弯曲半径） 。大多数光纤是可弯曲的，很容易安装在狭小的空间。而光纤中最突出的要属玻璃光纤。 玻璃光纤由一束非常细（直径约 50m）的玻璃纤维丝组成。典型的光缆由几百根单独的带金属外皮玻璃光纤组成， 光缆外部有一层护套保护。 光缆的端部

19、有各种尺寸和外形，并且浇注了坚固的透明树脂。检测面经过光学打磨，非常平滑。这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率。玻璃光纤内的光纤束可以是紧凑布置的，也可随意布置。 紧凑布置的玻璃光纤通常用在医疗设备或管道镜上。每一根光纤从一端到另一端都需要精心布置， 这样才能在另一端得到非常清晰的图像。由于这种光纤费用非常昂贵并且多数的光纤应用场合并不需要得到一个非常清晰的图像， 所以多数的玻璃光纤其光纤束是随意布置的，这种光纤就非常便宜了，当然其所得到的图像也只是一些光。玻璃光纤外部的保护层通常是柔性的不锈钢护套，也有的是PVC 或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纤可用于特殊的空间或环境，其检测

20、头做成不同的形状以适用于不同的检测要求。 玻璃光纤坚固并且性能可靠， 可使用在高温和有化学成分的环境中， 它可以传输可见光和红外光。常见的问题就是由于经常弯曲或弯曲半径过小而导致玻璃丝折断，对于这种应用场合，我们推荐使用塑料光纤。塑料光纤由单根的光纤束（典型光束直径为 0.25 到 1.5mm ）构成，通常有 PVC 外皮。它能安装在狭小的空间并且能弯成很小的角度。多数的塑料光纤其检测头都做成探针形或带螺纹的圆柱形， 另一端未做加工以方便客户根据使用将其剪短。 邦纳公司的塑料光纤都配有一个光纤刀。不像玻璃光纤，塑料光纤具有较高的柔性，带防护外皮的塑料光纤适于安装在往复运动的机械结构上。 塑料光纤吸收一定波长的光波，包括红外光，因而塑料光纤只能传输可见光。与玻璃光纤相比，塑料光纤易受高温，化学物质和溶剂的影响。对射式和直反式光纤玻璃光纤和塑料光纤既有“单根的”对射式，也有“分叉的”直反式。单根光纤可以将光从发射器传输到检测区域，或从检测区域传输到接收器。 分叉式的光纤有两个明显的分支， 可分别传输发射光和接收光， 使传感器既可以通过一个分支将发射光传输到检测区域，同时又通过另一个分支将反射光传输回接收器。 直反式的玻璃光纤，其检测头处的光纤束是随意布置的。 直反式的塑料光纤，其光纤束是沿光纤长度方向一根挨一根布置。3.4 光纤的特殊应用由于光纤受使用环境影响小并且抗电磁