第七章光电传感器.ppt

1、第七章 光电传感器,目的要求： 通过学习要求掌握光电传感器的基本原理，学会选用方法和技巧，能用其组成测量系统。,本次课主要讲述内容：,本章主要讲述以下内容 ：,1、光电传感器原理,2、光电效应（重点）,5、光电传感器的应用,3、外光电效应元件,4、内光电效应元件,一、光电传感器的原理及类型,1、原理 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件，原理如下图。,2、光电传感器的分类,按光电元件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

2、(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。,（1）透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，因此又称之为吸收式,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,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，使投射刭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。,二、光电效应,1、定义：对不同频率的光，其光子能量E=hV是不相同的，光波频率V越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串能量为Au的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子

3、，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现象称为光电效应。,2、光电效应的分类： 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、光敏晶体管等。 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。,三、光电管和光电倍增管,1.结构原理 光电管是利用外光电效应制成的光电元件,如下图所示：半圆筒

4、形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。当电子能量大于阴极材料的逸出功A时，它就逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子,由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。,光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。,K,当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D

5、1产生二次电子发射，每一个电子的轰击约可产生35个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2，。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有813个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有n级，各级的倍增率为，则光电倍增管的倍增率可以认为是n，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。,2.与测量有关的两个参数 (1) 暗电流 光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。 (2) 光谱响应特征 光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不

6、相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为：,四、光敏电阻 1.工作原理 光敏电阻是一种光电效应半导体器件，应用于光存在与否的感应（数字量）以及光强度的测量（模拟量）等领域。它的体电阻系数随照明强度的增强而减小，容许更多的光电流流过。 光敏电阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底衬上覆一层光电半导体材料。金属接触点盖在光电半导体面下部。这种光电半导体材料薄膜元件有很高的电阻。所以在两个接触点之间，做的狭小、交叉，使得在适度的光线时产生较低的阻值。,五、光敏二极管和三极管 1.基本原理 其结构如下图所示，只是它的PN结装在管

7、壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，有光照时反向导通。,2.主要特性 1)光谱特性 在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光敏晶体管的光谱特性。 2)伏安特性 光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就象普通三极管在不同基极电流下的输出特性一样，在这里改变光照就相当于改变一般三极管的基极电流，从而得到一簇输出曲线。,3)光电特性 它指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流和光照度的关系。光敏二极管的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加较小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。 4)频

8、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。减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。光敏三极管的频响比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级。,六、光电池 1.工作原理 它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成一个大面积PN结，当光照射P区时，在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子.空穴对，P区表面吸收的光子最多，激发的电子空穴最多，越向内部越少，这种浓度差便形成内部电场。,2.主要特性 1)光谱特性 光电池对不同波长的光， 灵敏度是不同的。右图是硅 光电池和硒光电池的光谱特 性曲线。从中可知，不同材 料的光电池适用的入射光波 长范围

9、也不相同。,2)光电特性 光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不相同的。硅光电池的光电特性如图所示。其中曲线1是负载电阻无穷大时的开路电压特性曲线，曲线2是负载电阻相对于光电池内阻很小时的短路电流特性曲线。,3)温度特性 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的情况。如图所示，从中可看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降，温度上升1，开路电压约降低3mV。,七、光电传感器 光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图所示。图中，1是光源发出的光信号，2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的

10、电信号I。光电传感器在越来越多的领域内得到广泛的应用。,1. 光电传感器的类型 1） 模拟式光电传感器 这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化的，通常有以下四种结构形式。 (1)光源本身是被测物，如右图所示。这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。 (2)恒定光源发射的光穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，如右图所示。可用于测量透明度、混浊度。,(3)恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如左图所示。可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。 (4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到

11、光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如右图所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。,2. 脉冲式光电传感器 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，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。 六、光电传感器的常用光源 光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。常用光源有以下几种。,1.发光二极管 这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

12、路相匹配。 2.钨丝灯泡 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，可有效防止其他光线的干扰。 3.激光 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点。,七、光电转换电路 半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用右图所示的电路。 右图a为带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的。,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

13、电路，如下左图所示。 由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅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，如下右图所示。,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，如下左图所示。下右图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U0=2IRF。,八、光电传感器的应用 1.透射式光电传感器在烟尘浊度监测上的应用 透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带

14、槽的支架上，如图所示。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等。,下图是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图：为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气与二氧二碳对光源衰减的影响，选取可见光作光源。光检测器光谱响应范围为400到600nm的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。报警电路由多谐振荡器组成，当运算放大器输出浊度信号超过规定时，多谐振荡器工作，输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号。,2. 漫反射型光电传感器 漫射型光电传感器有时也称作接近传感器。在这种传感器中，发光器和接收器装在同一个机壳中。发光器发出的光线射到目标物体上，目标物体光线反射回

15、来，什么角度的反射光都有。 虽然该类传感器装简单置，即它不需要其他的元器件，例如反射镜或者单独的接收器。但敏感范围及接收器的能力受目标物体的颜色、尺寸、表面光洁度等因素的影响较大，故此着重研究其漫射聚焦型传感器。,1）漫射聚焦型传感器 这是效率较高的一种漫射型光电传感器，其原理如下图。发光器透镜聚焦在传感器前面固定的一点上，接收器透镜也是聚焦在同一点上。这种传感器能够检测在焦点上的物体，允许物体前后偏离焦点一定距离，这个距离称作“敏感窗口”。 当物体在敏感窗口以外， 在焦点之前或者之后 便检测不到。,对于具有电子式背景光抑制功能的漫射型传感器，在传感器中使用一只位置敏感元件(PSD)而不是使用

16、机械元件，如下图所示。发光器发出一束光线，光束反射回来，从目标物体反射回来的光线和从背景物体反射回来的光线到达位置敏感元件的两个不同位置。,2） 实用背景抑制漫反射光电传感器 这种传感器发光器和接收器装在同一个机壳中，采用背景抑制技术，将由目标之外的物体反射光引起假切换的危险降低到最小。如果目标移动并且从离预设距离更远的物体上得到反射时，接收的光线角度将改变。该背景抑制漫射光电传感器控制输出线路如下图所示。,3）镜面反射式光电传感器 它的发光器和接收器装在同一个机壳中，这与漫射型传感器是一样的。但是它使用一只反射镜把发光器产生的光线反射到接收器上。如下图所示与漫射型传感器相比，镜面反射式传感器

17、的敏感距离比较大。,下图是镜面反射式光电传感器使用示意图：应先将传感器和反射镜面对面安装后，连接电源；后再调节传感器或反射镜面的上下左右位置，使传感器的指示灯变亮；最后可靠安装两者后，并校对使其检测到目标；如果被测物的反射率比发射镜面高，它会发生误动作，在传感器和被测物留有足够的空间，或把被测物和光轴成30度的角度。,3. 遮光式光电传感器 这种传感器需要两个独立的机壳，一个机壳中安装发光器，另一个机壳中安装接收器。当有目标物体把光线挡住时，接收器的输出便发生变化。遮光式光电传感器有很多类型。最常见的是用一只发光器、一只接收器，在发光器与接收器之间只有一束光线。另一种是“槽式”或“叉式”光电传

18、感器，这时，发光器和接收器都装在同一个机壳中，不存在对准的问题。光栅是由很多不同的发光器和不同的接收器排列起来组成的，发光器装在一个机壳中，接收器装在另一个机壳中，当它们互相对准时，便形成一片光束。,九、光电传感器的应用 1.光电式带材跑偏检测器 光电式带材跑偏检测器原理如下图所示。光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束,投向透镜2,随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中,有部分光线受到被测带材的遮挡,使传到光敏电阻的光通量减少。,下图是其测量电路简图。当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻1阻值减少，电桥失去平衡。输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，输出正电压信号一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。,2.包装充填物高度检测 下图所示为借助光电检测技术控制充填高度的原理，当充填高度偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。利用光电开