光電傳感器應用論文

1、現(xiàn)代傳感技術的應用課程結業(yè)論文題 目：光電傳感器的應用姓 名： 馬瑞 學 號： 200920410002 學 院： 材料科學與工程學院 班 級： 材物09 日 期： 2012.5.12 光電傳感器概況:在科學技術高速發(fā)展的現(xiàn)代社會中，人類已經入瞬息萬變的信息時代，人們在日常生活，生產過程中，主要依靠檢測技術對信息經獲取、篩選和傳輸，來實現(xiàn)制動控制，自動調節(jié)，目前我國已將檢測技術列入優(yōu)先發(fā)展的科學技術之一。 由于微電子技術，光電半導體技術，光導纖維技術以及光柵技術的發(fā)展，使得光電傳感器的應用與日俱增。這種傳感器具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數多、反應快以及結構簡單,形式靈活多樣等

2、優(yōu)點，在自動檢測技術中得到了廣泛應用，它一種是以光電效應為理論基礎，由光電材料構成的器件?，F(xiàn)代電測技術日趨成熟，由于具有精度高、便于微機相連實現(xiàn)自動實時處理等優(yōu)點，已經廣泛應用在電氣量和非電氣量的測量中。然而電測法容易受到干擾，在交流測量時，頻率響應不夠寬及對耐壓、絕緣方面有一定要求，在激光技術迅速發(fā)展的今天，已經能夠解決上述的問題。 磁光效應傳感器就是利用激光技術發(fā)展而成的高性能傳感器。激光，是本世紀60年代初迅速發(fā)展起來的又一新技術，它的出現(xiàn)標志著人們掌握和利用光波進入了一個新的階段。由于以往普通光源單色度低，故很多重要的應用受到限制，而激光的出現(xiàn)，使無線電技術和光學技術突飛猛進、相互滲透

3、、相互補充?，F(xiàn)在，利用激光已經制成了許多傳感器，解決了許多以前不能解決的技術難題，使它適用于煤礦、石油、天然氣貯存等危險、易燃的場所。 比如說用激光制成的光導纖維傳感器，能測量原油噴射、石油大罐龜裂的情況參數。在實測地點，不必電源供電，這對于安全防爆措施要求很嚴格的石油化工設備群尤為適用，也可用來在大型鋼鐵廠的某些環(huán)節(jié)實現(xiàn)光學方法的遙測化學技術。 磁光效應傳感器的原理主要是利用光的偏振狀態(tài)來實現(xiàn)傳感器的功能。當一束偏振光通過介質時，若在光束傳播方向存在著一個外磁場，那么光通過偏振面將旋轉一個角度，這就是磁光效應。也就是可以通過旋轉的角度來測量外加的磁場。在特定的試驗裝置下，偏轉的角度和輸出的光

4、強成正比，通過輸出光照射激光二極管LD，就可以獲得數字化的光強，用來測量特定的物理量。正文一、 工作原理光電效應 光電效應一般有外光電效應、光導效應、光生伏特效應。光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料表面而進入外界空間，從而改變光電子材料的導電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應根據愛因斯坦的光電子效應，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克

5、服正離子的束縛，另一部分轉換成電子能量。根據能量守恒定律：式中，m為電子質量,v為電子逸出的初速度,A微電子所做的功。 由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，都不會產生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應的波長為 式中，c為光速，A為逸出功。 光電元件及特性 根據外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。 1.光電管 光電管的種類繁多，典型的產品有真空光電管和充氣光電管，光它的外形和結構如圖1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰

6、極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強增大，轟擊陰極的光子數增多，單位時間內發(fā)射的光電子數也就增多，光電流變大。在圖2所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強

7、成函數關系，從而實現(xiàn)光電轉換。當光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極表面逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產生電流I，在負載電阻 上的電壓光電管的光電特性如圖3 所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性基本是一條直線。圖3光電管的光電特性圖2光電管測量電路圖1光電光結構示意圖 2.光電倍曾管 由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4是光電倍增管結構示意圖。圖4光電倍增結構示意圖從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A，與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設置了若干個二次發(fā)射電極，D1、D2、D3它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、，倍增電極通

8、常為1015級。光電倍增管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級升高，陽極電位最高。當入射光照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1 ，引起二次電子發(fā)射，一個入射的光電子可以產生多個二次電子， D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產生二次電子發(fā)射，這樣逐級產生的二次電子發(fā)射，使電子數量迅速增加，這些電子最后到達陽極，形成較大的陽極電流。若倍增電極有n級，各級的倍增率為 ，則光電倍增管的倍增率可以認為是N ，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內具有良好的線

9、性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。 3、光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數如下：1）暗電阻 光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。2)亮電阻 光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。4、伏安特性 光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關系稱為伏安特性，如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。圖5光敏電阻的伏安

10、特性5、光電特性 光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點之一。光電傳感器光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結構如圖6，它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數多,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛. 圖7 光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關系，來達到測量目的的，因此光電傳感

11、器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設計至關重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準確性，常用光源有以下幾種： 1、發(fā)光二極管 是一種把電能轉變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。 2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。 光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，

12、如圖9所示。由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9（a）所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻?；蛘呦髨D9（b）所示的那樣利用鍺二極管產生的正向壓降和光電池受到光照時產生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10（c）所示。 半導體光電元件的光電轉換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖11（a）所示。當光照產生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于

13、反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖11（b）給出硅光電池的光電轉換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中

14、,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上，如測液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計數和光電式轉速測量等場合。 四、光電傳感器的應用1.

15、 火焰探測報警器圖 8 - 23 是采用硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖。 硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1 M， 亮電阻為 0.2 M(光照度 0.01 W/m2下測試的)，峰值響應波長為2.2m。 硫化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為 6 V，電流約為 6。V2管集電極電阻兩端并聯(lián) 68 F的電容， 可以抑制 100 Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。V2、V3構成二級負反饋互補放大器， 火焰的閃動信號經二級放大后送給中心控制站進行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值的變化不致于影響輸出信號的幅度， 保證火焰報警器

16、能長期穩(wěn)定地工作。2. 光電式緯線探測器光電式緯線探測器是應用于噴氣織機上， 判斷緯線是否斷線的一種探測器。圖 8 -24 為光電式緯線探測器原理電路圖。當緯線在噴氣作用下前進時，紅外發(fā)射管VD發(fā)出的紅外光，經緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號時，說明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號，通過后續(xù)電路放大、脈沖整形等，控制機器正常運轉還是關機報警。由于緯線線徑很細，又是擺動著前進，形成光的漫反射， 削弱了反射光的強度，而且還伴有背景雜散光，因此要求探緯器具備高的靈敏度和分辨力。為此，紅外發(fā)光管VD采用占空比很小的強電流脈沖供電，這樣既保證發(fā)光管使用壽命， 又能在瞬間有強光射出，以提高檢測靈敏度。一般來說，光電池輸出信號比較小，需經放大、脈沖整形以提高分辨力。3. 燃氣熱水器中脈沖點火控制器由于煤氣是易燃、易爆氣體，所以對燃氣器具中的點火控制器的要求是安全、穩(wěn)定、可靠。為此電路中有這樣一個功能， 即打火確認針產生火花，才可打開燃