自動檢測技術(shù)第8章--光電傳感器課件

1、 第一節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件第二節(jié) 光電傳感器與光電檢測第三節(jié) 光導(dǎo)纖維傳感器第八章 光電傳感器 采用光電元件作為檢測元件的傳感器被稱為光電傳感器。光電傳感器由光源、光學(xué)通路和光電元件組成。 主要特點(diǎn)：精度高、反應(yīng)快、非直接接觸、結(jié)構(gòu)簡單、形式多樣、應(yīng)用廣泛。 第一節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件1.外光電效應(yīng)：在光線作用下電子從物體表面逸出。2.內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下物體的電阻率改變。3.光生伏特效應(yīng)：在光線作用下物體具有發(fā)電能力。光電效應(yīng) 一、光電管、光電倍增管利用外光電效應(yīng)制成的光電器件（一）光電管光輸入 陽極陰極電子逸出 電輸出光以光速運(yùn)動的粒子流單個光子能量：普郎克常數(shù)光波頻率光電管中的自由

2、電子逸出條件：電子質(zhì)量逸出初速度逸出功光波頻率即光波頻率光波波長或光速光電管測量電路： 可見，要使光電管中的自由電子逸出，頻率不能太低，波長也不能太長。為入射光波長上限，也被稱為“紅限”光電管陰極陽極 電壓輸出光輸入光電管（二）光電倍增管 光電倍增管具有放大光電子電流的能力。 光電倍增管具1015級倍增電極，電位依次升高，使得陰極因接受光能而發(fā)射的電子逐級加速，且受光電子的數(shù)量逐級增多，形成較大的光電流。可用于微光測量。 設(shè)單級的信號倍增率為 ，則多級的倍增率為 。光輸入 陽極陰極 -+ - - -+ -+ -+ - -光電倍增管測量電路：直流電源光線輸出電壓陰極陽極二、光敏電阻光照電路符號（

3、一）工作原理：由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，利用內(nèi)光電效應(yīng)而工作。 光敏電阻當(dāng)光線照射時，因材料中的電子空穴對增加，其電阻值會變小，當(dāng)光照消失時，電阻會恢復(fù)原值。這種現(xiàn)象被稱為光導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻沒有極性，純粹是電阻器件，即可以加直流電壓，也可以加交流電壓工作。光敏電阻（二）基本特性和參數(shù)1、暗電阻、亮電阻 光敏電阻在室溫和全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，或暗阻。此時流過的電流稱為暗電流。光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻或亮阻。此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。2、伏安特性 在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與流過光敏電阻的電流之間的關(guān)系，稱為伏安特性。

4、3、光電特性 光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性。因此不適宜做檢測元件，這是光敏電阻的缺點(diǎn)之一，在自動控制中它常用做開關(guān)式光電傳感器。光敏電阻伏安特性圖光敏電阻光照特性圖4、光譜特性 對于不同波長的入射光，光敏電阻的相對靈敏度是不相同的。各種材料的光譜特性如圖所示。從圖中看出，硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域，因此在選用光敏電阻時應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。5、頻率特性 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時延特性。由于不同材料的光

5、敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。多數(shù)光敏電阻的時延都較大，因此不能用在要求快速響應(yīng)的場合。光敏電阻的光譜特性硫化鎘硫化鉈硫化鉛光敏電阻的頻率特性硫化鉛光敏電阻硫化鉈光敏電阻硫化鉛的光譜溫度特性三、光敏晶體管 光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理也是基于內(nèi)光電效應(yīng)，和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導(dǎo)體結(jié)上，結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過程。（一）工作原理 光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是它的結(jié)裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在結(jié)上。光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，如圖所示。當(dāng)結(jié)加反向電壓時，反向電流的大小取決于區(qū)和區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光

6、照時反向電流很小。當(dāng)光照結(jié)時，反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，通過外電路的光電流強(qiáng)度也會隨之變動，光敏二極管就把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號。光敏三極管有兩個結(jié)，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。其結(jié)構(gòu)如圖所示。硅光敏晶體管（二）基本特性1、光譜特性 在入射光照度一定時，光敏晶體管的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種光敏晶體管只對一定波長范圍的入射光敏感，這就是光敏晶體管的光譜特性。 由曲線可以看出，當(dāng)入射光波長增加時，相對靈敏度要下降。 從曲線還可以看出，不同材料的光敏晶體管，光譜峰值波長不同。硅管的峰值波長為0.9左右，鍺管的峰值波長為1.5左右。由于鍺管的暗電流比

7、硅管大，所以鍺管性能較差。因此在探測可見光或赤熱物體時，多采用硅管。但對紅外光進(jìn)行探測時，采用鍺管較為合適。2、伏安特性 光敏三極管在不同照度下的伏安特性，就像普通三極管在不同基極電流下的輸出特性一樣，如圖所示。在這里改變光照就相當(dāng)于改變一般三極管的基極電流，從而得到光敏三極管伏安特性一簇曲線。3、光電特性 指外加偏置電壓一定時，光敏晶體管的輸出電流和光照度的關(guān)系。一般說來，光敏二極管光電特性的線性較好，而光敏三極管在照度小時，光電流隨照度增加較小，并且在光照足夠大時，輸出電流有飽和現(xiàn)象。這是由于光敏三極管的電流放大倍數(shù)在小電流和大電流時都下降的緣故。硅管鍺管光譜特性（紫外-紫-紅-紅外）伏安

8、特性光照度小光照度大4、溫度特性 溫度的變化對光敏晶體管的亮電流影響較小，但是對暗電流的影響卻十分顯著，如圖所示。因此，光敏晶體管在高照度下工作時，由于亮電流比暗電流大得多，溫度的影響相對來說比較小。但在低照度下工作時，因?yàn)榱岭娏鬏^小，暗電流隨溫度變化就會嚴(yán)重影響輸出信號的溫度穩(wěn)定性。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)選用硅光敏管，或者將光信號進(jìn)行調(diào)制，對輸出的電信號采用交流放大，利用電路中隔直電容的作用，就可以隔斷暗電流，消除溫度的影響。5、頻率特性 光敏晶體管受調(diào)制光照射時，相對靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特性，如圖所示。溫度特性輸出電流暗電流頻率特性輸出靈敏度四、光電池 光電池是一種自發(fā)電式的光電元件

9、，它受到光照時自身能產(chǎn)生一定方向的電動勢，在不加電源的情況下，只要接通外電路，便有電流通過。光電池的種類很多，有硒、氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、鍺、硅、砷化鎵光電池等，其中應(yīng)用最廣泛的是硅光電池，因?yàn)樗幸幌盗袃?yōu)點(diǎn)，例如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、能耐高溫輻射等。另外，由于硒光電池的光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以很多分析儀器、測量儀表也常用到它。（一）工作原理 硅光電池的工作原理基于光生伏特效應(yīng)，它是在一塊型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些型雜質(zhì)而形成的一個大面積結(jié)，如圖所示。當(dāng)光照射區(qū)表面時，若光子能量大于硅的禁帶寬度，則在區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子-空穴對，區(qū)表面吸收的光

10、子最多，激發(fā)的電子-空穴對最多，越向內(nèi)部則越少。這種濃度差便形成從表面向體內(nèi)擴(kuò)散的自然趨勢。由于結(jié)內(nèi)電場的方向是由區(qū)指向區(qū)的，它使擴(kuò)散到結(jié)附近的電子-空穴對分離，光生電子被推向區(qū)，光生空穴被留在區(qū)。從而使區(qū)帶負(fù)電，區(qū)帶正電，形成光生電動勢。若用導(dǎo)線連接區(qū)和區(qū)，電路中就有光電流流過。光線照射發(fā)電電路符號硅光電池（二）基本特性1、光譜特性 光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的。硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線如圖所示。從圖中可知，不同材料的光電池適用的入射光波長范圍也不相同。硅光電池的適用范圍寬，對應(yīng)的入射光波長可在0.451.1之間，而硒光電池只能在0.340.57波長范圍，它適用于可見光檢測。

11、2、光電特性 光電池在不同的光照度下，光生電動勢和光電流是不相同的。硅光電池的光電特性如圖所示。其中曲線是負(fù)載電阻無窮大時的開路電壓特性曲線，曲線是負(fù)載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時的短路電流特性曲線。開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的，而且在光照變?yōu)?000lx時就趨于飽和，而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，負(fù)載電阻越小，這種線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。3、溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。溫度特性是光電池的重要特性之一。從圖中可以看出，硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降，溫度上升，開路電壓約降低。短路電流卻隨溫度上升而緩慢增加。4、頻率特性 光電池的

12、頻率特性是指輸出電流與入射光調(diào)制頻率的關(guān)系。當(dāng)入射光照度變化時，由于光生電子-空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合都需要一定時間，因此入射光調(diào)制頻率太高時，光電池輸出電流的變化幅度將下降。硅光電池的頻率特性較好，工作頻率的上限約為數(shù)萬赫茲，而硒光電池的頻率特性較差。在調(diào)制頻率較高的場合，應(yīng)采用硅光電池。第二節(jié) 光電傳感器與光電檢測 光電傳感器組成：光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，是光源發(fā)出的光信號，是光電器件接受的光信號，被測量可以是或者，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號。一、光電傳感器的類型 按照光電元件輸出電信號的形式可以分為模擬式和脈沖式兩大類。（一

13、）模擬式光電傳感器 光電元件接受的光通量隨被測量連續(xù)變化，輸出的光電流也是連續(xù)變化的。這類傳感器通常有四種形式。（二）脈沖式光電傳感器 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(guān)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(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。二、光電傳感器的常用光源 光源是許多光電傳感器的重要組成部分，要使光電傳感器很好地工作，除了合理選用光電元件外，還必須配備合適的光源。常用光源有以下幾種。（一）發(fā)光二極管 一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。（二）鎢絲燈泡 常用的光源（三）激光 激光具有能量高度集中，方向性好等優(yōu)點(diǎn)，是很 理想

14、的光源。三、光電轉(zhuǎn)換電路 由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當(dāng)?shù)臏y量電路。測量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測量電路也不相同。四、光電檢測實(shí)例（一）型光電比色高溫計 光電比色高溫計是一種非接觸式高溫測量儀表，它是根據(jù)輻射體在兩個不同波長上的輻射能量之比來測量溫度的，如圖所示。 測溫對象發(fā)出的輻射線經(jīng)過物鏡成像于光闌，通過光導(dǎo)棒投射在分光鏡上，分光鏡使長波輻射線（紅外光）透射，而將短波輻射線（可見光） 反射。透過分光鏡的長波輻射線再經(jīng)濾色片將殘余的短波部分濾除，而后被作為紅外光電元件的硅光電池所

15、接收，從而得到與該波長輻射強(qiáng)度成單值函數(shù)關(guān)系的電信號輸出。由分光鏡反射出來的短波輻射線，再經(jīng)濾色片將長波部分濾去，被作為可見光接受元件的硅光電池所接受，轉(zhuǎn)換成與此波長輻射強(qiáng)度成函數(shù)關(guān)系的電信號輸出。將這兩個電信號輸入自動平衡顯示記錄儀，根據(jù)光電信號比，即可得出被測對象的溫度值。（二）光電比色計 這是一種用于化學(xué)分析的儀器，原理結(jié)構(gòu)如圖所示。 光源發(fā)出的光分為左右兩束強(qiáng)度相等的光線。其中一束穿過標(biāo)準(zhǔn)樣品投射在光電池上，另一束穿過被分析的樣品溶液，投射在光電池上。兩光電池輸出的電信號同時送給差動放大器，放大器輸出端接有指示儀表。被檢測的樣品溶液在顏色、成分或混濁度等某一方面與標(biāo)準(zhǔn)樣品的差異，將導(dǎo)致

16、兩光電池接受到的透射光強(qiáng)度不等，從而轉(zhuǎn)換出兩個不同大小的電信號，經(jīng)差動放大器放大后，可帶動指示儀表。由此，就能夠?qū)Ρ粰z測樣品的某項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測定。光電比色計（三）光電式帶材跑偏檢測儀 這種裝置可以用來檢測帶材在加工過程中偏離正確位置的大小和方向。例如，在冷軋帶鋼生產(chǎn)線上，如果帶鋼的運(yùn)動出現(xiàn)走偏現(xiàn)象，就會使其邊緣與傳送機(jī)械發(fā)生碰撞摩擦，引起帶鋼卷邊或斷裂，造成廢品，同時也可能損壞傳送機(jī)械。因此，在生產(chǎn)過程中必須自動檢測帶材的走偏量并隨時予以糾正。光電帶材跑偏檢測儀由光電式邊緣位置傳感器和測量電橋、放大電路組成。 光電式邊緣位置傳感器的原理如圖所示。（四）光電式轉(zhuǎn)速儀 光電式轉(zhuǎn)速儀利用光電傳感器，將

17、旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速變換成相應(yīng)頻率的電信號，通過放大整形電路加工成方波信號，由頻率計電路測出方波信號頻率，經(jīng)處理后由顯示器顯示旋轉(zhuǎn)體每分鐘轉(zhuǎn)動的圈數(shù)即轉(zhuǎn)速。用這種方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量時，傳感器結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高。與機(jī)械式轉(zhuǎn)速表和接觸式電子轉(zhuǎn)速表相比，可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，因此不會影響被測物的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。由于光電元件的反應(yīng)速度快，動態(tài)特性較好，因此特別適合高轉(zhuǎn)速的測量。 光電轉(zhuǎn)速傳感器分為反射式和直射式兩種。 便攜式光電轉(zhuǎn)速表 （五）光電傳感器和光電檢測的其他應(yīng)用 圖8-32給出了光電傳感器在工業(yè)測控中的四種應(yīng)用實(shí)例。 在圖中，利用反射式光電傳感器檢測布料的有無和寬度；利用遮擋式光電傳感器檢測布料的下垂度，檢測

18、結(jié)果可用于調(diào)整布料在傳送中的張力。 在圖中，當(dāng)兩行車過分靠近時，光電傳感器即有反應(yīng)，可發(fā)出報警信號或形成控制信號防止行車相撞。 在圖中利用安裝于框架上的反射式光電傳感器可以發(fā)現(xiàn)漏裝產(chǎn)品的空箱，并利用油缸桿將空箱推出。 在圖中利用長距離反射式光電傳感器檢測傳送線上吊掛的金屬板。 光導(dǎo)纖維能夠大容量、高效率地傳輸光信號，實(shí)現(xiàn)了以光代電傳輸信息。自向世以來，主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域，由此形成的光纖通信帶來了通信方式革命性的變化。在自動檢測領(lǐng)域中將光導(dǎo)纖維的應(yīng)用與傳統(tǒng)的光電檢測技術(shù)相結(jié)合就產(chǎn)生了一種新傳感器光導(dǎo)纖維傳感器，簡稱光纖傳感器。第三節(jié)光導(dǎo)纖維傳感器一、光纖傳感器的工作原理和特點(diǎn) 光纖傳感器主要由光導(dǎo)纖維、光源和光探測器組成。 半導(dǎo)體光源是光纖傳感器的理想光源，常用的有半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光二極管。 光探測器一般均為半導(dǎo)體光敏元件。 光導(dǎo)纖維是利用光的完全內(nèi)反射原理傳輸光波的一種媒質(zhì)。如圖8-33所示，光導(dǎo)纖維由高折射率的纖芯和低折射率的包層組成。當(dāng)通