機械工程測試技術-第九章

第九章：

光電傳感器石河子大學機械電氣工程學院電氣工程系石河子大學機械電氣工程學院干燥技術與裝備實驗室《機械工程測試技術》第九章 光電傳感器內(nèi)容提示：9.1

光電效應及光電元件9.2光電元件的基本應用電路9.3光電傳感器的應用9.4光電開關及光電斷續(xù)器光電傳感器的概念光電傳感器（Photo-electricTransducer）是將光信號轉換為電信號的一種傳感器。使用這種傳感器測量其他非電量（如轉速、濁度）時，只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。光電檢測法具有反應快、非接觸等優(yōu)點。9.1

光電效應及光電元件光電效應：用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf的光子的轟擊，組成該物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現(xiàn)象稱為光電效應。通常把光電效應分為三類：外光電效應內(nèi)光電效應阻擋層光電（光生伏特）效應9.1.1外光電效應及器件在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應。

基于外光電效應的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。9.1.1外光電效應及器件光電管及其特性光電管及其特性光電管及其特性在一個真空泡內(nèi)裝有兩個電極：光電陰極和光電陽極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料涂在玻璃泡內(nèi)壁上制成，其感光面對準光的入射孔，當光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸收，在光電管內(nèi)形成空間電子流，此時如外電路閉合就產(chǎn)生電流，在外電路中串入一適當阻值的電阻，則在該電阻的壓降或電路中的電流大小都與光強成函數(shù)關系，從而實現(xiàn)光電轉換。光電管及其特性一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率（頻率大于紅限頻率才會產(chǎn)生光電效應），因此它們可用于不同的光譜范圍。另外，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。光電管及其特性當入射光很微弱時，一般光電管能產(chǎn)生的光電流很小，在這種情況下，即使光電流能被放大，但噪聲也同時被放大了，因此，在弱光條件下，應采用光電倍增管。光電管及其特性光電管及其特性通常，光電倍增管的靈敏度比普通光電管要高出幾萬倍，在星光下就可以產(chǎn)生可觀的電流。但由于光電倍增管式玻璃真空器件，體積大、易破碎，工作電壓高達上千伏，所以目前已逐漸被新型半導體光敏器件所取代。9.1.2內(nèi)光電效應及器件內(nèi)光電效應：在光線的作用下能使物體的電阻率改變的光電效應。基于內(nèi)光電效應光電元件：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。光敏電阻的結構與工作原理光敏電阻時利用內(nèi)光電效應的原理制成的。在半導體光敏材料的兩端裝上金屬電極引線，將其封裝在帶有透明視窗的管殼內(nèi)就構成了光敏電阻。為了增加靈敏度，應盡量減小電極間的距離，兩電極通常做成梳狀。半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，其成分是使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。光敏電阻的結構與工作原理光敏電阻的結構與工作原理當光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。光敏電阻的主要參數(shù)暗電阻和暗電流置于室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻（通常大于1MΩ），此時流過的電流稱為暗電流。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點。光敏電阻的主要參數(shù)亮電阻和亮電流光敏電阻受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。一般希望亮電阻越小越好，亮電阻通常在幾千歐以下。光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。光敏電阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系。光敏電阻的基本特性光照特性指光敏電阻的光電流I和光照強度之間的關系。由于光敏電阻光電特性的非線性，不能用于光的精密測量，只能用于定性地判斷有無光照。光敏電阻的基本特性光譜特性光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關系。即光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的基本特性響應時間當光敏電阻受光照后，光電流需要經(jīng)過一段時間（上升時間）才能達到其穩(wěn)定值。同樣，在停止光照后，光電流也經(jīng)過一段時間（下降時間）才能恢復到其暗電流值，這就是光敏電阻的時延特性。光敏電阻的上升響應時間和下降響應時間約為10-2至10-3s。可見光敏電阻不能用于要求快速響應的場合。關于照度照度是光源照射在被照物體單位面積上的光通量。1

lx=1

lm/m2光通量是光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量總和。光通量單位：流明（lm）照度單位：勒克斯（lx）光敏二極管的結構及工作原理光敏二極管的結構與一般二極管相似、光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結上，光子打在PN結附近，使PN結附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，它們在PN結處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài)，受光照射時處于導通狀態(tài)。光敏二極管的結構及工作原理光敏二極管的結構及工作原理光敏二極管的結構及工作原理光敏晶體管的結構及工作原理光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個PN結，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結就是反向偏壓，當光照射在集電結時，就會在結附近產(chǎn)生電子—空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。光敏晶體管的結構及工作原理光敏晶體管的結構及工作原理光敏晶體管的光譜特性1－常規(guī)工藝硅光敏晶體管的光譜特性2－濾光玻璃引起的光譜特性紫偏移3－濾光玻璃引起的光譜特性紅偏移光敏二極管和晶體管的主要差別光電流光敏二極管一般只有幾微安到幾百微安，而光敏三極管一般都在幾毫安以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過1uA。響應時間光敏二極管的響應時間在100ns以下，而光敏三極管為5～10us。因此，當工作頻率較高時，應選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時，才選用光敏三極管。輸出特性光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。9.1.3光生伏特效應光生伏特效應：在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的光電效應?；诠馍匦墓怆娫汗怆姵氐取９怆姵貙嵸|(zhì)上是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。9.1.3光生伏特效應9.1.3光生伏特效應9.1.3光生伏特效應光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等最受人們重視的是硅光電池。因為它具有性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高、能耐高溫輻射、價格便宜、壽命長等特點。它不僅廣泛應用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船作為太陽能電池，而且也廣泛應用于自動檢測和其它測試系統(tǒng)中。硒光電池由于其光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以在很多分析儀器、測量儀表中也常常用到。9.2光電元件的基本應用電路9.2.1光敏電阻的基本應用電路a）UＯ與光照變化趨勢相同的電路b）UＯ與光照變化趨勢相反的電路9.2.2光敏二極管應用電路9.2.3光敏三極管應用電路9.2.3光敏三極管應用電路9.3光電傳感器的應用光電傳感器屬于非接觸式測量。依據(jù)被測物、光源、光電元件三者之間的關系，可以將光電傳感器分為以下4種類型。光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)。被測物是光源1－被測物2－光電元件9.3光電傳感器的應用恒光源發(fā)射的光通量穿過被測物，一部分由被測物吸收，剩余部分投射到光電元件上，吸收量決定于被測物的某些參數(shù)。被測物吸收光通量1－被測物2－光電元件3－恒光源9.3光電傳感器的應用恒光源發(fā)出的光通量投射到被測物上，然后從被測物表面反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被測物的某些參數(shù)。被測物是有反射能力的表面1－被測物2－光電元件3－恒光源9.3光電傳感器的應用恒光源發(fā)出的光通量在到達光電元件的途中遇到被測物，照射到光電元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸。被測物遮蔽光通量1－被測物2－光電元件3－恒光源9.3.1光源本身是被測物的應用實例照度計9.3.1光源本身是被測物的應用實例紅外線輻射溫度計紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。紅外線輻射溫度計紅外線輻射溫度計比色式溫度傳感器比色式溫度傳感器采用比色式（雙波段）測溫原理實現(xiàn)對被測目標的非接觸測溫，用戶不需知道物質(zhì)的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，不受窗口玻璃影響，能瞄準,測量小目標，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標充滿，不需調(diào)焦就可準確測量。9.3.2被測物吸收光通量的應用實例光電式濁度計1—恒流源2—半導體激光器3—半反半透鏡4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池

7、10—電流/電壓轉換器8—標準水樣光電式濁度計9.3.3被測物體反射光通量的應用實例反射式煙霧報警器反射式煙霧報警器光電式轉速表

色標傳感器色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色。色標傳感器能識別紅、綠、藍等顏色色標傳感器9.3.4被測物遮擋光通量的應用實例光電式帶材跑偏檢測器9.4光電開關及光電斷續(xù)器從原理上講，光電開關及光電斷續(xù)器沒有太大的差別，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，只是光電斷續(xù)器是整體結構，其檢測距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開關的檢測距離可達幾米至幾十米。9.4.1光電開關光電開關的結構和分類光電開關可分為遮斷型和反射型兩大類。遮斷型光電開關的發(fā)射器和接收器相對安放，軸線嚴格對準。當有物體在兩者中間通過時，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個負脈沖信號。遮斷型光電開關的檢測距離一般可達十幾米，對所有能遮斷光線的物體均可檢測。遮斷型光電開關遮斷型光電開關ObjectReceiver遮斷式光電開關由相互分離且相對安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當被檢測物體位于發(fā)射器和接受器之間時，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關信號。遮斷型光電開關定區(qū)域式光電開關咖啡罐流水線運行方向罐裝高度檢測儲料倉光幕兩個柱形結構相對而立，每隔數(shù)十毫米安裝一對發(fā)光二極管和光敏接收管，形成光幕，當有物體遮擋住光線時，傳感器發(fā)出報警信號。光幕產(chǎn)品高度測量光幕三維尺寸檢測寬度測量長度測量高度測量光幕木材外形截面積檢測光幕糾偏光幕可檢測出帶材在卷曲過程中的偏移，經(jīng)控制器和執(zhí)行機構使帶材向正確的方向運動（糾偏）。光幕光幕鍛壓機床的安全區(qū)域設置及入侵報警反射型光電開關反射型光電開關分為兩種情況：反射鏡反射型及被測物漫反射型（簡稱散射型）。反射鏡反射型光電開關采用較為方便的單側安裝方式，但需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對安裝角度的變化不太敏感，有的還采用偏光鏡，它能將光源發(fā)出的光轉變成偏振光（波動方向嚴格一致的光