光電傳感器課件

光電傳感器目的要求：通過學(xué)習(xí)要求掌握光電傳感器的基本原理，學(xué)會選用方法和技巧，能用其組成測量系統(tǒng)。本次課主要講述內(nèi)容：本章主要講述以下內(nèi)容：1、光電傳感器原理2、光電效應(yīng)（重點）5、光電傳感器的應(yīng)用3、外光電效應(yīng)元件4、內(nèi)光電效應(yīng)元件一、光電傳感器的原理及類型1、原理光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件，原理如下圖。2、光電傳感器的分類按光電元件輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(biāo)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。（1）透射式是指被測物體放在光路中，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，因此又稱之為吸收式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遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)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(guān)。

二、光電效應(yīng)1、定義：對不同頻率的光，其光子能量E=hV是不相同的，光波頻率V越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串能量為Au的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。2、光電效應(yīng)的分類：1)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。2)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等。3)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。

三、光電管和光電倍增管1.結(jié)構(gòu)原理光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件如下圖所示：半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)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(dāng)電子能量大于陰極材料的逸出功A時，它就逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子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。光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進行真空封裝。K當(dāng)有光子入射到光陰極K上，只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功，就會有電子從陰極的表面逸出而成為光電子。在K和D1之間的電場作用下，光電子被加速后轟擊第一倍增極D1，從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射，每一個電子的轟擊約可產(chǎn)生3～5個二次電子，這樣就實現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場加速后轟擊D2，……。這樣的過程一直持續(xù)到最后一級倍增極Dn，每經(jīng)過一級倍增極，電子數(shù)目便被放大一次，倍增極的數(shù)目有8～13個，最后一級倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽極A收集。若倍增電極有n級，各級的倍增率為б，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是бn，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。2.與測量有關(guān)的兩個參數(shù)(1)暗電流光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會有一個很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。(2)光譜響應(yīng)特征光電倍增管對不同波長的光入射的響應(yīng)能力是不相同的，這一特性可用光譜響應(yīng)率表示。在給定波長的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電倍增管的絕對光譜響應(yīng)率，表示為：

四、光敏電阻1.工作原理

光敏電阻是一種光電效應(yīng)半導(dǎo)體器件，應(yīng)用于光存在與否的感應(yīng)（數(shù)字量）以及光強度的測量（模擬量）等領(lǐng)域。它的體電阻系數(shù)隨照明強度的增強而減小，容許更多的光電流流過。光敏電阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底襯上覆一層光電半導(dǎo)體材料。金屬接觸點蓋在光電半導(dǎo)體面下部。這種光電半導(dǎo)體材料薄膜元件有很高的電阻。所以在兩個接觸點之間，做的狹小、交叉，使得在適度的光線時產(chǎn)生較低的阻值。

五、光敏二極管和三極管1.基本原理

其結(jié)構(gòu)如下圖所示，只是它的PN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PN結(jié)上，有光照時反向?qū)ā?/p>

2.主要特性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人射光敏感，這就是光敏晶體管的光譜特性。2)伏安特性光敏三極管在不同照度下的伏安特性，就象普通三極管在不同基極電流下的輸出特性一樣，在這里改變光照就相當(dāng)于改變一般三極管的基極電流，從而得到一簇輸出曲線。

3)光電特性它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。光敏二極管的線性較好，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。4)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。減少負(fù)載電阻能提高響應(yīng)頻率，但輸出降低。光敏三極管的頻響比光敏二極管差得多，鍺光敏三極管的頻響比硅管小一個數(shù)量級。

六、光電池1.工作原理

它是在一塊N型硅片上用擴散的方法摻人一些P型雜質(zhì)而形成一個大面積PN結(jié)，當(dāng)光照射P區(qū)時，在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子.空穴對，P區(qū)表面吸收的光子最多，激發(fā)的電子空穴最多，越向內(nèi)部越少，這種濃度差便形成內(nèi)部電場。2.主要特性

1)光譜特性

光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的。下圖是硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從中可知，不同材料的光電池適用的入射光波長范圍也不相同。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1是負(fù)載電阻無窮大時的開路電壓特性曲線，曲線2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。3)溫度角特性光電粉池的侵溫度飼特性吳是指旗開路我電壓訪和短故路電照流隨依溫度斤變化浪的情總況。叼如圖浸所示訊，從駛中可驅(qū)看出明硅光腰電池糖開路腳電壓嘴隨溫爐度上叔升而甚明顯工下降道，溫倦度上爆升1℃，開克路電壓硬約降低3mV。七、光晃電傳感余器光電站傳感目器通擁常由吧光源譜、光興學(xué)通招路和口光電接元件蹤蝶三部旨分組撲成，撓如圖柜所示珍。圖矩中，Ф1是光源短發(fā)出的場光信號絮，Ф2是光電喂器件接被受的光治信號，接被測量脾可以是x1或者x2，它們能貧夠分別碌造成光樸源本身璃或光學(xué)因通路的菌變化，旬從而影銳響傳感學(xué)器輸出搭的電信剪號I。光電璃傳感拌器在代越來扇越多旺的領(lǐng)怎域內(nèi)沿得到徹廣泛蛋的應(yīng)根用。1.光電才傳感略器的封類型1）補模擬式譽光電傳忙感器這種聞傳感慘器中呢光電刻元件席接受胃的光橋通量優(yōu)隨被補測量桌連續(xù)剛變化套的，換通常傲有以宅下四邪種結(jié)態(tài)構(gòu)形典式。1)光源量本身凳是被蓬測物鄰，如惕右圖煮所示樹。這得種型莫式的頓光電齡傳感偏器可游用于巾光電視比色跨高溫泄計和罰照度博計。2)恒定光亮源發(fā)射付的光穿卸過被測垃物，其跨中一部寒分被吸橡收，剩美余的部蔽分投射箏到光電頃元件上婚，如右寨圖所示姨?？捎脟嵱跍y量淚透明度獎、混濁關(guān)度。3)討恒定禍光源井發(fā)射殼的光處通量曲投射俊到被者測物徐上，形由被譜測物淺表面暢反射洗后再宅投射宿到光勤電元牽件上輪，如猾左圖愈所示音?？擅缬糜谒罍y量崗工件盒表面瓶粗糙倍度、逝紙張格的白篩度等哨。4)從招恒定光薯源發(fā)射疾出的光衣通量在銜到達光售電元件幣的途中宗受到被瓶測物的心遮擋，貪使投射雪到光電散元件上晉的光通尖量減弱水，光電洋元件的埋輸出反新映了被導(dǎo)測物的省尺寸或聞位置。融如右圖逃所示。忌這種傳赤感器可東用于工企件尺寸王測量、索振動測使量等場抓合。2.脈沖趁式光患電傳驚感器在這種滲傳感器轉(zhuǎn)中，光杜電元件疼接受的灰光信號編是斷續(xù)穗變化的境，因此福光電元茂件處于喚開關(guān)工途作狀態(tài)斬，它輸膏出的光車電流通箏常是只外有兩種顫穩(wěn)定狀離態(tài)的脈爸沖形式恩的信號桑，多用壩于光電找計數(shù)和聰光電式睛轉(zhuǎn)速測乞量等場鞋合。六、光電記傳感糟器的昏常用區(qū)光源光源束是許溫多光猛電傳靈感器民的重背要組未成部系分，蜘要使?fàn)C光電域傳感效器很朽好地刑工作先，除掩了合漢理選估用光能電元慌件外仁，還財必須流配備巖合適拌的光挑源。恒常用駱光源蠢有以框下幾璃種。1.發(fā)光欲二極醬管這是一透種把電勤能轉(zhuǎn)變嗚成光能跡的半導(dǎo)悠體器件刮。它具車有體積頂小、功撈耗低、冤壽命長芽、響應(yīng)齊快、機耽械強度樸高等優(yōu)沖點，并上能和集栗成電路燥相匹配姿。2.鎢絲趨燈泡這是抓一種羞最常牲用的給光源暴，它秤具有賀豐富添的紅甜外線疤。如什果選陰用的座光電今元件乳對紅下外光厘敏感暗，構(gòu)符成傳矮感器西時可公加濾仁色片熟將鎢組絲燈臟泡的寧可見稈光濾恨除，談而僅援用它雕的紅當(dāng)外線押做光慢源，恭可有切效防憂止其講他光津線的詠干擾澤。3.激光激光與罷普通光街線相比州具有能嶄量高度牙集中，泛方向性掘好，頻勻率單純趁、相干掏性好等貪優(yōu)點。七、右光電咐轉(zhuǎn)換篩電路半導(dǎo)踐體光旨敏電笨阻可充以通等過較懷大的男電流紙，所逮以在糕一般床情況畝下，陶無需卵配備毀放大園器。冠在要上求較簡大的想輸出控功率咳時，端可用揪右圖就所示汁的電孩路。右圖a為帶誓有溫射度補多償?shù)涅Z光敏壤二極吧管橋姑式測競量電慈路。墓當(dāng)入惜射光掌強度宇緩慢泰變化溜時，載光敏騾二極洗管的繞反向旗電阻完也是兩緩慢如變化燥的。光敏三賞極管在遲低照度估入射光腦下工作草時，或長者希望錘得到較縫大的輸歌出功率彈時，也撓可以配災(zāi)以放大礙電路，及如下左志圖所示底。由于誼光敏播電池裂即使拿在強宏光照環(huán)射下雞，最適大輸棄出電河壓也膛僅0.6V，還不檢能使丟下一窄級晶像體管取有較清大的匯電流傭輸出煎，故絞必須臂加正彎向偏扛壓，望如下栗右圖家所示暈。半導(dǎo)體肥光電元勞件的光碼電轉(zhuǎn)換奮電路也澇可以使惱用集成輛運算放幻玉大器。蘇硅光敏壩二極管破通過集智成運放躍可得到敞較大輸解出幅度隨，如下伐左圖所鼻示。下耍右圖b給出硅鑼光電池珍的光電蛋轉(zhuǎn)換電贈路，由挎于光電像池的短啦路電流矮和光照謙成線性回關(guān)系，蜂因此將擾它接在換運放的勻正、反抗相輸入捧端之間產(chǎn)，利用限這兩端賓電位差停接近于村零的特誓點，可黨以得到斑較好的趣效果。蟻在圖中免所示條晶件下，促輸出電飼壓U0=2姨IФRF。八、光電傳扒感器的專應(yīng)用1.透射旋式光解電傳扛感器址在煙襪塵濁荒度監(jiān)鈴測上者的應(yīng)憶用透射發(fā)式光醋電傳李感器冒是將鏡發(fā)光裙管和六光敏蚊三極竿管等愚，以蜻相對毛的方摧向裝打在中字間帶盒槽的并支架忘上，陽如圖劈燕所示除。適項用于伏光電熔控制底、光初電計努量等笨電路轉(zhuǎn)中，翼可檢怨測物咳體的雁有無認(rèn)、運謎動方候向、皮轉(zhuǎn)速圓等。下圖是吸鉤收式戶煙塵童濁度項監(jiān)測望系統(tǒng)壁的組聾成框刮圖：稅為了散檢測殊出煙號塵中袋對人弟體危藏害性丙最大辯的亞貌微米泉顆粒殖的濁容度和慮避免慘水蒸季氣與嚴(yán)二氧淹二碳輩對光欠源衰懷減的爆影響閘，選涂取可帳見光易作光帝源。內(nèi)光檢敬測器扛光譜誰響應(yīng)博范圍義為40雪0到尾60膠0nm的光電原管，獲敞取隨濁臂度變化鍬的相應(yīng)仗電信號握。報警盒電路由拘多諧振肚蕩器組懶成，當(dāng)澡運算放暢大器輸豪出濁度劣信號超暗過規(guī)定屑時，多自諧振蕩討器工作權(quán)，輸出雙信號經(jīng)有放大后孝推動喇劈燕叭發(fā)出櫻報警信索號。2.漫反耍射型瘡光電跨傳感呢器漫射型刃光電傳技感器有登時也稱宣作接近哥傳感器圣。在這撤種傳感銹器中，絞發(fā)光器裹和接收臥器裝在矮同一個嗓機殼中丈。發(fā)光擺器發(fā)出好的光線翻射到目靜標(biāo)物體王上，目局標(biāo)物體貼光線反溉射回來陽，什么等角度的傾反射光安都有。雖然蜂該類爬傳感狐器裝爆簡單忙置，艇即它鳥不需市要其喚他的啊元器努件，瓦例如借反射侄鏡或豪者單階獨的競接收取器。淘但敏玻感范覆圍及流接收鞏器的蹄能力畢受目典標(biāo)物隔體的配顏色得、尺還寸、繞表面琴光潔螞度等改因素倉的影各響較吩大，壘故此詞著重欠研究涂其漫釀射聚毯焦型雀傳感腰器。1）漫射聚岡焦型傳泛感器這是內(nèi)效率場較高泉的一窩種漫孕射型爸光電艷傳感倦器，癥其原潔理如閘下圖緒。發(fā)毫光器行透鏡抽聚焦怎在傳曾感器晨前面莫固定交的一永點上枕，接朱收器墊透鏡電也是信聚焦殼在同焦一點訓(xùn)上。膝這種滾傳感撕器能背夠檢郊測在多焦點鹿上的之物體浪，允釀許物譽體前司后偏塘離焦室點一勝定距磨離，滅這個曉距離武稱作取“敏貴感窗妻口”腐。當(dāng)物宿體在甜敏感崗窗口禿以外錦，在焦點斑之前或慢者之后便檢測珍不到。對于捷具有薄電子絕式背燒景光首抑制舊功能袖的漫獄射型財傳感喚器，富在傳畜感器攔中使傍用一精只位念置敏豈感元邪件(PSD監(jiān))而不是齡使用機宮械元件直，如下惕圖所示棒。發(fā)光暗器發(fā)出畜一束光束線，光蓬束反射衛(wèi)回來，鋪從目標(biāo)園物體反弊射回來微的光線菊和從背它景物體反反射回菠來的光色線到達鳳位置敏惱感元件直的兩個獨不同位終置。2）實用始背景鞠抑制房誠漫反快射光醫(yī)電傳其感器這種荷傳感踢器發(fā)取光器糕和接烏收器棒裝在山同一順個機輩殼中自，采橫用背鉤景抑稀制技饅術(shù)，國將由梳目標(biāo)當(dāng)之外脂的物槽體反迫射光徑引起龍假切般換的翅危險賀降低搖到最杜小。制如果際目標(biāo)蟻移動尺并且倡從離朵預(yù)設(shè)僑距離潤更遠(yuǎn)使的物帳體上趙得到挺反射鑄時，料接收元的光岸線角倒度將盤改變恩。該拌背景景抑制朽漫射定光電影傳感斷器控怕制輸碌出線濟路如食下圖苗所示率。3）鏡袍面反旁射式靜光電用傳感摔器它的發(fā)您光器和妥接收器狂裝在同懷一個機底殼中，她這與漫什射型傳起感器是笑一樣的貨。但是怕它使用浙一只反臣射鏡把童發(fā)光器放產(chǎn)生的賠光線反叉射到接違收器上純。如下變圖所示叛與漫射屯型傳感汗器相比編，鏡面漆反射式插傳感器芹的敏感牢距離比邪較大。下圖是鏡面反或射式光丹電傳感廢器使用廈示意圖闊：應(yīng)先蠻將傳感嗓器和反球射鏡面叼對面安掃裝后，蹄連接電大源；后傻再調(diào)節(jié)釀傳感器芒或反射近鏡面的鑼上下左凳右位置柿，使傳敗感器的逃指示燈曾變亮；氏最后可英靠安裝濫兩者后材，并校嗓對使其鈴檢測到濫目標(biāo)；喂如果被歪測物的拍反射率建比發(fā)射目鏡面高槳，它會救發(fā)生誤日動作，顯在傳感確器和被砌測物留綠有足夠仁的空間額，或把甘被測物奏和光軸寬成30度的運角度僻。3.遮光臺式光血電傳姓感器這種紅傳感首器需鋪要兩頃個獨芳立的鳳機殼村，一左個機揪殼中怠安裝行發(fā)光鵲器，刮另一點個機挖殼中六安裝哈接收漸器。腫當(dāng)有賭目標(biāo)項物體冶把光筆線擋賽住時富，接阿收器陵的輸尺出便厚發(fā)生矮變化縮慧。遮首光式談光電膚傳感薄器有公很多縱類型傅。最好常見場的是叉用一疑只發(fā)組光器眼、一碑只接友收器外，在弓發(fā)光嚴(yán)器與淘接收棟器之刪間只頑有一狼束光金線。需另一撇種是槐“槽劍式”蜘或“征叉式爭”光鈴電傳毀感器敵，這疾時，守發(fā)光避器和貸接收放器都獸裝在讀同一襖個機傭殼中棍，不膽存在騙對準(zhǔn)靜的問滅題。程光柵馳是由涌很多痛不同笛的發(fā)始光器弱和不稻同的毛接收大器排丹列起達來組拼成的紋，發(fā)飲光器液裝在裙一個拘機殼竊中，叢接收蘆器裝慨在另邊一個庭機殼闊中，寸當(dāng)它暫們互腳相對妨準(zhǔn)時粥，便鄙形成術(shù)一片士光束雁。九、光完電傳感俘器的應(yīng)箭用1.光電式知帶材跑方偏檢測跨器光電式魔帶材跑勾偏檢測歌器原理束如下圖朽所示。嬸光源發(fā)哭出的光搞線經(jīng)過慎透鏡1撈會聚為謀平行光想束,投斧向透鏡前2,隨必后被會勾聚到光詳敏電阻拌上。在裙平行光券束到達儉透鏡2晴的途中汁,有部商分光線喇受到被貍測帶材惠的遮擋啟,使傳畜到光敏扔電阻的寧光通量券減少。下圖是國其測量軌電路簡帝圖。當(dāng)烏帶材左鼓偏時，殼遮光面輔積減少閉，光敏戶電阻Ｒ1阻值另減少金，電高橋失縮慧去平榴衡。轟輸出傾電壓