傳感器與檢測技術 09 光電式傳感器

1.掌握光電傳感器工作原理2.了解傳感器的基本特性3.了解傳感器的應用4.掌握光纖傳感器的工作原理及應用第九章光電式傳感器傳感器與檢測技術返回課程索引光電式傳感器是將光通量轉換為電量的一種傳感器。光電式傳感器的基礎是光電轉換元件的光電效應。第九章光電式傳感器光電式傳感器第九章光電式傳感器9.1光電效應

1922年愛因斯坦因為解釋了光電效應而獲得諾貝爾獎。光照射在物體上可看成是一連串的具有能量為E的粒子轟擊在物體上。所謂光電效應即是由于物體吸收了能量為E的光后逸出光電子的現(xiàn)象。從傳感器的角度看光電效應可分為三大類型。

1、外光電效應

指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象，逸出的電子稱之為光電子。光電管及光電倍增管均屬這一類。它們的光電發(fā)射極，是具有這種特性的材料制造的。

光電子逸出時所具有的初始動能Ek與光的頻率f有關，頻率高則動能大。第九章光電式傳感器每一種金屬材料都有一個對應的光頻閥值，稱為“紅限”頻率。光線的頻率小于紅限頻率，光子的能量不足以使金屬內的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子的發(fā)射，反之，入射光頻率高于紅限頻率時，即使光線微弱，也會有光電子發(fā)射出來。光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大。在入射光的頻譜成分不變時，發(fā)射的光電子數(shù)正比于光強。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。

9.1光電效應2、內光電效應

在光的照射下材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為內光電效應。

半導體材料受到光照時，材料中處于價帶的電子吸收光子能量而形成自由電子，而價帶也會相應的形成自由空穴，即會產(chǎn)生電子-空穴對，使其導電性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，也稱為光電導效應?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻(光電導型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導結型)。

9.1光電效應3、光生伏特效應

半導體材料P-N結受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應。光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的，屬有源器件。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。9.1光電效應硒光電池硅光電池9.2常見光電元件（傳感器）9.2.1光電管

光電陰極采用逸出功小的光敏材料(如銫Cs)。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引，在光電管內形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。光電管有真空光電管和充氣光電管。

第九章光電式傳感器光電倍增管

光電倍增管的工作原理建立在光電發(fā)射和二次發(fā)射的基礎上，獲得大的光電流。

9.2.1光電管與光電倍增管9.2.2光敏電阻

9.2.常見光電元件光敏電阻是用具有內光電效應的光導材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻優(yōu)點：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜響應范圍寬，機械強度高、耐沖擊和振動，壽命長。缺點：使用時需要有外部電源，同時當有電流通過它時，會產(chǎn)生熱的問題。無光線時其阻值很高；當受到光照并且光輻射能量足夠大時，光導材料禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度ΔEg

的光子激發(fā)，由價帶越過禁帶而躍遷到導帶，使其導帶的電子和價帶的空穴增加，電阻率變小。

9.2.2光敏電阻9.2.3光電池

光電池是基于光生伏特效應制成的，是自發(fā)電式有源器件，結構如下圖所示。它有較大面積的PN結，當光照射在PN結上時，在結的兩端出現(xiàn)電動勢。9.2.常見光電元件硅光電池也稱硅太陽能電池，是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴散的方法摻入一些P型雜質而形成一個大面積的P-N結，P層做得很薄，使光線能穿透照到P-N結上。硅太陽能電池具有輕便、簡單，不會產(chǎn)生氣體或熱污染，易于適應環(huán)境。還具有光電轉換效率高、性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、能耐高溫輻射等特點，應用廣泛。

9.2.3光電池硅光電池

第九章光電式傳感器9.3光電式傳感器及其應用

光電傳感器是以光為媒介，光電效應為基礎的傳感器，主要由光源、光學通路、光電器件和測量電路組成，如圖所示：

光源可采用燈泡、激光器、發(fā)光二極管等可見光源，也可以采用紫外燈、紅外燈等非可見光源。1）被測量X1直接對光源作用，使光通量的某參數(shù)發(fā)生變化；2）被測量X2作用于光學通路，對傳播過程的光通量進行調制。（通常為光纖傳感器所采用）被測信號可以通過兩種途徑轉換成光電器件入射光強的變化：9.3光電傳感器的應用

光電器件的作用是檢測照射在其上的光通量，因光電器件產(chǎn)生的光電流很弱，必須采用前置放大器，對于變化的光信號，采用調制器，測量電路中要包含相敏檢波等電路?？梢杂脕頇z測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成份分析等，也可以用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應快等優(yōu)點，應用廣泛。按其輸出量的性質可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。

9.3光電傳感器的應用模擬式光電傳感器：將被測量轉換為連續(xù)變化的光電流

光源發(fā)出一定的光通量，穿過被測對象，部分被吸收，其余達到光電元件變成電信號，利用到達的光通量測定被測物體的參數(shù)如透明度、混濁度、化學成份等。光源發(fā)出一定的光通量到被測物體，由于物體的性質損失部分光通量，剩下光通量被光電元件轉換成電信號，根據(jù)電信號的強度可以判斷物體的表面粗糙度等。

9.3光電傳感器的應用光源發(fā)出的光通量部分被物體擋住，剩下光通量照射在光電元件上轉換成電信號，根據(jù)電信號的強度和變化情況可以進行物體面積、角度、位移、厚度、振動等參量的測量。

被測物體本身就是輻射源，直接照射在光電元件上，根據(jù)產(chǎn)生的電信號判斷物體的溫度、顏色等。光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。9.3光電傳感器的應用脈沖光電傳感器：將被測量轉換為斷續(xù)變化的光電流

光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài),也就是“通”、“斷”的開關狀態(tài),所以也稱為光電元件的開關運用狀態(tài)。這類傳感器要求光電元件靈敏度高,而對光電特性的線性要求不高。主要用于零件或產(chǎn)品的光電繼電器、自動計數(shù)、光控開關、電子計算機的光電輸入設備、光電編碼器及光電報警裝置等方面。

9.3光電傳感器的應用光電轉速傳感器

9.3光電傳感器的應用9.3光電傳感器的應用9.3.2光電編碼器

編碼器可把角位移直接轉換成脈沖或二進制編碼的檢測器件（增量編碼器、絕對編碼器）。按編碼器的結構分為光電式、接觸式和電磁式三種。

光電式絕對編碼器是目前應用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼“0或1”——不透光或透光區(qū)域。

在增量式測量中，移動部件每移動一個基本長度單位，位置傳感器便發(fā)出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式。這樣，一個脈沖所代表的基本長度單位就是分辨力，對脈沖計數(shù)，便可得到位移量。絕對式測量的特點是：

每一被測點都有一個對應的編碼，常以二進制數(shù)據(jù)形式來表示。絕對式測量即使斷電之后再重新上電，也能讀出當前位置的數(shù)據(jù)。典型的絕對式位置傳感器有絕對式角編碼器。增量式測量得到的脈沖波形9.3光電傳感器的應用1、光電式絕對編碼器四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，在圓周范圍內編碼數(shù)為24=16個。

每個數(shù)位（共4位形成一個錐體形）都對應有一個光電器件及放大、整形電路。錐體碼盤轉到不同位置，光電元件接受光信號，并轉成相應的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應數(shù)字信號。

標準二進制編碼器(8421碼盤)

分辨角度：9.3光電傳感器的應用

a）光電碼盤的平面結構（8碼道）b）光電碼盤與光源、光敏元件的對應關系（4碼道）高位低位9.3光電傳感器的應用由于光電器件安裝誤差的影響，當碼盤回轉在兩碼段邊緣交替位置時，就會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當碼盤由位置“0111”變?yōu)椤?000”時——四位數(shù)要同時變化，可能將數(shù)碼誤讀成1111、1011、1101、……、0001等，產(chǎn)生無法估計的數(shù)值誤差，這種誤差稱為非單值性誤差。標準二進制編碼器實際應用少，而采用二進制循環(huán)碼盤（格雷碼盤）。9.3光電傳感器的應用9.3光電傳感器的應用格雷碼盤任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即由“0”變?yōu)椤?”或“1”變?yōu)椤?”。因此，讀數(shù)誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)——有效消除非單值性誤差。碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯開，只有信號位處的光電元件有信號才能讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差。信號位二進制循環(huán)碼盤＋9.3光電傳感器的應用10碼道光電絕對式碼盤透光區(qū)不透光區(qū)零位標志9.3光電傳感器的應用9.3光電傳感器的應用拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉換成旋轉運動。9.3光電傳感器的應用轉軸盤碼及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標志ABC2、光電式增量編碼器光欄板上的兩個狹縫距離是碼盤上的兩個狹縫距離的（m+1/4）倍9.3光電傳感器的應用辨向信號和零標志

光電編碼器的光欄板上有A組與B組兩組狹縫，彼此錯開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對應的光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90

相位，用于辯向。當編碼正轉時，A信號超前B信號90

；當碼盤反轉時，B信號超前A信號90

。

在上一頁圖的碼盤里圈，還有一根狹縫C，每轉能產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉信號”或零標志脈沖，作為測量的起始基準。9.3光電傳感器的應用3、光電編碼器的應用光電編碼器除了能直接測量角位移或間接測量直線位移外，可用于數(shù)字測速、工位編碼、伺服電機控制等。9.3光電傳感器的應用編碼器在定位加工中的應用1—增量式編碼器

2—電動機

3—轉軸

4—轉盤

5—工件

6—刀具

設該增量式光電編碼器的參數(shù)為1024

p/r，大、小皮帶輪的傳動比為5，若希望當加工好元件1后緊接著加工元件8，則電動機轉動了多少分之幾圈？應等待編碼器給出多少脈沖數(shù)時，電動機停轉？9.3光電傳感器的應用編碼器在數(shù)控加工中心的刀庫選刀控制中的應用旋轉刀庫被加工工件刀具角編碼器的輸出為當前刀具號角編碼器與旋轉刀庫連接9.3光電傳感器的應用用不同的刀具加工復雜的工件9.3光電傳感器的應用編碼器在伺服電機中的應用利用編碼器測量伺服電機的轉速、轉角，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各種運行參數(shù)。轉速測量轉子磁極位置測量角位移測量9.3光電傳感器的應用第九章光電式傳感器9.4光纖傳感器

光導纖維是20世紀70年代的重要發(fā)明，它與激光器、半導體光探測器一起構成了光纖傳感器，由于具有靈敏度高、頻帶寬、動態(tài)測量范圍大、抗干擾能力強、耐高溫、體積小等優(yōu)點，光纖傳感器廣泛應用于位移、速度、加速度、壓力、溫度、液位、流量、電磁場等物理量的測量。光纖位移傳感器光纖溫度傳感器9.4光纖傳感器9.4.1光纖的結構：

光纖結構十分簡單，它是一種多層介質結構的對稱圓柱體，圓柱體由纖芯、包層和護層組成。纖芯材料的主體是二氧化硅或塑料，其直徑在5～75μm內。圍繞纖芯的是一層圓柱形套層(包層)，包層可以是單層，也可以是多層結構，層數(shù)取決于光纖的應用場所，但總直徑控制在100～200μm范圍內。9.4光纖傳感器9.4.2光纖的傳光原理：

光纖是利用光的內全反射規(guī)律，將入射光傳遞到另一端。光纖的可彎曲性是它的一大優(yōu)點，若一根直徑為d的光纖，被彎曲成半徑為R（R>>4d)，則光線仍能在彎曲光纖中傳播9.4.3光纖的分類：

9.4光纖傳感器光纖按折射率分布可分為階躍型光纖和漸變型光纖。光纖按傳播模式可分為單模光纖和多模光纖（可傳播多條光線）。光纖按材料可分為玻璃光纖和塑料光纖。9.4光纖傳感器9.4.5光纖傳感器的基本工作原理：

位移、加速度、溫度、流量等被測物理量對光纖傳輸?shù)墓膺M行調制，使傳輸光的幅值、相位、頻率或者偏振態(tài)隨被測量的變換而變化，再通過對被調制過的光信號進行檢測和解調，從而獲得被測參數(shù)。光纖傳感器的組成結構

光纖傳感器可分為傳光型和傳感型兩大類。利用其他敏感元件來感受被測量的變化以實現(xiàn)對傳輸光的調制，傳感器中的光纖是不連續(xù)的。光纖僅僅是傳光介質，多數(shù)使用多模光纖。9.4光纖傳感器光纖傳感器的分類：

傳光型——非功能型光纖傳感器：9.4光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光的作用，同時利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，使其某些光學特性發(fā)生變化，對輸入的光產(chǎn)生某種調制作用，使在光纖內傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，從而實現(xiàn)傳和感的功能。因此，傳感器中的光纖是連續(xù)的。傳感型——功能型光纖傳感器：9.4光纖傳感器9.4.6光纖傳感器的調制方式：

根據(jù)光被調制的原理，光纖傳感器也可分為：光通量（強度）調制型、光頻率調制型、光相位調制型、光波長調制型及偏振態(tài)調制型。光纖傳感器的核心就是光被外界輸入?yún)?shù)的調制。外界信號可能引起光的某些特性(如強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)變化，從而構成強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等調制器。9.4光纖傳感器強度調制原理

——利用被測量的作用改變光纖中光的強度，再通過光強的變化來測量被測量。1）強度調制微小的線性位移和角位移調制方法：非功能型光強調制－－通過光束位移、遮擋、耦合等方式使接收光纖的光強變化。這種調制方法使用兩根光纖，一根為光的入射光纖，另一根為光被調制后的出射光纖，如下圖所示：9.4光纖傳感器9.4光纖傳感器微