第6章(3) 光電式傳感器

第6章

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光電式傳感器

概述外光電效應(yīng)器件內(nèi)光電效應(yīng)器件新型光電傳感器

光敏傳感器的應(yīng)用舉例(一)煙塵濁度監(jiān)測儀防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。平行光源光電探測放大顯示刻度校正 報警器吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖煙道231(a)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖

圖(a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。

(二)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表231(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。(二)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表

光電池主要有兩大類型的應(yīng)用：將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。這是全世界范圍內(nèi)人們所追求、探索新能源的一個重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競爭，但是隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會逐漸下降，太陽電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用。(三)光電池應(yīng)用

將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中。

(三)光電池應(yīng)用1．太陽電池電源

太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。太陽能電池電源系統(tǒng)

調(diào)節(jié)控制器逆變器交流負載太陽電池方陣直流負載阻塞二極管調(diào)節(jié)控制器在不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器各不相同，其功能多少及復(fù)雜程度差別很大，需根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的要求及重要程度來確定。

調(diào)節(jié)控制器逆變器交流負載太陽電池方陣直流負載阻塞二極管控制器主要由電子元器件、儀表、繼電器、開關(guān)等組成。在簡單的太陽電池，蓄電池系統(tǒng)中，控制器的作用是保護蓄電池，避免過充，過放。若光伏電站并網(wǎng)供電，控制器則需要有自動監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換等多種功能。如果負載用的是交流電，則在負載和蓄電池間還應(yīng)配備逆變器，逆變器的作用就是將方陣和蓄電池提供的低壓直流電逆變成220伏交流電，供給負載使用。

調(diào)節(jié)控制器逆變器交流負載太陽電池方陣直流負載阻塞二極管阻塞二極管也稱作為防反充二極管或隔離二極管，其作用是利用二極管的單向?qū)щ娦宰柚篃o日照時蓄電池通過太陽電池方陣放電。對阻塞二極管的要求是工作電流必須大于方陣的最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。在方陣工作時，阻塞二極管兩端有一定的電壓降，對硅二極管通常為0.6~0.8；肖特基或鍺管0.3V左右

調(diào)節(jié)控制器逆變器交流負載太陽電池方陣直流負載阻塞二極管2．光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用

光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

圖為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相同時，執(zhí)行機構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進行跟蹤。當系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構(gòu)進行糾正，以此達到跟蹤的目的。光電池在檢測和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路BG2BG1+12VCJR1R2光電開關(guān)

圖所示電路為光電開關(guān)，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當光電池受光照射時，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關(guān)目的。光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

圖為光電池觸發(fā)電路。當光電池受光照射時，使雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導(dǎo)通。+12V5G23(d)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級，把微弱光電信號進行線性放大，然后帶動指示機構(gòu)或二次儀表進行讀數(shù)或記錄。

在實際應(yīng)用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路的組合可實現(xiàn)或自動控制的目的。（四）光電式傳感器應(yīng)用實例1、聲光節(jié)能燈控制器2、室內(nèi)電燈自動開關(guān)電路3、自動調(diào)光臺燈1、聲光節(jié)能燈控制器其主要構(gòu)成：電源、信號檢測、信號處理、驅(qū)動電路市電經(jīng)過降壓/穩(wěn)壓/整流/濾波得到約6V的直流電壓給芯片工作.駐極體話筒拾取聲觸發(fā)信號,經(jīng)C1耦合輸入IC,2腳3腳外接RG可改變IC內(nèi)放大器的增益，C3決定了聲控可重觸發(fā)單穩(wěn)延時時間。R1為MIC的直流偏置電阻，C2為放大器高頻濾波電容。白天，光敏電阻RG受光，阻值在200~400歐姆，所以IC內(nèi)放大器增益小于1，這時任何聲信號不足使IC的6腳輸出電平改變，VT截止，VS無觸發(fā)，燈ZD不亮。夜晚，RG阻值很大，它幾乎不影響IC內(nèi)部放大器的增益，若有聲信號被MIC拾取，則經(jīng)IC放大使其6腳由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，VT導(dǎo)通，R4上的電壓觸發(fā)VS導(dǎo)通，燈ZD亮。2、室內(nèi)電燈自動開關(guān)電路IC1是四模擬開關(guān)芯片，其中，SA1、SA2、SA3用于延時，并經(jīng)R4驅(qū)動光耦雙向可控硅IC2，IC2再驅(qū)動外加大功率雙向可控硅VS，VS直接控制門廳的照明燈。SA4同外接光敏電阻RG等元件，構(gòu)成環(huán)境光線檢測電路。K為“常閉型干簧管”，R1、R3、C1組成充、放電回路。K干簧管及全部電路均安裝在門框上，房門對應(yīng)位置固定一只條形永久磁鐵，構(gòu)成磁控式開關(guān)電路。當門關(guān)閉時，由于安裝在門框上的“常閉型干簧管”K受到門上磁鐵的磁力作用，其接點處于斷開狀態(tài)，使SA1、SA2、SA3控制端經(jīng)R3接電源負端，所以SA1、SA2、SA3處于斷開狀態(tài)，光耦雙向可控硅和VS均不被觸發(fā)，照明燈不亮，電路處于靜止狀態(tài)。夜晚主人回家打開房門，磁鐵就會遠離干簧管K，K因失去控制而恢復(fù)常閉狀態(tài)，此時+9V電源經(jīng)R1向C1充電，R1阻值較小，瞬間即可使C1兩端電壓升至9V，SA1、SA2、SA3控制端變?yōu)楦唠娢欢]合，+9V則通過SA1、SA2、SA3和R4加至IC2的“1”端，內(nèi)部的發(fā)光管觸發(fā)光耦雙向可控硅導(dǎo)通，VS也隨之被觸發(fā)，照明燈亮，實現(xiàn)開門自動開燈功能。房門關(guān)閉后，門上磁鐵恢復(fù)對K的控制作用，接點受磁力作用而斷開，+9V電源停止對C1充電，電路進入延時狀態(tài)，C1開始經(jīng)R3電阻放電，經(jīng)過一定的延時后，C1兩端電壓逐漸降低到SA1、SA2、SA3開啟電壓（約為1.5V）以下，SA1、SA2、SA3恢復(fù)斷開狀態(tài)，導(dǎo)致光耦雙向可控硅截止，VS也隨之截止，照明燈熄滅，電路完成延時自動關(guān)燈的功能。當再次開門時，電路將重復(fù)上述工作過程。RG的作用，該電阻與R2和SA4一起構(gòu)成了光控電路。當光線較亮?xí)r，RG受光線照射，阻值較小，使SA4的控制端為高電位，SA4因此閉合，SA1、SA2、SA3控制端為低電位，無法閉合，輸出電路的可控硅也無法補被觸發(fā)，照明燈不會被開啟，實現(xiàn)“光控禁止觸發(fā)”功能，夜晚時環(huán)境光線較暗，RG阻值較大（約為1M歐以上），則“光控禁止觸發(fā)”功能被自動解除，電路可通過開門關(guān)門控制室內(nèi)電燈。3、自動調(diào)光臺燈在普通調(diào)光臺燈的基礎(chǔ)上加裝一光控電路，使其能根據(jù)周圍環(huán)境照度自動調(diào)整臺燈亮度。當開關(guān)S1處于“手控”位置時，該臺燈和普通調(diào)光臺燈一樣，雙向可控硅VS的導(dǎo)通角由R1、R