第6章光電式傳感器及應用1

1、第6章光電式傳感器及應用,1,引言,光電式傳感器是以光電元件作為轉(zhuǎn)化元件，將被測非電量通過光量的變化再轉(zhuǎn)化成電量的傳感器。 光電式傳感器一般由光源、光學元件和光電元件3部分組成。 光電元件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。 光電器件響應快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且有較高的可靠性，因此在自動檢測，計算機和控制系統(tǒng)中，應用非常廣泛。 光電式傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應。,2,主要內(nèi)容,6.1光電效應及光電元器件 6.2光電式傳感器的實用電路 6.3光纖傳感器 6.4紅外傳感器,3,6.1光電效應及光電元器件,光電式傳感器的工作原理是基于不同形式的光電效應。根據(jù)光的波粒二象性，光是一種以光速運動的粒子流

2、，這種粒子稱為光子。具有的能量h正比于光的頻率（h普朗克常數(shù)）。每個光子具有的能量為 E= h,6.1.1 光電效應及分類,4,對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為h的光子所轟擊，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。,光電效應通常分為三類： 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，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導電性能發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶體管等。 3)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動

3、勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，光電元件有光電池等。,2020年10月6日,6.1.2 光電元器件及基本測量電路,它們是利用外光電效應制成的光電元件。 （1）光電管的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。半圓筒形金屬制成陰極K、陰極軸心的陽極A封裝在真空玻殼內(nèi)，當入射光照射在K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hv。,1光電管、光電倍增管,圖6-1 光電管的結(jié)構(gòu),6,光電子的能量,當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，自由電子就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成逸出電子。這種逸出的電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面的初速度可由愛因斯坦光電效應方程確定。 （1/2）

4、m2= hA,7,當陰極金屬材料選定后，要使陰極金屬表面有電子逸出，入射光的頻率要大于某一最低限度，否則當h小于A時，不管光通量有多大，都不可能有電子逸出，這個最低限度的頻率稱為紅限。當h大于A時，光通量越大，逸出的電子數(shù)目也越多，光電流I就越大。,8,光電管符號及測量電路,光電管正常工作時，陽極電位高于陰極電位。 在入射光頻率大于“紅限”的前提下，當光電管陽極加上適當電壓（幾十伏）時，從陰極表面逸出的電子被具有正電壓的陽極所吸引，在光電管中形成電流，稱為光電流。,9,圖6-2 光電管符號及測量電路,（2）光電倍增管 光電倍增管是把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成電子，并使電子獲得倍增的電真空器件。 它有放

5、大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。 光電倍增管由兩個主要部分構(gòu)成：陰極室和若干光電倍增極組成的二次發(fā)射倍增系統(tǒng) ，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-3所示。,10,在它的陰極與陽極之間設(shè)置許多二次倍增極D1、D2、D3、，它們又稱為第1倍增極、第2倍增極，相鄰電極之間通常加上100V左右的電壓，其電位逐級提高，陰極電位最低，陽極電位最高，兩者之差一般在。6001200V左右。,圖6-3 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖,11,原理,當微光照射陰極K時，從陰極K上逸出的光電子在D1的電場作用下，以高速向倍增極D1射去，產(chǎn)生二次發(fā)射，于是更多的二次發(fā)射的電子又在D2電場作用下，射向第二倍增極，激

6、發(fā)更多的二次發(fā)射電子，如此下去，一個光電子將激發(fā)更多的二次發(fā)射電子，最后被陽極所收集。若每級的二次發(fā)射倍增率為m，共有n級（通?？蛇_911級），則光電倍增管陽極得到的光電流比普通光電管大mn倍，因此光電倍增管的靈敏度極高。,12,圖6-3 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖,光電倍增管的穩(wěn)定性,各倍增極的電壓是用分壓電阻R1、R2、Rn獲得的，陽極電流流經(jīng)電阻RL得到輸出電壓Uo。 (1)當用于測量穩(wěn)定的輻射通量時，圖中虛線連接的電容C1、C2、Cn和輸出隔離電容C0都可以省去。這時電路往往將電源正端接地，并且輸出可以直接與放大器輸入端連接。(2)當入射光通量為脈沖量時，則應將電源的負端接地，因為光電倍增管

7、的陰極接地比陽極接地有更低的噪聲，此時輸出端應接入隔離電容，同時各倍增極的并聯(lián)電容亦應接入，以穩(wěn)定脈沖工作時的各級工作電壓，穩(wěn)定增益并防止飽和。,13,圖6-4 光電倍增管的基本電路,2、光電管特性, 光電特性 光電特性表示當陽極電壓一定時，陽極電流I與入射在光電管陰極上光通量之間的關(guān)系。 伏安特性。 當入射光的頻譜及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。,圖6-5 光電管光電特性曲線,14,圖6-6 光電管伏安特性曲線, 光譜特性。 由于光電管陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性，保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。 其

8、他特性。 光電管尚有溫度特性、疲勞特性、慣性特性，暗電流和衰老特性等，使用時應根據(jù)產(chǎn)品說明書和有關(guān)手冊合理選用。,15,圖6-7 光電管光譜特性曲線,6.1.3光敏電阻,光敏電阻又稱光導管，是一種均質(zhì)半導體光電元件。 優(yōu)點：它具有靈敏度高、光譜響應范圍寬、體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等.,16,1.光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)。,光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應。在半導體光敏材料兩端上電極引線，將其封裝在帶透明窗的管殼內(nèi)就構(gòu)成光敏電阻，如圖a所示，為了增加靈敏度，常將 兩電極做成梳狀，如圖b所示；圖形符號如圖c所示。,17,光敏電阻,當光敏電阻受到光照時， 阻

9、值減小。,18,2.光敏電阻的基本特性, 暗電阻和暗電流。 亮電阻和亮電流。 伏安特性。,光敏電阻的伏安特性,19, 光電特性。 光譜特性。 響應時間。 溫度特性。,某光敏電阻的光電特性,光敏電阻的光譜特性,20,3、常用光電導材料,21,6.1.4 光敏晶體管,光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應。 光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，目前廣泛應用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機轉(zhuǎn)速的檢測、光電讀出裝置等場合。光敏晶閘管主要應用于光控開關(guān)電路,22,1.光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理, 光敏二極管。 通常處于反向偏置狀態(tài)

10、。當沒有光照射時，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。,1負極引腳 2管芯 3外殼 4玻璃聚光鏡 5正極引腳 6N型襯底 7SiO2保護圈8SiO2透明保護層 9鋁引出電極 10P型擴散層 11PN結(jié) 12金屬引出線,23,光敏二極管外形,光敏二極管陣列,包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。,24,紅外發(fā)射、接收對管外形,紅外發(fā)射管,紅外接收管,25, 光敏三極管,集電極電流是原始光電電流的倍。因此，光敏三極管比光敏二極管的靈敏度高許多倍。,光敏三極管,26,光敏三極管外形,27, 光敏晶閘管,光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管 光敏晶閘管的特

11、點是工作電壓很高，有的可達數(shù)百伏，導通電流比光敏三極管大得多，因此輸出功率很大，在自動檢測控制和日常生活中應用會越來越廣泛。,28,2.光敏晶體管的基本特性。, 光譜特性。 伏安特性,圖6-16 光敏晶體管的光譜特性 1硅光敏晶體管 2鍺光敏晶體管,29,圖6-17 光敏三極管的伏安特性, 光電特性 溫度特性 頻率特性 響應時間,圖6-18 光敏晶體管的光電特性 1光敏二極管的光電特性 2光電三極管的光電特性,30,6.1.5光電池,光電池的工作原理是基于光生伏特效應，當光照射到光電池上時，可以直接輸出光電流。 常用的光電池有兩種，一種是金屬半導體型，另一種是PN結(jié)型，如硒光電池、硅光電池、鍺

12、光電池等。,31,1、硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理,用導線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就有電流流過,32,光電池外形,光敏面,33,能提供較大電流的大面積光電池外形,34,2.光電池的基本特性, 光譜特性 光電特性 溫度特性 頻率特性,35,光電池和光譜特性曲線,1硅光電池 2硒光電池,硅光電池的光電特性,1開路電壓特性曲線 2短路電流特性曲線,光電池的溫度特性,光電池的頻率特性,3.短路電流的測量,Uo= -UR f = -I Rf 該電路的輸出電壓Uo與光電流I成正比，從而達到電流/電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系。,光電池短路電流測量電路,37,在光電特性中談到，光電流與照度成線性關(guān)系，當負載電阻短路時，線性關(guān)系最好

13、，線性范圍更寬。,6.1.6光電耦合器件,光電耦合器是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。 發(fā)光元件通常是半導體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。,38,（1）光電耦合器,光電耦合器實際上是一個電量隔離轉(zhuǎn)換器，它具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能，廣泛應用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點開關(guān)及固態(tài)繼電器等場合。,光電耦合器組合形式,39,（2）光電開關(guān),光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，

14、同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號的器件。 光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。,40,典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu),1發(fā)光元件 2接收元件 3殼體 4導線 5反射物 6窗體,41,光電開關(guān)外形,42,應用范圍,用光電開關(guān)檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高低”之分即可。,43,光電開關(guān)廣泛應用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中用作物體檢測、產(chǎn)品計數(shù)、料位檢測、尺寸控制、安全報警及計算機輸入接口等用途。,44,（3）光電斷續(xù)器,工作原理與光電開關(guān)的相同，但其光電發(fā)射器、接收器放置于一個體積很

15、小的塑料殼體中，所以兩者能可靠地對準。 分為遮斷型和反射型2種。,45,1發(fā)光二極管 2紅外光 3光電元件 4槽 5被測物,光電斷續(xù)器外形,46,光電斷續(xù)器外形（續(xù)）,紅色光柱,47,齒盤每轉(zhuǎn)過一個齒，光電斷續(xù)器就輸出一個脈沖。通過脈沖頻率的測量或脈沖計數(shù)，即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移。,光電斷續(xù)器的應用,請寫出轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式,n= ？,n,48,6.2光電式傳感器的實用電路,非接觸式測量，由光源、光學通路和光電元件3部分組成。 按照被測物、光源、光電元件三者之間的關(guān)系 4種類型,1被測物 2光電元件 3恒光源,49,光電傳感器的分類,按光電元件輸出量性質(zhì)可分二類：模擬式光電傳感器、脈沖(開關(guān)

16、)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方法可分為：透射(吸收)式、漫反射式、遮光式三大類。,2020年10月6日,（1）透射式：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?？捎糜跍y量透明度、混濁度。,2020年10月6日,（2）漫反射式：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。可用于測量工件表面粗糙度、紙張的白度等。,2020年10月6日,（3）遮光式：指當光源發(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

17、通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)。可用于工件尺寸測量、振動測量等。,2020年10月6日,（5）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。,（4）光源本身是被測物，這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計和照度計。,2020年10月6日,1.高溫比色溫度儀,根據(jù)有關(guān)的輻射定律，物體在兩個特定波長1、2上的輻射強度、之比與該物體的溫度成指數(shù)關(guān)系，即 K1、K2是與1、2及物體的黑度有關(guān)的常數(shù)。,55,使用光電池制作非接觸測溫的高溫比色溫度儀,

18、1高溫物體 2物鏡 3半反半透鏡 4反射鏡 5目鏡 6觀察者眼睛 7光闌 8光導棒9分光鏡 10、12濾光鏡 11、13硅光電池 14、15電流/電壓轉(zhuǎn)換器,56,圖6-32 高溫比色溫度儀原理圖,2.光電比色計,這是一種化學分析儀器 ，如圖6-33所示。,57,圖6-33 光電比色儀原理圖,1光源 2透鏡 3濾色鏡 4標準樣品 5被檢測樣品 6、7光電池 8差動放大電路 9指示儀表,由于被檢測樣品在顏色、成分或渾濁度等 某一方面與標準樣品的不同，導致兩光電池收到的透射光強度不等，從而使光電池轉(zhuǎn)換出來的電信號大小不同，經(jīng)放大器后，用指示儀表顯示出來，由此被測樣品的某項指標即可檢測出來。,3.光

19、電式帶材跑偏檢測裝置,帶材跑偏檢測裝置是用來檢測帶型材料在加工過程中偏離正確位置的大小與方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號。,58,圖6-34 光電式邊沿位置檢測裝置,1被測帶材 2光源 3、4光透鏡 5光敏電阻 6遮光罩,4.物體長度及運動速度的檢測,光電元件檢測運動物體的速度,1光源A 2光敏元件VA 3運動物體 4光源B 5光敏元件VB 6RS觸發(fā)器,59,6.3光纖傳感器,6.3.1 光纖傳感器概述,20世紀70年代中期發(fā)展起來,優(yōu)點：如不受電磁干擾、體積小、重量輕、可撓曲、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、易與微機連接、便于遙測等。它能用于溫度、壓力、應變、位移、速度、加速度、磁

20、、電、聲和pH值等各種物理量的測量，具有極為廣泛的應用前景。,60,分類,光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器。 光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為212 m，很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。,61,各種裝飾性光導纖維,62,發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導纖維傳導到東方明珠球體的表面。在計算機控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。,上海東方明珠,63,6.3.2 光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理,光導纖維簡稱

21、為光纖，目前基本上還是采用石英玻璃，其結(jié)構(gòu)如圖6-36所示。中心的圓柱體叫做纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。,1光纖的結(jié)構(gòu),64,圖6-36 光纖,光纖的結(jié)構(gòu),65,光纖傳感器外形,66,2.光纖的傳輸原理,光纖的傳輸是基于光的全反射。,67,如圖，根據(jù)幾何光學理論，當光線以某一較小的入射角 ，由折射率為n1的光密物質(zhì)射向折射率為n2的光疏物質(zhì)(即n1n2)時，則一部分入射光以折射角 折射入光疏物質(zhì)，其余部分以 角度反射回光密物質(zhì)，根據(jù)折射定律(斯涅爾定律)，光折射和反射之間的關(guān)系為：,當光線的入射角 增大到某一角度 時，透射入光疏物質(zhì)的折射光則沿界

22、面?zhèn)鞑?，?90，稱此時的入射角 為臨界角。那么，由斯涅爾定律得,臨界角僅與介質(zhì)的折射率的比值有關(guān),2.光纖的傳輸原理,光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。,69,只要滿足全反射條件，光線仍繼續(xù)前進?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實際上是由光的全反射所形成的 光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA NA= sinc= 數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。,70,6.3.3 光纖傳感器,一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為測量光束。當傳感器感受加速度時，由于質(zhì)量塊M對光纖的作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會合產(chǎn)生干涉效應

23、。激光干涉儀的干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。,1光纖加速度傳感器,71,光纖加速度傳感器組成結(jié)構(gòu)簡圖,72,2.液位的檢測技術(shù),在球狀對折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射回來，由光纖的另一端導向探測器。反射光強的大小取決于被測介質(zhì)的折射率。被測介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近，反射光強度越小。顯然，傳感器處于空氣中時比處于液體中時的反射光強要大。因此，該傳感器可用于液位報警。若以探頭在空氣中時的反光強度為基準，則當接觸水時反射光強變化6dB7dB，接觸油時變化25dB30dB。,（1）球面光纖液位傳感器,73,球面光纖液位傳感器,74

24、,（2）斜端面光纖液位傳感器,當傳感器接觸液面時，將引起反射回另一根光纖的光強減小。這種形式的探頭在空氣中和水中時，反射光強度差在20dB以上。,1、2光纖 3棱鏡,75,（3）單光纖液位傳感器,將光纖的端部拋光成45的圓錐面。當光纖處于空氣中時，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當傳感器接觸液體時，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個探頭的液位報警傳感器。,76,圖6-41 單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu),專用的光纖連接頭及光纖插座,光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時，兩者的軸心必須嚴格對準并固定，可使用專用的連接

25、頭及光纖插座來完成。,77,光纖式光電開關(guān)應用,標志孔,電路板標志檢測,當光纖發(fā)出的光穿過標志孔時，若無反射，說明電路板方向放置正確。,光纖 耦合器,傳輸光纖,出射光纖,78,6.4紅外傳感器,紅外傳感器按其應用分類可分為以下幾類： （1）紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量； （2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤； （3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等； （4）紅外測距和通信系統(tǒng)； （5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的組合。,79,6.4.1 紅 外 輻 射,紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光

26、，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線 波長范圍大致在0.761000 m 紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射 以波的形式在空間直線傳播的 是22.6 m、35 m和814 m，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇薄?80,電磁波譜圖,81,6.4.2 紅外探測器,紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。 紅外探測器種類很多，常見的有兩大類：熱探測器和光子探測器。,82,1.熱探測器,熱探測器是利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化，便可確定探測器所吸收的紅外輻射。,83,

27、類型 熱探測器主要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測器。,熱釋電紅外探測器,具有極化現(xiàn)象的熱晶體或被稱為“鐵電體”的材料制成的?！拌F電體”的極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時，引起薄片溫度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。 如果將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載上便產(chǎn)生一個電信號。輸出信號的強弱取決于寶騙你溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強弱，熱釋電紅外傳感器的電壓響應率正比于入射光輻射率變化的速率。,84,2.光子探測器,光子探測器利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中電子的相互作用來改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象。 利用光子效應制