第六章___光电式传感器

第六章光电式传感器•光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。第一节光源第二节光电传感器第三节光纤传感器第四节光栅式传感器一、光谱光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm，波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线红外线：波长780—106nm波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。光谱远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm频率/Hz光子能量/eV10155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率ν的关系为ν的单位为Hz，λ的单位为cm。νλ=3×1010cm/s第一节光源一、热辐射光源二、气体放电光源三、电致发光器件－－发光二极管四、激光器1.气体激光器2.固体激光器3.半导体激光器第二节光电传感器光电器件的作用是将光信号转变为电电信号。其工作的物理基础是光电效应。hgRhE内光电效应：光作用，使光电器件的电阻率变化。器件：光敏电阻。阻挡层光电效应：光作用，使光电器件产生一定方向的电动势。器件：光电池，光敏二极管、光敏三极管。光电效应光电效应外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。如光电管、光电倍增管。光电效应方程Ehv2012kEmvhvA光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。解释：当光照射物体时，导致物体的电学性质发生改变，这种现象称为光电效应。光电效应光电效应外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。导带价带禁带自由电子所占能带价电子所占能带Eg不存在电子所占能带光电效应光电效应外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。光电器件按探测原理分为：热探测型和光子探测型一、热探测器：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器（一）测辐射热电偶（二）测辐射热敏电阻（三）热释电探测器二、光子探测器基于一些物质的光电效应光子的能量与频率的关系为Ehf（一）光电发射探测器光电管结构在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。光电倍增管由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如下图。光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如p型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势。光电池工作原理图uA输出电流mV输出电压（１）光照特性反映短路电流、开路电压与光照度的关系。短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的,并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件。光电池的基本特性JMJ112V2A901251KL39470uf4001～自动干手器手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。Lx(W/m2)(2)温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。开路电压随温度升高而下降的速度较快,短路电流随温度升高而缓慢增加。把光电池作为测量器件应用时,应保证温度恒定或采取温度补偿措施。（二）光电导探测器采用半导体材料并利用内光电效应组成，在光线作用下其电阻值变小。这种现象称为光导效应，具有光导效应的材料称为光敏电阻，也叫光导管。一、１．光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。2.光敏电阻的结构为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。3．光敏电阻的主要参数（１）暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。（２）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。（３）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。4．光敏电阻的基本特性（1）伏安特性：在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系①一定光照，R一定，I正比于U。②一定电压，I随着光照E增强而增大。E↑→R↓→I↑。(2)光照特性（I～E）光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。如光照度计：农作物日照时数测定。wR9013CRGRA0V无光照V0=VL。有光照V0=VH。输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。)(24720hNH（3）光谱特性（Kr%～）光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。亦称为光谱响应。%100%max00IIKr①不同材料，其峰值波长不同。②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件，（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。（4）温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此,硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些。（2）光敏电阻工作原理内光电效应。光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。hgE导带价带uAgREI要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足ghE或ghcE01293()gnmE刚好产生内光电效应的临界波长为需光子能量越高。越小越大,,0gE制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物和金属硒化物。（三）光电结型探测器1.光电二极管工作原理与光电导型探测器相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小,这反向电流称为暗电流。二极管处于截止状态。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。3.PIN结构光电二极管具有较高灵敏度和响应速度2.雪崩二极管是一种具有内部电流倍增放大作用的光电二极管。4.光电三级管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。工作原理（1）光电转换（2）电流放大基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时,在结附近产生电子-空穴对,电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，放大β倍形成集电极电流（光电流）,所以光电三极管有放大作用。NPNCBE-+-RUI(四)、光电耦合器件1．光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。特点：①强弱电隔离。输入输出极之间绝缘电阻达1010。耐压达2000V以上。能避免输出端对输入端地线等的干扰。②对系统内部噪声有很强的抑制作用。发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离。2.光电开关光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可实现限位控制、产品计数,料位检测，越限安全报警及计算机输入接口等用途。光电开关结构：透射式和反射式的光电开关。利用输出电平的状态判断有无被测物。基本电路（透射式）（a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。(CD4584非门)(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。五、光电传感器的类型按输出量的性质分两大类1、模拟量光电传感器检测系统（1）辐射式物体辐射能量到到光电接受元件，根据测出光电流确定辐射物内部参数。404TMVTTMee光电元件输出电压绝对温度波尔兹曼常数斯特藩比辐射率物体辐射能量为如测炽热金属，用光电比色高温计。暖气热量计量中用热分配表测暖气消耗的热量。（2）透射式被测物置于恒光源于光电元件之间，根据被测物对光源的吸收程度测定被测参数。对气体的成分分析。如测气体的透明度、混浊度越小。浓度越高，的浓度，吸收系数）正比于介质一定，IleIIl(0(3)反射式恒光源发出的光照射到被测物表面上，再从表面放射到光电元件上。根据反射光通量的大小测定被测物表面的性质和状态。如表面的缺欠、粗糙度。如用Y型光纤扫描式检测弹头缺欠。无缺欠，反射光恒定。有缺欠，对光的吸收增强，反射光减弱，输出有跳变。接示波器可显示出波形。（4）遮挡式测工件尺寸。2、开关量光电传感器光电式转速表。旋转盘与指示盘开有相同间距的缝隙。当旋转盘转动时，每转过一条缝隙，光线便产生一次明暗变化，光电元件感光一次。光电流变化曲线如图。经整形电路变为矩形脉冲信号。送计数器（单片机），由公式算出转速。光电传感器的应用光电传感器的应用•一、烟尘浊度监测仪•防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。平行光源光电探测放大显示刻度校正报警烟道吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。二、光电转速传感器231231(a)(b)光电数字式转速表工作原理图下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间