光电式传感器的原理与应用

第5章光电式传感器原理与应用上一页下一页返回概述光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化转换成电量的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件参数的变化将光信号转换成电信号，它的物理基础是光电效应。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件的输出电量也作相应的变化，最后用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，有多种参数都可测量，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。上一页下一页返回第5章光电式传感器原理与应用5.1光电效应及光电器件5.2光电码盘5.3电荷耦合器件5.4光纤传感器5.5光栅传感器上一页下一页返回光电效应通常可分为四类：(1)外光电效应:在光线作用下,使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。基于外光电效应原理的器件属于真空光电元件,有光电管、光电倍增管等。(2)内光电效应:在光线作用下,使物体的电阻率改变的现象。基于内光电效应原理的器件属于半导体光电元件,有光敏电阻、光敏晶体管等。(3)光生伏特效应:在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象。基于光生伏特效应原理的器件属于半导体光电元件,有光电池等。(4)热释电现象：热电材料受红外光等照射时，若其表面温度上升或下降,则该表面产生电荷的现象。上一页下一页返回5.1光电效应及光电器件5.1.1光电管5.1.2光电倍增管5.1.3光敏电阻5.1.4光敏二极管5.1.5光敏晶体管5.1.6光电池5.1.7光电传感器的应用上一页下一页返回5.1.1光电管(a)反射式光电阴极光电管(b)透射式光电阴极光电管光电管结构示意图连接电路上一页下一页返回5.1.2光电倍增管（a）直线型；(b)鼠笼式；(c)盒-网型1一阴极；2-倍阴极；3-阳极；4-绝缘隔板；5-栅极。光电倍增管的结构原理图上一页下一页返回5.1.2光电倍增管假设每个电子落到任一倍增极上都打出σ个电子，则阳极电流I为0nIi光电倍增管的电流放大系数β为0nIi上一页下一页返回5.1.3光敏电阻1-梳状电极；2-光导体；3-透光窗口;4-外壳;5-绝缘基体；6-黑色玻璃支柱：7-引脚光敏电阻结构图上一页下一页返回光敏电阻主要的技术特性(1)暗电阻，暗电流(2)亮电阻、光电流(3)光谱特性(4)光电特性(5)频率特性(6)温度特性上一页下一页返回(1)暗电阻，暗电流若将光敏电阻置于无光照的黑暗条件下，测得光敏电阻的阻值称为暗电阻，这时，在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流值称为暗电流。上一页下一页返回(2)亮电阻、光电流光敏电阻在光照下，测得的光敏电阻的阻值称为亮电阻，亮电阻一般在几千欧姆。这时在工作电压下测得的电流为亮电流。亮电流和暗电流之差称为光电阻的光电流IФ上一页下一页返回(3)光谱特性对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图5.1.5所示，从图中看出，每种光敏电阻对不同波长的入射光有着不同的灵敏度，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域；因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果光敏电阻的光谱特性上一页下一页返回(4)光电特性光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图5.1.6所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。做检测元件时，要对其值进行曲线拟合，响应曲线不连续，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。光敏电阻的光电特性上一页下一页返回(5)频率特性当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零，这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。光敏电阻的频率特性上一页下一页返回(6)温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，在使用光敏电阻检测时为了能接受远红外光，或为了提高灵敏度，要采取控制温度的措施。硫化铅的光谱温度特性上一页下一页返回5.1.4光敏二极管光敏二极管的工作原理也是基于内光电效应，与光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上,PN结参与了光电转换过程。(a)结构示意图和图形符号(b)基本电路光敏二极管上一页下一页返回5.1.5光敏晶体管光敏晶体管通常指光敏三极管，光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。（a）结构示意图；（b）基本电路光敏三极管上一页下一页返回光敏晶体管特性(1)光谱特性(2)伏安特性(3)光电特性(4)温度特性(5)频率特性上一页下一页返回（1）光谱特性从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。硅管的峰值波长为0.9μm左右，锗管的峰值波长为l.5μm左右。由于锗管的暗电流比硅管大，所以锗管性能较差。因此，在探测可见光或赤热物体时，多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗管较为合适。光敏晶体管的光谱特性上一页下一页返回(2)伏安特性光敏三极管的伏安特性是指光敏三极管在给定的光照度下光敏三极管上电压与光电流比关系。光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就像普通三极管在不同基极电流下的输出特性一样光敏三极管伏安特性上一页下一页返回(3)光电特性光电特性是指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流和光照度的关系。一般说来，光敏二极管光电特性的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加而减小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。上一页下一页返回(4)温度特性温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著光敏晶体管的温度特性上一页下一页返回(5)频率特性光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性光敏晶体管的频率特性上一页下一页返回5.1.6光电池定义：光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。光电池的种类：硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅光电池，硅光电池优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射等。另外，由于硒光电池的光谱峰值处于人眼的感觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。上一页下一页返回光电池的主要特性如下：(1)光谱特性(2)光电特性(3)温度特性(4)频率特性上一页下一页返回(1)光谱特性不同材料的光电池适用的入射光波长范围也不相同。硅光电池的适用范围宽，对应的入射光波长可在0.45μm-1.1μm之间，而硒光电池只能在0.34μm-0.57μm波长范围，它适用于可见光检测。（a）结构示意图；（b）图形符号光电池1-硅光电池；2-硒光电池光电池光谱特性上一页下一页返回(2)光电特性1-开路电压特性曲线；2—短路电流特性曲线硅光电池的光电特性上一页下一页返回(3)温度特性1-开路电压；2一短路电流硅光电池温度特性上一页下一页返回(4)频率特性光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系。当入射光照度变化时，由于光生电子-空穴对的产生和复合都需要一定时间，因此入射光调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅度将下降。硅光电池的频率特性较好，工作频率的上限约为数十千赫，而硒光电池的频率特性较差。在调制频率较高的场合，应采用硅光电池，并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，以进一步减少响应时间，改善频率特性。上一页下一页返回5.1.7光电传感器的应用特点：结构简单、质量轻、体积小、价格便宜、响应快、性能稳定及具有很高的灵敏度等光电传感器按其工作原理可分为模拟式和脉冲式两类光电传感器在工业应用中可归纳为直射式、透射式、反射式和遮蔽式等四种基本形式。上一页下一页返回(a)直射式;(b)透射式;(c)反射式;(d)遮蔽式光敏器件在工业应用中的基本形式上一页下一页返回四种基本形式(1)直射式如图5.1.19(a)所示,光源本身就是被测物体。被测物体的光通量指向光敏器件，产生光电流输出。这种形式常用于光电比色高温计中作光电器件。(2)透射式如图5.1.19(b)所示，光源的光通量一部分由被测物体吸收，另一部分则穿过被测物体投射到光敏器件上。该形式常用于测量混合气体、液体的透明度、浓度等。(3)反射式如图5.1.19(c)所示，光源发射出的光通量投射到被测物体上，被测物体又将部分光通量反射到光敏器件上。反射的光通量取决于被测物体的反射条件，该形式一般用于测量工件表面的粗糙度及测量转速等。(4)遮蔽式如图5.1.19(d)所示，光源发射出的光通量投射到被测物体上,被测物体遮蔽光通量改变，则投影到光敏器件上的光通量也随着改变。这种形式常用于测量位置、位移、振动、频率等，在自动控制中用作自控开关。上一页下一页返回光敏器件的具体应用(1)测量工件表面的缺陷(2)测量转速(3)光电数字转速表(4)烟尘浊度连续监测仪上一页下一页返回(1)测量工件表面的缺陷检查零件表面缺陷的光电传感器上一页下一页返回(2)测量转速光电转速计工作原理上一页下一页返回(3)光电数字转速表光电式数字转速表的工作原理若调制盘上开有z个缺口,测量计数时间为t(s),被测转速为n(r/min)，则此时得到的计数值c为：上一页下一页返回(4)烟尘浊度连续监测仪吸收式烟尘浊度监测仪框图上一页下一页返回5.2光电码盘光电编码器具有下列特点：①具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；②抗干扰能力强，稳定性好；③信号易于处理、传送和自动控制；④便于动态及多路测量，读数直观；⑤安装方便，维护简单，工作可靠性高。上一页下一页返回5.2.1工作原理5.2.2码盘和码制5.2.3旋转式光电编码器5.2.4应用上一页下一页返回5.2.1工作原理编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，分别为“1”或“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。透射式旋转光电编码器上一页下一页返回5.2.2码盘和码制编码器有两种：增量编码器和绝对编码器接触式编码盘示意图上一页下一页返回二进制码、十进制码与循环码对照表角度电刷位置二进制码十进制码格雷码0a0000000001αb0001100012αc005200113αd001130054αe05040155αf051501116αg01560517αh011170508αi50081509αj50191515αk555111111αl5111111512αm150125513αn1511351114αo1151450115αp111115500上一页下一页返回5.2.3旋转式光电编码器非接触式光电编码器，由于其精度高，可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。1.绝对编码器2.增量编码器上一页下一页返回1.绝对编码器光学码盘通常用照相腐蚀法制作。现已生产出径向线宽为6.7×2-8radα的码，其精度高达1/58。光电绝对编码器结构示意图上一页下一页返回2.增量编码器在增量编码器码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区，这是用来产生计数脉冲的增量码道。扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多，分辨率越高。上一页下一页返回5.2.4应用