光電式傳感器課件

1、光電式傳感器 1.1 光源1.2 光電效應(yīng)及光電器件1.3 光電式傳感器應(yīng)用舉例1.4世界知名傳感器生產(chǎn)商 光電傳感器一般由輻射源、光學(xué)通路、光電器件三部分組成。 光電式傳感器的工作原理就是：首先將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電器件變換成電信號。它主要是基于光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。 被測量作用于輻射源或光學(xué)通路，從而將被測信息調(diào)制到光波上，使光波的強(qiáng)度、相位、空間分布和頻譜分布等發(fā)生改變，光電器件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)后續(xù)電路解調(diào)分離出被測信息，從而實(shí)現(xiàn)對被測量的測量。 光電測量方法結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。特別是激光光源、光柵、光學(xué)碼盤

2、、CCD器件、光纖等的成功應(yīng)用，使光電傳感器在自動檢測中得到廣泛應(yīng)用。1.1 光源 光源是光電式傳感器的一個重要組成部分，正確合理地選擇光源是成功設(shè)計(jì)光電傳感器的前提和保證。光電傳感器中所用光源分為自然光源和人造光源兩類。人造光源又分為熱輻射光源、氣體放電光源、電致發(fā)光光源和激光光源。 1.1.1熱輻射光源 利用物體升溫產(chǎn)生光輻射的原理制成的光源稱為熱輻射光源。物體溫升越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波長越短。加熱可以借電流沿導(dǎo)體流動時所釋放的熱量來實(shí)現(xiàn)，如鎢絲白枳燈、鹵鎢燈。 1、白熾燈：是一種典型的可見光譜熱輻射光源。鎢絲密封在玻璃泡內(nèi)，泡內(nèi)充以惰性氣體或保持真空，依靠電能將鎢絲加熱到白

3、熾狀態(tài)而發(fā)光。 白熾燈雖為可見光源，但它的能量只有15%左右落在可見光區(qū)域，它的峰值波長在近紅外區(qū)域，約11.5um，可作近紅外光源。 2、鹵鎢燈：是一種特殊的白熾燈，燈泡用石英或硬質(zhì)玻璃制作，能夠耐3500K的高溫，燈泡內(nèi)充以鹵族元素，通常是碘。鹵族元素能夠與沉積在燈泡內(nèi)壁上的鎢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成鹵化鎢擴(kuò)散到鎢絲附近，由于溫度高而分解，鎢原子重新沉積到鎢絲上，這樣彌補(bǔ)了燈絲的蒸發(fā)，大大延長了燈泡的壽命，同時也解決了燈泡因鎢的沉積而發(fā)黑的問題，光通量在整個壽命期始終能夠保持相對穩(wěn)定。 3、鹵鎢燈與白熾燈的比較 1）體積小 是同功率白熾燈體積的0.53%，便于實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)小型化。 2）光通量穩(wěn)定

4、。最終時的光通量為開始的95%-98%，而白熾燈只為60%。 3）紫外線較豐富，因鹵鎢燈的燈絲溫度較高，而且它的泡殼也能通過紫外線輻射，可作為紫外輻射源用于光譜輻射測量。 4）發(fā)光效率比白熾燈高23倍。 5）壽命長。 1.1.2氣體放電光源氣體放電光源：電流通過置于氣體中的兩個電極時，兩電極之間會放電發(fā)光，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源的光譜不連續(xù)，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)，改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。 如光譜燈：低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如：低壓汞燈的輻射波長為2

5、54nm；鈉燈的輻射波長約為589nm。它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。氣體放電光源發(fā)出的熱量少，對檢測對象和光電探測器件的溫度影響小，對電壓恒定的要求也比白熾燈低。1.1.3電致發(fā)光光源電致發(fā)光：固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光；利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件，如發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和電致發(fā)光屏。發(fā)光二極管LED（light emitting diode）具有體積小，壽命長（106-109h），工作電壓低（12V），響應(yīng)速度快（幾個納秒至幾十納秒）的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于飛機(jī)、計(jì)算機(jī)、儀器儀表、自動控制設(shè)備和民用電器上，作為顯示、指示、照明、光源、光電開關(guān)、光電偶合

6、、光電報警、光電遙控等元件使用。1.1.4激光光源激光的英文是laser,它是“光受激輻射放大”（light amplification by stimulated emission of radiation）的縮寫。某些物質(zhì)的分子、原子、離子吸收外界特定能量（如特定頻率的輻射），從低能級躍遷到高能級上（受激吸收），如果處于高能級的粒子數(shù)大于低能級上的粒子數(shù)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在特定頻率的光子激發(fā)下，高能粒子集中地躍遷到低能級上，發(fā)射出與激發(fā)光子頻率相同的光子（受激發(fā)射）。由于單位時間受激發(fā)射光子數(shù)遠(yuǎn)大于激發(fā)光子數(shù)，因此上述現(xiàn)象稱為光的受激輻射放大。具有光的受激輻射放大功能的器件稱為激光器。

7、 1.2 光電效應(yīng)及光電器件 1.2.1 光電效應(yīng) 光照射在物體表面上就可看成是物體受到一連串能量為E的光子轟擊，而光電效應(yīng)就是由于該物體吸收到光子能量為E的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。E=h.f，其中，h為普朗克常數(shù)，h=6.62610-34 J.S，f為光子頻率。 通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為三類： （1）外光電效應(yīng)。在光線作用下能使電子逸出物體表面的稱為外光電效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。 一個電子只能接受一個光子的能量。因此要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子能量大于該物體的表面逸出功。各種不同的材料具有不同的逸出功，因此對某特定材料而言，將有一個頻率限Vo

8、，稱為“紅限”。當(dāng)入射光的頻率低于o時，不論入射光有多強(qiáng)，也不能激發(fā)電子；當(dāng)入射頻率高于Vo時，不管它多么微弱也會使被照射的物體激發(fā)電子，光越強(qiáng)則激發(fā)出的電子數(shù)目越多。 （2）內(nèi)光電效應(yīng)。在光線作用下能使物體電阻率改變的稱為內(nèi)光電效應(yīng)，又稱光電導(dǎo)效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光敏電阻等。 （3）半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的稱為半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池、光敏晶體管等。 基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于真空光電器件，基于內(nèi)光電效應(yīng)和半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的光電器件屬于半導(dǎo)體光電器件。1.2.2光敏電阻 光敏電阻是由具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電

9、阻器件。具有很高的靈敏度，光譜響應(yīng)的范圍寬（從紫外區(qū)域到紅外區(qū)域），體積小、重量輕、性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊和振動，壽命長，價格低，被廣泛應(yīng)用于自動檢測系統(tǒng)中。 光敏電阻一般由金屬的硫化物、硒化物、碲化物等組成，如硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、硒化鎘、硒化鉛、碲化鉛等。 1光敏電阻的基本特性 （1）光電流： 暗電阻（暗阻）：光敏電阻在不受光照射時的電阻值； 暗電流：光敏電阻在不受光照射時流過光敏電阻的電流稱為暗電流； 亮電阻（亮阻）：光敏電阻在受光照射時的電阻值； 亮電流：在受光照射時流過光敏電阻的電流稱為亮電流； 光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。 暗阻越大越好，亮阻越小越好，這樣光電流就

10、大，光敏電阻的靈敏度就高。一般暗電阻超過1M歐姆，甚至100M歐姆；亮電阻在幾千歐姆以下。 （2）伏安特性:在一定的照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與光電流之間的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的伏安特性曲線。 從圖中看出：外加電壓一定時，光電流的大小隨光照的增加而增加；外加電壓越高、光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象 但光敏電阻在使用時受耗散功率的限制，其兩端電壓不能超過最高工作電壓。 （3）光照特性：在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的光照特性 。 圖1.4 光敏電阻的伏安特性曲線 圖1.5 光敏電阻的光照特性曲線 光敏電阻的光照特性是非線性的，所以光敏電阻不宜用做定量檢測元件，

11、而常在自動控制中用做光電開關(guān)。 （4）光譜特性：光敏電阻對于不同波長l 的入射光，其相對靈敏度Kr是不同的。 在選用光敏電阻時，應(yīng)把元件與光源結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。 （5）頻率特性：相對靈敏度Kr與光強(qiáng)度變化頻率f之間的關(guān)系曲線 。 當(dāng)光敏電阻受到光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，而在停止光照后，光電流也不立刻為0，這是光敏電阻的時延特性。 局限性： （1）由于光敏電阻的時延特性比較大，所以它不能用在要求快速響應(yīng)的場合。 （2）光敏電阻受溫度影響較大，隨著溫度的升高，暗阻和靈敏度都下降。 圖1.6 光敏電阻的光譜特性 圖1.7 光敏電阻的頻率特性 圖1.8 光敏電阻的光

12、譜溫度特性 1.2.3 光敏晶體管：包括光敏二極管、光敏三極管 1光敏二極管 （1）工作原理。 光敏二極管是基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的原理制成的光敏元件。光敏二極管一般處于反向工作狀態(tài)。 光敏二極管在沒有光照射時反向電阻很大，反向電流很小，此電流就是暗電流。 當(dāng)有光照射光敏二極管時，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下定向運(yùn)動形成光電流，即為短路電流。 短路電流與光照度成比例，光的照度越大，光電流越強(qiáng)。在不受光照射時，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；受光照射時，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。 圖1.9 光敏二極管2光敏三極管 （1）工作原理：光敏三極管是半導(dǎo)體光生伏

13、特效應(yīng)的原理制成的光敏元件，分為PNP型和NPN型兩種。 當(dāng)有光照射光敏三極管時，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下定向運(yùn)動形成光電流，因此PN結(jié)的反向電流大大增加。由于光照射發(fā)射結(jié)產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于三極管的基極電流，因此集電極電流是光電流的倍。光敏三極管比光敏二極管具有更高的靈敏度。 圖1.10 光敏三極管 （2）基本特性 光譜特性：光敏三極管對于不同波長l 的入射光，其相對靈敏度Kr是不同的。由于鍺管的暗電流比硅管大，鍺管的性能比較差。在探測可見光或赤熱狀態(tài)的物體時，都采用硅。但當(dāng)探測紅外光時，鍺管比較合適。 伏安特性 ：光敏三極管在不同照度E

14、e下伏安特性，與一般三極管在不同的基極電流時的輸出特性一樣，只要將入射光在發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)附近所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的三極管。 光照特性：光敏三極管的輸出電流Ic與照度Ee之間的關(guān)系可以近似看作是線性關(guān)系，當(dāng)光照足夠大時（幾千勒克斯），會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。光敏三極管即可做線性轉(zhuǎn)換元件，也可做開關(guān)元件。 溫度特性 ：表示溫度與暗電流及輸出電流之間的關(guān)系。 溫度變化對輸出電流的影響較小，主要由光照度所決定；而暗電流隨溫度變化很大，所以在應(yīng)用時應(yīng)在線路上采取措施進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 時間常數(shù) ：光敏三極管的傳遞函數(shù)可以看作是一個非周期性環(huán)節(jié)。一般鍺管的時間常數(shù)約為210-

15、4 S，硅管的時間常數(shù)10-5 S左右。當(dāng)檢測系統(tǒng)要求響應(yīng)速度快時，通常選擇硅管。 圖1.11 光敏三極管的光譜特性曲線 圖1.12 光敏三極管的光照特性曲線 圖1.13 光敏三極管的溫度特性曲線 1 1. .3 3光電式傳感器應(yīng)用舉例 圖1.19 帶材跑偏檢測裝置 1光源；2、3透鏡；4光敏電阻R1；5被測帶材；6遮光罩1.3.21.3.2在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)執(zhí)行部件帶著標(biāo)尺光柵相對指示光柵移動，通過讀數(shù)頭的光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送出與位移量對應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，用作位置反饋信號或位置顯示信號光光源源透透鏡鏡標(biāo)標(biāo)尺尺光光柵柵G Gs s指指示示光光柵柵G Gi i光光電電元元件件驅(qū)驅(qū)動動

16、電電路路驅(qū)驅(qū)動動電電路路原理 1）指示光柵與標(biāo)尺光柵刻度等寬。2）平行裝配，且無摩擦3）兩尺條紋之間有一定夾角4）當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對運(yùn)動時，會產(chǎn)生與光柵線垂直的橫向的條紋，該條紋為莫爾條紋，當(dāng)移動一個柵距時，摩爾條紋也移動一個紋距 應(yīng)用較多的干涉條紋式光柵，是利用光的衍射現(xiàn)象產(chǎn)生莫爾干涉條紋。當(dāng)兩片光柵互相平行，其刻線相互成一小角度時，兩光柵有相對運(yùn)動就會生明暗相間的干涉條紋，將光源來的光經(jīng)透鏡變成平行光，垂直照射在光柵上，經(jīng)狹縫s和透鏡由光電元件接受，即可得到與位移成比例的電信號。 理論上光柵亮度變化是一個三角波形，但由于漏光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后而近似一個正弦波。硅光電池將

17、近似正弦波的光強(qiáng)信號變?yōu)橥l率的電壓信號，經(jīng)光柵位移數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個脈沖，就代表移動了一個柵距那么大的位移，通過對脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺的移動距離。 將明暗相間的干涉條紋用光電元件接收后，經(jīng)過放大、整形、微分變成脈沖信號，即可用來測量位移量，如右圖。可見每個線距可以發(fā)兩個脈沖信號。 P1 P2 P3 P4 指示光柵 標(biāo)尺光柵 硅光電池 聚光鏡 光源 標(biāo)尺光柵安裝在機(jī)床移動部件上，光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床固定部件。按摩爾條紋特點(diǎn)，當(dāng)標(biāo)尺光柵移動一個柵距時，摩爾條紋移動一個摩爾條紋寬度。透過光強(qiáng)變化的周期數(shù)確定標(biāo)尺光柵移動了一個柵距，測得機(jī)床移動部件位移。根據(jù)摩爾條紋的

18、特點(diǎn)，標(biāo)尺光柵的移動位移與摩爾條紋的移動位移成比例。因此，標(biāo)尺光柵的移動速度和摩爾條紋的移動速度相一致，也與光強(qiáng)變化頻率相對應(yīng)。可根據(jù)透過觀察的光強(qiáng)變化頻率來確定標(biāo)尺光柵的移動速度，得到機(jī)床移動部件的移動速度。 脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用增量式編碼器俗稱脈沖編碼器， 一般有接觸式， 光電式、 電磁式三種。 光電式脈沖編碼器沒有接觸磨損， 碼盤壽命長， 允許轉(zhuǎn)速高， 精度較高， 在數(shù)控機(jī)床上主要使用光電式脈沖編碼器。（1）直線位移測量。 編碼器在數(shù)控機(jī)床中用于工作臺或刀架的直線位移測量有兩種安裝方式： 一是和伺服電動機(jī)同軸聯(lián)接在一起（稱為內(nèi)裝式編碼器）， 伺服電動機(jī)再和滾珠絲杠連接， 編碼器在

19、進(jìn)給轉(zhuǎn)動鏈的前端， 如圖2（b）所示； 二是編碼器連接在滾珠絲杠末端 (稱為外裝式編碼器)， 如圖 2（a）所示。 由于后者包含的進(jìn)給轉(zhuǎn)動鏈誤差比前者多， 因此， 在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中， 后者的位置控制精度比前者高。由于增量式光電編碼器每轉(zhuǎn)過一個分辨角就發(fā)出一個脈沖信號， 因此， 根據(jù)脈沖的數(shù)量、 傳動比及滾珠絲杠螺距即可得出移動部件的直線位移量。 （2）角位移測量。 在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中， 通過在回轉(zhuǎn)軸末端安裝編碼器， 可直接測量回轉(zhuǎn)工作臺的角位移。（3）測速。光電編碼器輸出脈沖的頻率與其轉(zhuǎn)速成正比，因此， 光電編碼器可代替測速發(fā)電機(jī)的模擬測速而成為數(shù)字測速裝置。 測出脈沖的變化率，即單位時間脈

20、沖的數(shù)目，就可以求出速度。（4）零標(biāo)志脈沖用于回參考點(diǎn)控制。 當(dāng)數(shù)控機(jī)床采用增量式位置檢測裝置時， 在接通電源后實(shí)現(xiàn)要完成回參考點(diǎn)的操作。 這是因?yàn)闄C(jī)床斷電后， 系統(tǒng)就失去了對各坐標(biāo)軸位置的記憶， 所以在接通電源后， 必須讓各坐標(biāo)軸回到機(jī)床某一固定點(diǎn)上， 這一固定點(diǎn)就是機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)或零點(diǎn)， 也稱機(jī)床參考點(diǎn)。 參考點(diǎn)位置是否正確與檢測裝置中的零標(biāo)志脈沖有相當(dāng)大的關(guān)系。 圖 5 所示為回參考點(diǎn)的一種實(shí)現(xiàn)方式。 機(jī)床在回零時， 坐標(biāo)軸先以快速 v1 向零點(diǎn)方向運(yùn)動， 當(dāng)擋塊碰到零點(diǎn)開關(guān) （減速開關(guān)） 后， 再以慢速 v2 趨近零點(diǎn)， 當(dāng)編碼器產(chǎn)生零標(biāo)志信號后， 坐標(biāo)軸即停止于機(jī)床零點(diǎn)。1.4 1

21、.4 世界知名傳感器制造商近年來，世界傳感器市場以持續(xù)穩(wěn)定的增長之勢向前發(fā)展，各國企業(yè)競相加速對傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依然是傳感器市場分布最大的國家。歐洲、北美洲和亞洲的知名傳感器制造商。1: Measurement Specialties Inc. /美國MEAS傳感器公司 精量電子美國MEAS傳感器公司掌握著世界領(lǐng)先的MEMS制造技術(shù)，專業(yè)生產(chǎn)各類傳感器。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航天航空、國防軍工、機(jī)械設(shè)備、工業(yè)自動控制、汽車電子、醫(yī)療、家用電器、暖通空調(diào)、石油化工、空壓機(jī)、氣象檢測、儀器儀表等領(lǐng)域。該公司在行業(yè)內(nèi)第一個實(shí)現(xiàn)硅MEM

22、S批量加工技術(shù)，第一個將LVDT商業(yè)化，第一個將Piezo Film技術(shù)轉(zhuǎn)化為低成本的商業(yè)化傳感器及生命特征傳感器。主要的傳感器產(chǎn)品：壓力及動態(tài)壓力傳感器，位移傳感器，傾角及角位移傳感器，霍爾編碼器，磁阻傳感器，加速度傳感器，振動傳感器，濕度傳感器，溫度傳感器等。2:羅克韋爾自動化有限公司 主要的傳感器產(chǎn)品：壓力傳感器 、溫度傳感器、容性接近傳感器、感性接近傳感器、光電傳感器、超聲傳感器等。 公司簡介：羅克韋爾自動化公司是擁有百年歷史的工業(yè)自動化巨擎。它在全球工業(yè)自動化動力、控制與信息技術(shù)解決方案等領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。1988年進(jìn)入中國，在上海設(shè)有生產(chǎn)基地，為中國制造業(yè)提供世界一流產(chǎn)品與解決方案

23、、服務(wù)支持及技術(shù)培訓(xùn)。同時，羅克韋爾自動化為客戶提供各種工業(yè)領(lǐng)域的專家支持，諸如采礦、水泥、起重機(jī)及船舶應(yīng)用、地鐵、半導(dǎo)體、水及污水處理、輪胎、石油及石化、冶金、汽車、食品與飲料、電力及能源等。主要的傳感器產(chǎn)品：壓力傳感器、溫度傳感器、容性接近傳感器、感性接近傳感器、光電傳感器、超聲傳感器等。 3: General Electric Company / 通用電氣公司 通用電氣公司（GE）是一家多元化的科技、媒體和金融服務(wù)公司，也是全球知名傳感器廠商之一，致力于不斷創(chuàng)新、發(fā)明和再創(chuàng)造，為客戶解決問題。GE由四大業(yè)務(wù)集團(tuán)構(gòu)成，每個集團(tuán)都包括多個共同增長的部門。GE的產(chǎn)品和服務(wù)范圍廣闊，從飛機(jī)發(fā)動機(jī)、發(fā)電設(shè)備、水處理和安全技術(shù)，到醫(yī)療成像、商務(wù)和消費(fèi)者金融、媒體和工業(yè)產(chǎn)品。主要的傳感器產(chǎn)品：車載傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、光學(xué)傳感器（元件）等。 4:Siemens AG /西門