傳感器與檢測技術(shù)第5章

1、第5章 光電傳感器 5.2光電傳感器的應(yīng)用 5.3思考題 5.1光電效應(yīng)和光電元件第5章 光電傳感器 光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測量轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件而轉(zhuǎn)換成電信號的輸出。光電傳感器可測量的參數(shù)很多，一般情況下具有非接觸式測量的特點，并且光電傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的可靠性且動態(tài)響應(yīng)極快。隨著激光光源、光柵、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器越來越廣泛地應(yīng)用于檢測和控制領(lǐng)域。第5章 光電傳感器5.1 5.1 光電效應(yīng)和光電元件光電效應(yīng)和光電元件5.1.1 光電效應(yīng)及分類 光電傳感器中能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換成電信號輸出的元件稱為光電元件。光電元件的這種特性

2、就是光電效應(yīng)。換句話說，光電效應(yīng)即為光電元件在光能的激發(fā)下產(chǎn)生某些電特性的變化。為什么光電元件會產(chǎn)生光電效應(yīng)呢？當前的物理學界認為，光是分離的能量團（光子）組成的，光子兼有波和粒子的特性。把光看做一個波群，這個波群可認為是一個頻率為的振蕩。當光照射物體時，相當于一連串具有h能量的光子轟擊物體（h為普朗克恒量6.62610-34Js，為入射光的頻率），由于光子與物質(zhì)間的連接體是電子，則組成物體的電子吸收光子能量，才能發(fā)生相應(yīng)電特性的變化。第5章 光電傳感器依據(jù)光電元件發(fā)生電特性變化的不同，光電效應(yīng)分為三種類型：（1）光照使電子逸出形成光電流的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的典型光電元件有光電

3、管和光電倍增管等。（2）光照使物體的導電能力發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的典型光電元件有光敏電阻和光敏晶體管等。（3）光照使物體向外輸出固定的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)的典型光電元件有光電池等。利用各種光電元件制成的光電傳感器廣泛用于轉(zhuǎn)速、位移、溫度、濃度、濁度、距離等參數(shù)的測量，還可用于產(chǎn)品的計數(shù)、機床的保護裝置等。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，新光源、新光電元件（如光導纖維、電荷耦合攝像、光電位置敏感元件）的出現(xiàn)，使光電傳感器應(yīng)用范圍日趨擴大，不僅能測量一維量而且能夠測量二維量，直接獲得圖形符號。光電傳感器是一種很有發(fā)展前途的傳感器。第5章 光電傳感器5.1.2 光電

4、元件為了更好地分析和使用光電傳感器，對于各類典型的光電元件及其原理簡述如下。1光電管圖5-1 常見的光電管外形圖1陽極A；2陰極K；3玻璃外殼；4管座；5電極引腳；6定位銷常見的光電管外形如圖5-1所示，陽極與陰極封裝在一個玻璃殼內(nèi)，當入射光照射在陰極上，陰極表面電子吸收光子的能量，當其自身能量足以克服陰極束縛力的時候，就會逸出陰極表面，如果在陰極與陽極之間加以正向電壓，逸出的電子就會定向射向陽極而形成光電流。這一過程可以用愛因斯坦方程來表示，即式中， 為電子質(zhì)量； 為電子逸出時的初速度； 為逸出功，即克服陰極表面對電子的束縛力而做的功，不同的材料，其逸出功不同。Ahmv221mvA第5章 光

5、電傳感器圖5-1 常見的光電管外形圖1陽極A；2陰極K；3玻璃外殼；4管座；5電極引腳；6定位銷 由上式可以發(fā)現(xiàn)，光電子逸出物體時所具有的動能，與入射光的頻率有關(guān)，與材料有關(guān)。因此，對某種材料的光電管而言，若想在光照下有光電流生成，不僅需要在陽極與陰極間加有正向電壓，還需要入射光有足夠的能量。為了保證這一點，入射光的頻率必須大于某一極限，即 這一頻率稱為“紅限”。由此可以看出，光電管形成光電流需要兩個條件：一是要有足夠的光照而克服逸出功，即入射光頻率大于紅限；二是陽極與陰極之間外加正向電壓。hA第5章 光電傳感器 光電管的圖形符號及測量電路如圖5-2所示。負載電阻RL與光電管串聯(lián)接入電路，該電

6、阻上的壓降隨光電流的大小而變化，而光電流的大小又直接反映了光照強度的變化，從而利用光電管實現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換。光電管在工業(yè)測量中多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等場合。光電管的靈敏度較低，因此，在微光測量中，常常使用光電倍增管。圖5-2 光電管圖形符號及測量電路 第5章 光電傳感器2光電倍增管圖5-3為光電倍增管的結(jié)構(gòu)、圖形符號和光電特性。光電倍增管在普通光電管陰、陽極的基礎(chǔ)上，又加入了光電二次發(fā)射的倍增極。這些光電倍增極上面有著Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料。在工作時，這些電極的電位逐級提高，當光照射陰極時，陰極的光電子受第一倍增極VD1正電位的作用，加速并打在VD1上，由VD1產(chǎn)生的二次發(fā)射電子

7、，在更高電位的VD2極的作用下，又加速射到VD2極上，在VD2極又將產(chǎn)生二次發(fā)射，這樣逐級加速，一直到最后到達陽極為止。若每級的倍增率均為，且倍增極的個數(shù)為n個，則該光電倍增管的靈敏度將是普通光電管的n倍。一般光電倍增管的倍增極有914個。光電倍增管的輸出特性（光電特性）基本上是一條直線，如圖5-3（c）所示。在激光測量中，光電倍增管的應(yīng)用相當廣泛。 第5章 光電傳感器圖5-3 光電倍增管結(jié)構(gòu)、圖形符號及光電特性第5章 光電傳感器3光敏電阻 在半導體光敏材料兩端裝上電極導線，并將其封裝在帶有透明窗口的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的種類繁多，一般由金屬的硫化物、硒化物等材料制成（如硫化鎘、硫

8、化鉛、硫化鉈、硒化鎘、硒化鉛等）。光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號如圖5-4所示。圖5-4 光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號第5章 光電傳感器金屬的硫化物、硒化物等材料在黑暗的環(huán)境下，具有很高的電阻值。但當受到光照射時，若光輻射能量足夠大，阻值降低，導電性能增強。光敏電阻兩極間加上電壓，便有電流流過，若有光照，電流將增加。光敏電阻常做得很薄，因其光電效應(yīng)只限于受光照的表面層。為了提高光敏電阻靈敏度，常將電極做成梳狀，并將其嚴密封裝在殼體中，以免受潮。在外殼的入射中，常用專用的濾光件，避免其他光線的干擾。光敏電阻具有很高的靈敏度，測量入射光的范圍可以從紫外線區(qū)域到紅外線區(qū)域，且體積小，性能穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用

9、于自動化技術(shù)中。第5章 光電傳感器4光敏二極管圖5-5所示為光敏二極管的結(jié)構(gòu)與符號，其文字符號可以用D或VD表示。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，是兩層半導體元件，一個PN結(jié)，PN結(jié)裝在透明管的頂部，直接接受光照。光敏二極管在電路中處于反向偏置狀態(tài)，沒有光照時，由于PN結(jié)反偏，所以光敏二極管截止，反向電流很?。ò惦娏鳎．斢泄庹丈涞蕉O管的PN結(jié)時，PN結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，并在外電場和內(nèi)電場的共同作用下，漂移越過PN結(jié)，產(chǎn)生光電流。此時，光電流與光照度成正比，光敏二極管處于導通狀態(tài)。圖5-5 光敏二極管結(jié)構(gòu)與符號第5章 光電傳感器5光敏三極管光敏三極管的結(jié)構(gòu)、電路符號和開關(guān)電路如圖5-6

10、所示。光敏三極管由三層半導體組成，形成兩個PN結(jié)。它與普通三極管不同，通常只有兩根電極引線，如圖5-6（a）所示。當光線通過透明窗口照在集電結(jié)上時，會使集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏。此時在集電結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對。電子受集電結(jié)電場吸引流向集電區(qū)，基區(qū)留下空穴。由于空穴帶正電，則基區(qū)電位升高，使電子從發(fā)射區(qū)流向基區(qū)。又由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)來的電子與基區(qū)的空穴結(jié)合，大部分電子越過基區(qū)流向集電區(qū)，這一過程與普遍三極管放大基極電流的作用很相似。所以，光敏三極管放大了光電流，它的靈敏度比光敏二極管高出許多。光敏三極管電路符號如圖5-6（b）所示。利用光敏三極管可以實現(xiàn)簡單的光電開關(guān)，電路圖如5

11、-6（c）所示。圖中兩個光電開關(guān)在有光照和無光照的條件下，實現(xiàn)的開關(guān)狀態(tài)截然相反。第5章 光電傳感器圖5-6 光敏三極管結(jié)構(gòu)、電路符號和開關(guān)電路圖第5章 光電傳感器6光電池 光電池是一種自發(fā)電式的光電元件，為有源器件。當光電池受到光照時，會產(chǎn)生一定方向的電動勢，在測量時，無需外接電源。 光電池的種類很多，有硒、氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、鍺、硅、砷化鎵等。其中硅光電池具有性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好等優(yōu)點，是應(yīng)用最多的一種。第5章 光電傳感器 硅光電池是在一塊N型硅片上用擴散的方法摻入一薄層P型雜質(zhì)，從而形成一個大面積的PN結(jié)。P型區(qū)的多子是空穴，而N型區(qū)的多子是電子。當P型區(qū)與N型區(qū)接合時

12、，雙方的多子分別向各自濃度低的一方自由擴散，使空穴和電子分別集結(jié)在PN結(jié)的N型和P型一邊，在PN結(jié)的附近形成一個電場，該電場阻止空穴、電子的進一步擴散。當入射光照在P型層上，由于P型層薄，入射光能穿透而到PN結(jié)上，在PN結(jié)附近激發(fā)出電子空穴對，電子空穴對的濃度由表及里逐漸下降。在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，擴散到PN結(jié)附近的電子空穴對分離，電子被拉到N型區(qū)，空穴留在P型區(qū)，至使N區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電，兩者之間形成電位差。若光照連續(xù)，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的電動勢輸出。圖5-7所示為光電池的結(jié)構(gòu)和圖形符號。圖5-7 光電池結(jié)構(gòu)與圖形符號第5章 光電傳感器5.2 5.2 光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用

13、 光電傳感器可以用于很多領(lǐng)域。被測量作用在光電元件上被轉(zhuǎn)換成電信號，電信號分為兩類：第1類是連續(xù)變化的電信號；第2類是斷續(xù)變化的電信號。因此，光電傳感器也分成兩類。 第1類光電傳感器：將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號的這類傳感器，依據(jù)被測物、光源和光電元件三者的關(guān)系，其結(jié)構(gòu)分為以下四種類型。（1）被測物作為光源，光電元件的輸出反映被測物的某些特性參數(shù)。如光電比色高溫計，被測物的溫度（高溫）反映在它向外輻射的光的波長不同。（2）恒光源發(fā)出的光照到被測物，被測物反射光的能力由被測量決定，如光電式粗糙度計和白度計等。（3）恒光源發(fā)出的光照到被測物，被測物透射光的能力由被測量決定，如光電式濁度計。（4）

14、恒光源發(fā)出的光在照到光電元件的過程中，遇到被測物被遮蔽了一部分，被測物的某些物理量改變遮蔽的能力，如測量工件尺寸等。第5章 光電傳感器在圖5-8中，分別示出這四種類型的光電傳感器結(jié)構(gòu)，反映了上述幾種情況。圖5-8 光電傳感器的結(jié)構(gòu)1被測元件；2光電元件；3恒光源 第2類光電傳感器：把被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光信號，系統(tǒng)輸出為開關(guān)量的電信號。這種類型傳感器中，最典型的是光電轉(zhuǎn)速表。下面介紹幾種光電傳感器應(yīng)用實例。第5章 光電傳感器5.2.1 光電式轉(zhuǎn)速表 光電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖5-9所示。這種傳感器的輸入軸與待測軸相連接，光通過開孔盤和縫隙板照射到光電元件上。開孔盤上有很多個小孔（如20,

15、30,60），開孔盤每轉(zhuǎn)一周，光電元件接受光的次數(shù)等于盤上的開孔數(shù)。如開孔數(shù)為60，記錄過程的時間為t秒，總脈沖數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速 （r/min）。這樣，光電式轉(zhuǎn)速傳感器就把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變成相應(yīng)頻率的脈沖，用測量電路測出脈沖頻率，由頻率值就可得出所測的轉(zhuǎn)速值。光電脈沖變換電路原理圖如圖5-10所示。圖中VT1是光敏三極管，有光照時，光電流增加使VT2導通，VT3和VT4組成射極耦合觸發(fā)器，VT2的導通使Uo輸出為高電平；反之，Uo為低電平。Uo被送到測量電路進行計數(shù)。tNtNn6060第5章 光電傳感器圖5-9 光電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)原理圖1開孔盤；2縫隙板；3光敏元件；4光源圖5-10 光電脈沖變

16、換電路原理圖第5章 光電傳感器 測量電路由計數(shù)器、寄存器、分頻器、晶振等通用電路和控制電路組成?？刂齐娐酚煽刂齐p穩(wěn)、閉鎖雙穩(wěn)、顯示單穩(wěn)、復(fù)位控制電路和寄存控制電路組成。數(shù)字式轉(zhuǎn)速表原理方框圖如圖5-11所示。在起始狀態(tài)，控制雙穩(wěn)和閉鎖雙穩(wěn)都處于左管截止、右管導通的狀態(tài)，即Q1與Q2都為低電平，此時，計數(shù)器關(guān)閉。在t1時刻，秒脈沖輸入控制雙穩(wěn)，控制雙穩(wěn)被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，Q1變成高電位，此時計數(shù)門打開，輸入脈沖經(jīng)計數(shù)門進入計數(shù)器被計數(shù)。在t2時刻，秒脈沖信號控制雙穩(wěn)再翻轉(zhuǎn)，Q1又回到低電位。它有以下作用：第5章 光電傳感器（1）關(guān)閉計數(shù)門，計數(shù)器停止計數(shù)；（2）閉鎖雙穩(wěn)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，Q2為高電位，使與門關(guān)閉

17、，以后的秒脈沖不能觸發(fā)控制雙穩(wěn)；（3）寄存控制電路Q4產(chǎn)生一個高電平，打開寄存器，將計數(shù)器結(jié)果送入寄存器，并通過譯碼輸出測量結(jié)果；（4）Q3觸發(fā)顯示單穩(wěn)，使Q3輸出高電平，延時一段時間至t3時刻，Q3從高電位又重新回到低電位，觸發(fā)復(fù)位控制電路輸出一個高電位，使計數(shù)器復(fù)位，同時，使閉鎖雙穩(wěn)復(fù)位，Q2又變成低電位，與門打開，等待下一次測量。第5章 光電傳感器5.2.2 光電式邊緣位置檢測傳感器邊緣位置檢測原理和電路圖如圖5-12所示，用來檢測帶材在加工過程中是否偏離標準位置。圖5-12（a）中，光源1發(fā)出的光線2匯聚為平行光束，投向透鏡3，中途會被帶材5遮擋一部分，剩下的光線經(jīng)透鏡3匯聚照在光敏電

18、阻4上，它就是圖5-12（b）中的R1。R1,R2型號相同，R2用遮光罩罩住，R2的電阻值與帶材不偏時的R1相等。這兩個光敏電阻與平衡電阻R3,R4組成電橋，當被測帶材沒有偏離標準位置時，因為R1R2，R3R4，所以A,B兩點電位相等，電橋平衡輸出電壓為零。若帶材左（右）偏，帶材遮擋光線部分減少（增多），光敏電阻阻值變?。ㄗ兇螅?，A點電位升高（降低），B點電位不變，經(jīng)差動放大電路輸出電壓為負（正）。輸出電壓極性反映了帶材偏離的方向，輸出電壓的大小反映了帶材偏離標準位置的距離大小。第5章 光電傳感器圖5-12 邊緣位置檢測原理和電路圖第5章 光電傳感器5.2.3 光電斷續(xù)器 光電斷續(xù)器是用來檢測

19、物體靠近、通過等狀態(tài)的光電傳感器。它的檢測距離只有幾毫米至幾十毫米，廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)、生產(chǎn)線、辦公設(shè)備和家用電器中。光電斷續(xù)器目前已經(jīng)集成化和系統(tǒng)化，它的工作原理如圖5-13所示。圖5-13 光電斷續(xù)器工作原理圖1發(fā)光二極管；2光線（通常是紅外光）3光敏元件；4槽；5被測物第5章 光電傳感器 光電斷續(xù)器在發(fā)光側(cè)使用發(fā)光二極管，在受光側(cè)使用光電二極管，并將信號處理電路（放大、穩(wěn)壓、觸發(fā)器等）集成制作在一塊芯片上。它的特點是體積小，可靠性高，接口電路的復(fù)雜程度大幅度減少，可直接與TTL，LSTTL和CMOS電路芯片連接，工作電源電壓范圍寬（VCC=4.5V16V）。 光電斷續(xù)器有單輸出型GP

20、1A01和雙輸出型GP1A06，這兩種產(chǎn)品性能列于表5-1中。第5章 光電傳感器第5章 光電傳感器 GP1A01在磁帶錄像機、打印機、軟盤等器材中用做時標檢測控制，GP1A06可用于音響設(shè)備的磁帶計數(shù)、電子鐘檢測轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)動方向。圖5-14為GP1A06的原理圖，用于檢測轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)動方向，測量電路如圖5-15所示。圖5-14 GP1A06原理圖圖5-15 GP1A06測量電路第5章 光電傳感器 被測旋轉(zhuǎn)圓盤置于光電斷續(xù)器的發(fā)光與受光側(cè)之間，圓盤上有許多狹縫，圓盤旋轉(zhuǎn)，光源發(fā)出的光間隔地被狹縫遮擋，受光側(cè)得到斷續(xù)的強光和弱光信號。若沒有旋轉(zhuǎn)圓盤旋轉(zhuǎn)，光路檢測的光束沒有被遮擋，測量電路中，Uo1,Uo

21、2的輸出電壓波形是相同的，相位也是相同的。若圓盤旋轉(zhuǎn)，GP1Ao6的輸出電壓波形如圖5-16所示，圓盤轉(zhuǎn)動方向若向左，Uo2輸出電壓相位落后于Uo1；反之，圓盤向右旋轉(zhuǎn)，Uo2輸出電壓相位超前于Uo1。因此，兩個輸出電壓的相位關(guān)系決定旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的轉(zhuǎn)速可以通過Uo2輸出脈沖個數(shù)得到。圖5-16 GP1A06輸出電壓波形圖第5章 光電傳感器光電斷續(xù)器應(yīng)用實例如圖5-17所示。其中圖（a）用于防盜門的位置檢測；圖（b）是印刷設(shè)備中的印件送至檢測；圖（c）是線料連續(xù)檢測；圖（d）是標簽檢測；圖（e）是物體接近檢測。圖5-17 光電斷續(xù)器應(yīng)用實例第5章 光電傳感器5.2.4 光電耦合器 光電耦合器是

22、由一發(fā)光元件和一光電元件同時封裝在一個外殼內(nèi)組合成的轉(zhuǎn)換元件。1光電耦合器的結(jié)構(gòu) 光電耦合器有兩種結(jié)構(gòu)，如圖5-18所示。圖（a）是金屬密封型，它采用金屬外殼和玻璃絕緣，其中心裝片用環(huán)焊保證發(fā)光管和光敏管對準，以提高靈敏度；圖（b）是塑料封裝結(jié)構(gòu)，管芯先裝于管角上，中間用透明樹脂固定，具有聚光作用，這種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。圖5-18 光電耦合器的結(jié)構(gòu)第5章 光電傳感器 光電耦合器的發(fā)光元件常用砷化鎵發(fā)光二極管。當PN結(jié)加正向電壓，引起載流子的相遇、復(fù)合而釋放出能量，這種能量是以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來的。常用的光電耦合器有以下四種組合方式，如圖5-19所示。圖（a）的結(jié)構(gòu)簡單、成本低，常用于50kHz以下的工作裝置內(nèi)。圖（b）是高速光電耦合器，用于較高頻率裝置內(nèi)。圖（c）采用三極管構(gòu)成高傳輸效率的光