光電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì).ppt

1、1,第7章 光電信號(hào)檢測(cè)電路,7.1光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求,7.2光電信號(hào)輸入電路的靜態(tài)計(jì)算,7.3光電信號(hào)檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)計(jì)算,7.4光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲,7.5前置放大器,7.6光電檢測(cè)電路舉例,2,概述,光電檢測(cè)電路組成,對(duì)檢測(cè)電路的要求 靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力 快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力 最佳的信號(hào)檢測(cè)能力 長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性,檢測(cè)電路設(shè)計(jì)步驟 電路靜態(tài)計(jì)算 電路動(dòng)態(tài)計(jì)算 噪聲估算 放大電路設(shè)計(jì),光信號(hào),3,1.靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力,表示光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱的參數(shù)，通常采用光電靈敏度（或稱傳輸系數(shù)、轉(zhuǎn)換系數(shù)、比率等），即單位輸入光信號(hào)的變化量所引起的輸出電信號(hào)的變化量。,2.快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,指

2、對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有要求。特別是在光通信等領(lǐng)域，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的要求甚至是第一位的。光電檢測(cè)電路應(yīng)滿足信號(hào)通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘?hào)的快速響應(yīng)。,3.最佳的信號(hào)檢測(cè)能力,信號(hào)檢測(cè)能力主要是指光電檢測(cè)電路輸出信號(hào)中有用信號(hào)成分的多少，常用信噪比、信號(hào)功率等參數(shù)表征。,4.長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性,如各種光電轉(zhuǎn)換器件對(duì)溫度穩(wěn)定性均有要求。,4,7.1 緩變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì),類型 恒流源型光電檢測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算 光伏型光電檢測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算 可變電阻型光電檢測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算,緩變信號(hào) 直流電路檢測(cè) 設(shè)計(jì)重點(diǎn)：靜態(tài)計(jì)算（確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)） 計(jì)算方法：圖解法、分段線性化解析法,

3、5,恒流源型器件光電信號(hào)輸入電路,恒流源特性：輸出電流隨器件端電壓增大而變化不大。,相應(yīng)器件：光電管、光電倍增管、工作在反向偏置電壓狀態(tài)下的光電二極管、光電三極管。,恒流源型光電檢測(cè)器件的伏安特性,6,1、圖解計(jì)算法,包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法對(duì)恒流源器件的輸入電路進(jìn)行計(jì)算：,Q點(diǎn)為輸入電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；當(dāng)輸入光通量改變時(shí)，在負(fù)載電阻上會(huì)產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)輸出。,7,圖解法特別適用于大信號(hào)狀態(tài)下的電路分析。例如在大信號(hào)檢測(cè)情況下可以定性地看出輸出信號(hào)的波形畸變。在用作光電開(kāi)關(guān)的情況下，可以借助圖解法合理地選擇電路參數(shù)使之能可靠地動(dòng)作，同時(shí)保證不使器件超過(guò)其最大工作電流、最大工作電壓和最大

4、耗散功率。,8,（a），減小負(fù)載（斜率增大），使輸出信號(hào)電流增大而電壓減小。負(fù)載的減小受到最大工作電流和功耗的限制；過(guò)大的負(fù)載，使負(fù)載線越過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)M進(jìn)入非線性區(qū)，使信號(hào)失真。,（b），增大偏置電壓使輸出信號(hào)電壓幅度增大，改善線性度，但功耗隨之增大，且可能使光電二極管反向擊穿。,9,2、解析計(jì)算法,分段折線化伏安特性,轉(zhuǎn)折電壓U0-對(duì)應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值,初始電導(dǎo)G0-非線性區(qū)近似直線的初始斜率,結(jié)間漏電導(dǎo)G-線性區(qū)各平行直線的平均斜率,光電靈敏度S-單位輸入光功率所引起的光電流值,10,設(shè)輸入光功率為P，對(duì)應(yīng)的光電流為Ip，則,線性區(qū)內(nèi)伏安特性可表示為,工作點(diǎn)附近的微小光通量變化？P26

5、2（7-4）,11,在輸入光通量變化范圍有限已知的條件下，解析法的計(jì)算步驟如下：,（1）確定線性工作區(qū),由對(duì)應(yīng)最大輸入光通量max的伏安特性彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。再確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓U0和初始電導(dǎo)值G0。,12,13,（2）計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓,為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和max對(duì)應(yīng)的伏安曲線的交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。設(shè)負(fù)載線通過(guò)M點(diǎn)，則,Ub已知，得GL：,GL（RL） 已知，可得偏置電源電壓Ub：,14,H點(diǎn)：,M點(diǎn)：,15,計(jì)算過(guò)程：,光通量由min變化到max時(shí)，輸出電壓幅度為U=Umax-U0,（3）計(jì)算輸出電壓幅度,H點(diǎn),M點(diǎn),聯(lián)立求解兩式，得,（負(fù)載減小，輸出電壓幅值減?。?/p>

6、,16,（4）計(jì)算輸出電流幅度,通常GLG,（負(fù)載減小，輸出電流幅值增大）,17,（5）計(jì)算輸出電功率,由功率關(guān)系P=U I，得,18,光伏型器件光電信號(hào)輸入電路,伏安特性：一組以入射光功率為參量的曲線簇，分布在伏安坐標(biāo)系的第四象限。 器件的端電壓和電流的方向相反，對(duì)外電路形成電勢(shì)，可對(duì)負(fù)載供電。 包括光電池和工作在光電池狀態(tài)的光電二極管。,19,20,1、光伏型器件輸入電路的形式,主要有以下3種形式：,21,2、無(wú)偏置輸入電路的靜態(tài)計(jì)算,根據(jù)等效電路建立回路方程,22,根據(jù)圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q,23,3、根據(jù)負(fù)載電阻分析光電池工作狀態(tài)：,負(fù)載較小情況下，光通量較低時(shí)，光通量與負(fù)載上電流、電

7、壓近似線性。,24,（1）短路或線性電流放大,區(qū)域,后續(xù)電流放大級(jí)作為負(fù)載，從光電池中吸取最大的輸出電流，要求負(fù)載電阻或者后續(xù)放大電路的輸入阻抗盡可能小（輸出電流近似短路電流，大且線性好，噪聲電流低，信噪比高，實(shí)用弱信號(hào)檢測(cè)）。,25,26,（2）空載電壓輸出,區(qū)域，是一種非線性電壓變換狀態(tài)。此時(shí)光電池通過(guò)高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接，相當(dāng)于輸出開(kāi)路。,開(kāi)路電壓最大值受勢(shì)壘高度限制， 通常為0.450.6V。,較小的光通量可引起電壓輸出較大，對(duì)弱光檢測(cè)有利，盡管線性不好，可用作開(kāi)關(guān)元件,27,（3）線性電壓輸出,區(qū)域,在串聯(lián)的負(fù)載電阻上能得到與輸入光通量近似成正比的信號(hào)電壓。負(fù)載電阻增大

8、有助于提高輸出電壓，但增大到一定臨界值時(shí)，輸出信號(hào)將發(fā)生非線性畸變。,如何確定負(fù)載電阻的臨界值？,當(dāng) 時(shí)，有,28,由于I0I, 有 =,29,可變電阻型器件光電信號(hào)輸入電路,代表器件：光敏電阻、熱敏電阻。,1、簡(jiǎn)單輸入電路,30,兩種典型的工作狀態(tài)：,（1）恒流偏置,當(dāng)負(fù)載電阻比光敏電阻大很多時(shí)，即 ,負(fù)載電流與光敏電阻阻值無(wú)關(guān)，近似保持常數(shù)。此狀態(tài)又叫做恒流偏置狀態(tài)。,31,（2）恒壓偏置,負(fù)載電阻比光敏電阻小很多時(shí)，即 ,可以認(rèn)為加在光敏電阻上的電壓近似為電源電壓Ub，與R無(wú)關(guān)。此狀態(tài)又叫做恒壓偏置狀態(tài)。,32,2、電橋輸入電路,33,選擇兩個(gè)性能相同的熱敏電阻RT作電橋測(cè)量臂電阻，普通

9、電阻作為補(bǔ)償臂電阻。,無(wú)外來(lái)輻照時(shí)，調(diào)節(jié)使電橋平衡，有,電橋輸出信號(hào)為0。,34,有外來(lái)輻照時(shí)，引起電阻溫升，有,為熱敏電阻,為暗電阻,電橋平衡破壞，輸出電壓為,此式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。,35,7.2、光電信號(hào)檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)計(jì)算,很多場(chǎng)合下,光信號(hào)是隨時(shí)間變化的，例如瞬變信號(hào)或各種形式的調(diào)制光信號(hào) 交變光信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)中包含著豐富的頻率分量;當(dāng)信號(hào)微弱時(shí)，需要多級(jí)放大 與緩慢變化光信號(hào)檢測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算不同，在分析和設(shè)計(jì)交變光信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)，需要解決下述兩項(xiàng)動(dòng)態(tài)計(jì)算問(wèn)題 1）避免非線性失真:確定動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號(hào)作用下負(fù)載上能獲得不失真的、線性電信號(hào)輸出。 2）避免線性失真（頻率不失真，

10、包括幅頻和相頻）:使檢測(cè)電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，以能對(duì)復(fù)雜的瞬變光信號(hào)或周期性光信號(hào)進(jìn)行無(wú)頻率失真的變換和傳輸。,36,一、輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算,在交變光信號(hào)輸入電路中，為提供檢測(cè)器件的正常工作條件，首先要建立直流工作點(diǎn) 輸入電路和后續(xù)電路通常是經(jīng)阻容連接等多種方式耦合的 后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入電路的直流負(fù)載電阻并聯(lián)組成檢測(cè)器的交流負(fù)載,7.2、交變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì),37,光電二極管交流檢測(cè)電路,首先確定在交流光信號(hào)作用下電路的最佳工作狀態(tài)：確定直流工作點(diǎn)Q 設(shè)輸入光照度為eE0Emsint 等效交流負(fù)載為Rb和RL的并聯(lián),是交流負(fù)載線的斜率的倒數(shù) 交流負(fù)載線MN過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)M

11、MN與E=E0時(shí)的伏安特性曲線的交點(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)Q 過(guò)Q點(diǎn)作直流負(fù)載線可以圖解得到偏置電阻Rb和電源Ub的值 計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓、輸出電流和輸出功率值 計(jì)算最大功率輸出條件,一、輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算,最大功率輸出下的負(fù)載電阻,阻抗匹配下（最大功率輸出）的峰值電壓、功率、電流,38,靜態(tài)工作點(diǎn)Q的電流值 由直流負(fù)載線有 此外，阻抗匹配時(shí)，Q點(diǎn)電壓 比較可得：阻抗匹配即對(duì)應(yīng)最大輸出功率下的直流偏置電導(dǎo),39,光電二極管交流檢測(cè)電路,光電池交流檢測(cè)電路,40,光電池交流檢測(cè)電路,圖a是光電池交流檢測(cè)電路。圖b是處于線性區(qū)域的工作特性圖解。圖中直流負(fù)載是通過(guò)原點(diǎn)，斜率為Gb的直線 當(dāng)輸入光

12、照度為eE0Emsint時(shí)，光電池特性曲線中對(duì)應(yīng)于EE0的曲線與直流負(fù)載線相交于Q點(diǎn)，Q是靜態(tài)工作點(diǎn),一、輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算,對(duì)于GLGbGL0的最大功率輸出條件下輸出電壓、功率和電流有類似的形式 偏置電阻 Rb0RL02UM/SE(2E0+Em),M是交流負(fù)載線與最大輸入光照度eE0Em對(duì)應(yīng)的光電池曲線的交點(diǎn),41,二、光電檢測(cè)電路的頻率特性,頻率特性反映檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力 分析法：時(shí)域法、頻域法 與光電器件本身特性、檢測(cè)電路形式、阻容參數(shù)有關(guān) 頻譜分析以傅里葉變換為基礎(chǔ) 描述頻率特性的參數(shù)：通頻帶F， F越大，信號(hào)通過(guò)能力越強(qiáng),42,1光電檢測(cè)電路的高頻特性,以反向偏置光電二極

13、管交流檢測(cè)電路為例 微變等效電路圖,二、光電檢測(cè)電路的頻率特性,電路方程，與二極管參數(shù)Cj和g有關(guān),不同工作狀態(tài)下的簡(jiǎn)化形式 給定輸入光照度，在負(fù)載上取最大功率輸出時(shí)：RL=Rb,gGb 希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出時(shí) 希望在負(fù)載上取得最大電流輸出時(shí),43,2、光電檢測(cè)電路的綜合頻率特性,（1）高頻段,（2）中頻段,（3）低頻段,44,2光電檢測(cè)電路的綜合頻率特性,輸入電路頻率特性,二、光電檢測(cè)電路的頻率特性,1)高頻段(2),2)中頻段(12),3)低頻段(1),考慮隔直電容和分布電容的影響,45,3光電檢測(cè)電路頻率特性的設(shè)計(jì),電路設(shè)計(jì)的基本要求 非線性不失真 頻率不失真 電路通頻帶應(yīng)足以覆

14、蓋光信號(hào)的頻譜分布 設(shè)計(jì)內(nèi)容 對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析,確定頻譜分布 確定多級(jí)光電檢測(cè)電路的允許通頻帶和上限截止頻率 根據(jù)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的帶寬計(jì)算方法，確定單級(jí)檢測(cè)電路的阻容參數(shù),二、光電檢測(cè)電路的頻率特性,46,頻率特性設(shè)計(jì)實(shí)例,例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成光電檢測(cè)電路。被測(cè)光信號(hào)的波形如圖a所示，脈沖重復(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5s，脈沖幅度1V，設(shè)光電二極管的結(jié)電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF，設(shè)計(jì)該電路的阻容參數(shù),求解步驟 1.分析信號(hào)頻譜 信號(hào)頻譜間距(基波):f=1/T=200kHz 信號(hào)帶寬:F=1/T0=2MHz 選取高頻截止頻率:

15、fHC=1.5F=3MHz 低頻截止頻率: fLC=200Hz,2.設(shè)計(jì)各級(jí)聯(lián)電路的帶寬 電路組成:輸入電路+兩級(jí)放大電路 每級(jí)高頻及低頻截止頻率,47,求解步驟 3.計(jì)算輸入電路參數(shù) 負(fù)載電阻： RL1/2fHC(Cj+C0)3.3k ，選為2k 偏置電阻：取Rb(1020)RL，即Rb10RL20k 耦合電容C：C1/2(RL+Rb)fLC=0.07F,取為C1F 第一級(jí)耦合電容可適當(dāng)增大10倍，取電容值為10F,4.選擇放大電路 選用二級(jí)通用的寬帶運(yùn)算放大器，放大器輸入阻抗小于2k，放大器通頻帶要求為6MHz，取為10MHz 電路見(jiàn)圖(c),48,49,例題：用2DU1型光電二極管和兩級(jí)

16、相同的放大器組成光電檢測(cè)電路。被測(cè)光信號(hào)的波形如圖所示。脈沖重復(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5us，脈沖幅度1V，設(shè)光電二極管的結(jié)電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF ，設(shè)計(jì)該電路的阻容參數(shù)。,解：（1）分析輸入光信號(hào)頻譜，確定檢測(cè)電路的總頻帶寬度。,周期為T=1/f的方波脈沖信號(hào)，其頻譜是離散的，譜線的頻率間隔為,頻譜包絡(luò)線零值點(diǎn)的分布間隔為,50,選取頻譜包絡(luò)線的第二峰值作為信號(hào)的高頻截止頻率fHC。,此時(shí)可認(rèn)為是不失真?zhèn)鬏敗?頻譜的零頻分量確定信號(hào)的直流成分，不影響變化的波形。但為采用交流放大可利用阻容耦合電容隔直。可選取低頻截止頻率為200Hz，則檢測(cè)放大器的總頻帶

17、寬由fHC=3MHz, fLC=200Hz決定。帶寬近似為F3MHz。,51,（2）確定級(jí)聯(lián)各級(jí)電路的頻帶寬,根據(jù)設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)電路由輸入電路和兩級(jí)相同的放大器串聯(lián)而成。設(shè)3級(jí)帶寬相同，則相同的n級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的高頻截止頻率為fnHC,fH為單級(jí)高頻截止頻率。,52,類似地，單級(jí)低頻截止頻率,53,噪聲特點(diǎn)：隨機(jī)性(振幅和相位) 處理方法：統(tǒng)計(jì)分析 噪聲源 外部噪聲：外部條件變化引起的，可采取抗干擾措施改善或消除 內(nèi)部噪聲：光電檢測(cè)器件和檢測(cè)電路器件本身帶來(lái)的，無(wú)法消除 噪聲干擾的分析和微弱信號(hào)的提取:核心問(wèn)題 噪聲估算 提高信噪比,及確定最小輸入光功率,7.3 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算,54

18、,一、檢測(cè)電路的噪聲等效處理,熱噪聲 電子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)形成的瞬時(shí)無(wú)規(guī)則電流 電子運(yùn)動(dòng)均方速率與絕對(duì)溫度成正比,6.3 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算,純電阻時(shí),溫度一定時(shí),熱噪聲只與電阻和通帶有關(guān)(與頻率無(wú)關(guān))。帶寬愈大,噪聲功率愈大。同時(shí)，通頻帶對(duì)白噪聲有抑制作用。,散粒噪聲(檢測(cè)器件及晶體管) 光輻射中光子到達(dá)率和由它激勵(lì)形成的光電流的隨機(jī)起伏所造成的 散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過(guò)器件的平均電流決定,噪聲電流及負(fù)載電阻上的電壓的有效值為(與頻率無(wú)關(guān)),55,一、檢測(cè)電路的噪聲等效處理,6.3 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算,并聯(lián)阻容電路(電阻R和電容C并聯(lián)) 合成電阻：R(f) = R/

19、1+(2fRC)2 噪聲電壓有效值,變換積分變量使tg2fRC，有,噪聲等效帶寬fe：fe1/4RC,并聯(lián)RC電路對(duì)噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬fe,56,一、檢測(cè)電路的噪聲等效處理,噪聲組成：光電器件噪聲、電路器件噪聲 等效噪聲電路：為了計(jì)算方便，將各種器件噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式,6.3 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算,電阻等效電路 簡(jiǎn)單電阻：由熱噪聲電流源iSQRT（4kTf/R）和電阻并聯(lián) 合成電阻：綜合噪聲電流等于合成電阻提供的噪聲電流 iSQRT（4kTf/R），R=R1+R2(串聯(lián))，或R=R1R2/(R1+R2)(并聯(lián))

20、 更復(fù)雜電路，應(yīng)先將所有電阻合成，畫(huà)出簡(jiǎn)化電路，然后再確定噪聲等效電流源,57,噪聲估算目的 確定器件和電路的固有噪聲電平 計(jì)算信噪比 估算出為保證可靠檢測(cè)所必需的最小輸入光功率值 噪聲估算的具體步驟是 首先確定檢測(cè)器件和前級(jí)電路的噪聲源； 其次計(jì)算等效電阻和復(fù)合阻抗下的噪聲等效帶寬，畫(huà)出檢測(cè)電路的噪聲等效電路； 最后根據(jù)噪聲等效電路計(jì)算噪聲輸出電壓、信噪比和最小輸入光功率值。,二、典型光電檢測(cè)電路的噪聲估算,7.3 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算,58,光電倍增管檢測(cè)電路的噪聲估算,光電倍增管陽(yáng)極電流的散粒噪聲有效值,負(fù)載電阻R上的熱噪聲電流,負(fù)載電阻上總的噪聲輸出電流,閾值光通量時(shí)有IA00，

21、此時(shí)的總噪聲電流INm取決于暗電流Id,負(fù)載電阻R上的噪聲輸出電壓,負(fù)載電阻R上有并聯(lián)電容C時(shí)的 噪聲等效帶寬ffe1/4RC,陽(yáng)極輸出總信噪比SNRA是直流光電流IA與噪聲電流有效值IN之比值,靈敏閾smin是暗電流噪聲電流有效值INm與陽(yáng)極靈敏度之比值,比靈敏閾,59,60,作業(yè),題1有一2DU型光電二極管,其電流靈敏度 ,結(jié)間電導(dǎo)G=0.005mS,當(dāng)輸入光通量 ,曲線轉(zhuǎn)折電壓UM=10V時(shí),若該輸入電路與放大器相連,用電源電壓Ub=40V,試求: (1)取得最大輸出功率時(shí)的直流偏置電阻Rb和放大器輸入電阻RL? (2)計(jì)算能向放大器提供的電流、電壓和功率?,61,題2某光電檢測(cè)輸入電路

22、的負(fù)載電阻 ,電路通頻帶 試計(jì)算： （1）300K工作時(shí)負(fù)載電阻上的熱噪聲電壓 （2）若使噪聲電壓不超過(guò) ，此時(shí)的等效噪聲帶寬 應(yīng)為多少？ （3）求出需并聯(lián)多大的電容器？ （4）求出這一檢測(cè)電路的時(shí)間常數(shù)和上限截止頻率,62,4.5前置放大器,63,64,65,66,67,4.6光電檢測(cè)電路舉例,68,補(bǔ)充：光電開(kāi)關(guān),先舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子：,69,光幕傳感器,70,光電開(kāi)關(guān)的定義：以光源為介質(zhì)，應(yīng)用光電效應(yīng)，根據(jù)當(dāng)光源受物體遮蔽或發(fā)生反射、輻射和遮光導(dǎo)致受光量變化來(lái)檢測(cè)對(duì)象的有無(wú)、大小和明暗，而產(chǎn)生輸出信號(hào)的開(kāi)關(guān)元件。,光電開(kāi)關(guān)包括幾種類型，自身不具備光源，利用被測(cè)物體發(fā)射的光的變化量進(jìn)行檢測(cè)的；

23、利用自然光對(duì)光電開(kāi)關(guān)的照射，物體遮蔽自然光產(chǎn)生的關(guān)變化量；光電開(kāi)關(guān)自身具備光源，發(fā)射的光源對(duì)被檢測(cè)物體反射、吸收、和透射光的變化量進(jìn)行檢測(cè)。常用的光源為紫外光、可見(jiàn)光、紅外光等波段的光源，光源的類型有燈泡、LED、激光管等；輸出信號(hào)有開(kāi)關(guān)量或模擬量和通訊數(shù)據(jù)信息等。,71,光電開(kāi)關(guān)的叫法，主要是指輸出為開(kāi)關(guān)量的開(kāi)關(guān)元件。光電傳感器的叫法，涵蓋了輸出為開(kāi)關(guān)量、模擬量、通訊數(shù)據(jù)等情形。目前市面光電開(kāi)關(guān)的叫法有分光源、檢測(cè)形式、用途、結(jié)構(gòu)等命名的。如：利用紅外光源的叫紅外光電開(kāi)關(guān)、紅外線光電開(kāi)關(guān)、紅外線光電傳感器等。利用自然光的叫光控開(kāi)關(guān)、光電繼電器等。利用激光為光源的叫激光光電開(kāi)關(guān)、激光光電傳感器

24、等。利用檢測(cè)形式叫熱金屬檢測(cè)器，俗稱熱檢等。利用用途的叫光電距離傳感器、安全光幕傳感器等。利用結(jié)構(gòu)的叫光幕傳感器等。,72,一、光電開(kāi)關(guān)原理與分類1：按檢測(cè)形式的分類（1）對(duì)射式對(duì)射式是由一個(gè)發(fā)射器與一個(gè)接收器相對(duì)配置的，發(fā)射器發(fā)射出的光指向接收器，發(fā)射器與接收器之間組成一個(gè)閉合光路，通過(guò)對(duì)光路的光被遮斷或光衰減來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的一種檢測(cè)形式。這種檢測(cè)形式作用距離比較長(zhǎng)，但需要一個(gè)發(fā)射器并需要配電；在某些應(yīng)用場(chǎng)合比如空間狹小，不合適配電的運(yùn)用上比較麻煩。如圖1a：,73,74,發(fā)射器與接收器一體化，光傳輸為直流方式的非調(diào)制信號(hào)，主要小型縫隙光電開(kāi)關(guān)，如U型、C型的槽型光電開(kāi)關(guān)。如圖1b:,75,（2

25、）直接反射式這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器發(fā)射的光直接照射到被檢測(cè)物上，根據(jù)反射光的變化情況來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。可以說(shuō)是近似人的眼睛的一種檢測(cè)器。與對(duì)射式相比作用距離比較短，只需要單線配電即可，屬于通用檢測(cè)器。如圖2：,76,（3）鏡面反射式把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，光電開(kāi)關(guān)對(duì)置反角矩陣射鏡，發(fā)射器的光被反射鏡后反饋回接收器，光電開(kāi)關(guān)與角矩陣反射鏡（多棱鏡）形成閉合光路，通過(guò)對(duì)光路的光被遮斷或光衰減來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的一種檢測(cè)形式，這種檢測(cè)形式作用距離比對(duì)射式短，比直接反射式較長(zhǎng)。只需要單線配電即可，由于采用反射鏡光軸的調(diào)整比對(duì)射式容易；反射鏡由多棱鏡角矩陣板或微晶玻璃顆粒反射膜等。如圖3a：,

26、77,78,具有M.S.R功能的反射器式光電開(kāi)關(guān)，如果被檢測(cè)物是平面而且有光澤，則會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，欲解決此問(wèn)題，可采用M.S.R功能，它的主要工作原理是基于角矩陣反射器能使偏振光方向改變90，采用互相垂直的偏振光膜片放在雙鏡頭前，所以使用角矩陣反射器，光路閉合。如果是平面鏡或反光率比較的物體（如：玻璃瓶等）不能改變偏振方向，由它阻擋而產(chǎn)生的反射光不能進(jìn)入受光器，因此它可以很容易被檢測(cè)到，從而解決了由它表面反射而它引起的誤動(dòng)作問(wèn)題。如圖3b:,mirror shine remove,79,80,（4）輻射光檢測(cè)形式通過(guò)對(duì)被檢測(cè)物體輻射出的光進(jìn)行檢測(cè)的形式。如用于鋼鐵行業(yè)的對(duì)加熱的鐵輻射出的紅外線進(jìn)

27、行檢測(cè)的光電開(kāi)關(guān)。如圖4：,81,（5）限定反射式這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器與接收器形成一個(gè)角度，發(fā)射光軸與接收光軸交叉區(qū)域靈敏度最佳。如圖5：,82,（6）夾角式這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器與接收器形成一個(gè)角度，發(fā)射光聚焦點(diǎn)與接收光聚焦交叉區(qū)域檢測(cè)物體，用于精細(xì)檢測(cè)，如標(biāo)記檢測(cè)等。如圖6：,83,（7）同軸檢測(cè)式（單鏡頭）這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射光通過(guò)鍍膜的半透明鏡片45折射后通過(guò)鏡頭聚焦發(fā)射出去，接收光線通過(guò)聚焦鏡頭入射到接收器，主要用于標(biāo)志檢測(cè)。目前主流的顏色傳感器、標(biāo)志傳感器大多采用這樣方式。,84,（8）光導(dǎo)纖維式光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖，目前光

28、纖式光電開(kāi)關(guān)的光纖基本是兩種，一種塑料光纖，價(jià)位比較低，普通檢測(cè)使用；另一種玻璃光纖，價(jià)位比較高，一些檢測(cè)精度比較高的場(chǎng)合。：對(duì)射式，把光纖套入發(fā)射器，把光纖套入接收器，光纖檢測(cè)頭相對(duì)安置。,85,：直接反射式，發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，把光纖套入發(fā)射器與接收器（光纖放大器），光纖頭為兩根光纖并行，直接檢測(cè)物體。,86,：同軸反射，發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，把光纖套入發(fā)射器與接收器（光纖放大器）。光纖頭為兩根光纖并為一根的形式，發(fā)射光纖在中間，接受光纖圍著其圓周排列。可以直接反射與鏡面反射，取決于光纖放大器的光學(xué)結(jié)構(gòu)。,87,2：按檢測(cè)方法的分類（1）光量法目前大多數(shù)光電開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)物體有無(wú)的均為

29、光量方式，既光源受物體遮蔽或發(fā)生反射、輻射和遮光導(dǎo)致受光量變化來(lái)檢測(cè)對(duì)象的有無(wú)。（2）三角測(cè)距法光量方式容易受到物體表面的光潔度、粗糙度、顏色所影響，因此在一些要求比較高的場(chǎng)合就需要采用距離法檢測(cè)。（3）激光測(cè)量法由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光信號(hào)， 然后接受目標(biāo)反射回來(lái)的光信號(hào)，通過(guò)測(cè)量光信號(hào)往返經(jīng)過(guò)的時(shí)間， 計(jì)算出目標(biāo)的距離。,88,3：按光源種類的分類光源目前采用的大多是發(fā)光二極管（LED），根據(jù)不同使用目的的區(qū)別使用。（1）白熾燈式（可見(jiàn)光）用于需要白光的標(biāo)志檢測(cè)器，由于壽命與抗震性能，現(xiàn)在使用比較少。（2）發(fā)光二極管（LED）式（可見(jiàn)光、近紅外光）具有調(diào)制容易、壽命長(zhǎng)、小型、功耗小、抗

30、震等優(yōu)點(diǎn)是光電開(kāi)關(guān)理想的光源，可用于各種用途。（3）熒光式（可見(jiàn)光）主要用于需要長(zhǎng)度的光電系統(tǒng)（圖像傳感器等）,89,（4）紫外光式（不可見(jiàn)光）通過(guò)照射紫外線用于檢測(cè)發(fā)生可見(jiàn)光的物體（熒光整理疵點(diǎn)、食品中的異物等）。（5）氣體激光式（可見(jiàn)光）光束比較強(qiáng)，用于探傷系統(tǒng)、條形碼系統(tǒng)、及強(qiáng)光衰減大的場(chǎng)合，如蒸汽、煙霧、火焰等場(chǎng)合。（6）半導(dǎo)體激光式（紅光、近紅外光）具有較強(qiáng)的透射率和容易調(diào)制的特性，用于如蒸汽、煙霧、火焰等場(chǎng)合鋼鐵行業(yè)與安防。,90,4：按光源調(diào)制種類的分類（1）直流光式使發(fā)射器的光線為不變的直流光，包括白熾燈和用直流驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二極管。這種方式有線路簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但是抗光干

31、擾比較弱，目前僅在較短的距離檢測(cè)中使用。,91,（2）調(diào)制式、脈沖調(diào)制式使發(fā)射器發(fā)的出光線為具有一定頻率的脈沖波，一般稱為調(diào)制光，采用這種方式除了可以獲得峰值很高的光脈沖功率外，還可以對(duì)接收器輸出采用具有頻率選擇的交流放大器進(jìn)行放大，從而減少周圍光線和電氣噪聲的影響，這是目前國(guó)內(nèi)外使用最廣的一種方式。機(jī)械旋轉(zhuǎn)調(diào)制式對(duì)光源用棱鏡或轉(zhuǎn)盤孔旋轉(zhuǎn)后，提取脈沖信號(hào)，如用于區(qū)域檢測(cè)和熱金屬輻射的掃描檢測(cè)等。、掃描式將多個(gè)發(fā)射器與接收器組合，通過(guò)同步信號(hào)逐一掃描，防止相互干擾。如用于光幕傳感器。,92,5：按供電種類的分類（1）直流式采用直流電壓供電的形式，一般大多采用12-24V（10-30V）的直流電壓

32、的供電。（2）交流式采用交流電壓供電，電壓范圍為90-240V交流電，滿足110VAC與220VAC場(chǎng)合的供電。 （3）直流交流混合式直流電壓與交流電壓都可以直接接入同一個(gè)供電回路的形式，直流電壓范圍12-240V，交流電壓范圍24-240V，此形式適應(yīng)性比較靈活，不需要考慮配電的問(wèn)題。,93,6：按輸出種類的分類（1）三極管NPN輸出（2）三極管PNP輸出（3）三極管NPN與PNP混合輸出（4）固態(tài)隔離無(wú)觸點(diǎn)輸出（5）繼電器觸點(diǎn)輸出（6）可控硅輸出（7）模擬電壓（8）模擬電流（9）數(shù)據(jù)信號(hào),94,7：按結(jié)構(gòu)種類的分類(1)內(nèi)藏放大器式即把發(fā)光、感光元件和放大電路、信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路裝

33、配在一個(gè)殼體里，接通直流電源就可以獲取ON-OFF開(kāi)關(guān)輸出，不需要專用放大器，抗噪音能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，電纜線可延長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是主流的一種光電開(kāi)關(guān)。（2）放大器分離式這是種早期采用比較多的方式，發(fā)光、感光元件裝在探頭內(nèi)，用屏蔽線與專用放大器（光電開(kāi)關(guān)主體）連接。主要是探頭可以安裝在比較狹小的空間對(duì)比較小的物體進(jìn)行檢測(cè)，但是有抗噪聲能力的問(wèn)題。隨著技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)藏放大器式的光電開(kāi)關(guān)的體積越來(lái)越??；這種形式采用相對(duì)較少，尤其是光纖傳感器的發(fā)展。,95,（3）光纖式這種光電開(kāi)關(guān)是放大器分離式與內(nèi)藏放大器式結(jié)合的產(chǎn)品，通過(guò)光纖才傳輸光信號(hào)，光電開(kāi)關(guān)主體上套上光纖線，另一頭光纖探頭可以對(duì)被檢測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)，其

34、優(yōu)點(diǎn)光纖探頭比較小，可以檢測(cè)比較微小的物體，光纖線傳輸?shù)闹皇枪庑盘?hào)，所以不用考慮放大器分離式那樣需要考慮抗噪聲能力的問(wèn)題。（4）自控式這種光電開(kāi)關(guān)是具有一定功能性的。把發(fā)光、感光元件和放大電路、信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、電源、繼電器等都裝配在一起，接上交流或直流電源就可以工作。同時(shí)還具有其他一些功能如動(dòng)作信號(hào)的延時(shí)、光電開(kāi)關(guān)的信號(hào)靈敏度調(diào)節(jié)等。,96,二、光電開(kāi)關(guān)特點(diǎn)：1、檢測(cè)距離長(zhǎng)：與電感式接近開(kāi)關(guān)相比，可以獲得很長(zhǎng)的檢測(cè)距離，例如：對(duì)射型開(kāi)關(guān)檢測(cè)距離可達(dá)數(shù)十米，反射已從幾厘米到幾米，由于是非接觸檢測(cè)，所以不損傷被測(cè)物，也不受其影響。2、檢測(cè)對(duì)象廣泛：因?yàn)槭歉鶕?jù)檢測(cè)對(duì)象的反射和透光檢測(cè)，所

35、以不管是金屬、即使是玻璃、橡膠、木材、液體、氣體等幾乎都可以檢測(cè)。3、響應(yīng)速度快：檢測(cè)介質(zhì)本身是高速的，因?yàn)閹缀醪话瑱C(jī)械動(dòng)作，因而可以獲得非常高的檢測(cè)速度。4、分辨能力高：因?yàn)楣馐侵本€傳播，且波長(zhǎng)短，因而分辨率高，適用于微小物體和高精度位置檢測(cè)。,97,5、容易取得規(guī)則的檢測(cè)區(qū)：采用了透鏡等光學(xué)系統(tǒng)，可以比較容易的聚光、擴(kuò)散和折射，對(duì)應(yīng)不同的檢測(cè)對(duì)象和不同的使用環(huán)境，可以適當(dāng)?shù)倪x取具有某種檢測(cè)區(qū)域的產(chǎn)品。6、不受磁場(chǎng)和振動(dòng)的影響：檢測(cè)開(kāi)關(guān)一般較多地安裝在具有較強(qiáng)磁場(chǎng)和振動(dòng)的場(chǎng)所，從本質(zhì)上說(shuō)，光電開(kāi)關(guān)受其影響很少，因而能夠可靠的動(dòng)作。7、利用光的特性檢測(cè)：可以做色標(biāo)、形狀特征的選擇檢測(cè)。8、壽

36、命長(zhǎng)：由于是非接觸檢測(cè)，所以壽命長(zhǎng)，特別是用發(fā)光二極管做為光源，控制輸出采用無(wú)接點(diǎn)方式，壽命就更長(zhǎng)。,98,光電開(kāi)關(guān)有下述一些缺點(diǎn)：1、透鏡容易受到粉塵和油污的污染，透鏡一旦弄臟，不僅使光束散亂，又擋住了一部分光，因而在惡劣環(huán)境下，必須采取切實(shí)可行的保護(hù)措施。2、周圍光線強(qiáng)弱對(duì)開(kāi)關(guān)的影響，對(duì)于通常的照明光，目前光電開(kāi)關(guān)幾乎不受影響，但是如果背景光太強(qiáng)以致超過(guò)數(shù)萬(wàn)勒克斯，就會(huì)引起開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作而造成損失。3、成本比其它檢測(cè)開(kāi)關(guān)要高一些。,99,三、光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用方法1：輸入電源電壓的波動(dòng)對(duì)直流輸入方式，也要注意其波動(dòng)值，通?？梢栽试S10%。2：配線正確地進(jìn)行配線自然不用說(shuō)，在有規(guī)定的情況下，使用電纜應(yīng)

37、在規(guī)定的長(zhǎng)度以內(nèi)，在配線上大多出防噪聲方面考慮，但為安全起見(jiàn)，還應(yīng)當(dāng)注意與動(dòng)力線隔離，高壓線、動(dòng)力線和光電傳感器的配線不應(yīng)放在同一配線管或用線槽內(nèi)，否則會(huì)由于感應(yīng)而造成（有時(shí)）光電開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作或損壞，所以原則上要分別單獨(dú)配線。3：響應(yīng)時(shí)間根據(jù)被測(cè)物體的大小與移動(dòng)速度來(lái)選擇在響應(yīng)速度上有余力的光電開(kāi)關(guān)，另外，關(guān)于對(duì)射式，由于光束的粗細(xì)對(duì)檢測(cè)有影響，因此要預(yù)先計(jì)算好對(duì)整個(gè)光束遮光的時(shí)間。,100,4：靈敏度關(guān)于設(shè)定距離，在環(huán)境惡劣的情況下，使用對(duì)射式時(shí)，必須留出4倍以上的余地，使用反射式時(shí)也必須留出1.5-2倍以上的余地。5：保護(hù)措施通常，對(duì)于直流供電的光電開(kāi)關(guān)里都設(shè)有逆極性，交流無(wú)須要極性保護(hù)。

38、直流供電的光電開(kāi)關(guān)晶體管輸出的均有過(guò)流、短路保護(hù)。無(wú)接點(diǎn)輸出極的保護(hù)，通常采用續(xù)流保護(hù)晶體管的集電極。如果有大功率的感性負(fù)載最好還是外部設(shè)置電涌吸收電路給予保護(hù)。6：抗振與沖擊若振動(dòng)為0-2000次/分，復(fù)振寬度為2mm左右時(shí)，對(duì)一般光電開(kāi)關(guān)沒(méi)什么影響，但是對(duì)采用白熾燈做光源需要采用不受振動(dòng)的裝備結(jié)構(gòu)。,101,7：干擾光由于光電開(kāi)關(guān)的光源與調(diào)制的問(wèn)題，因此抗干擾光的能力也是不同的；通常紅外光電開(kāi)關(guān)抗環(huán)境光白熾燈光3,000Lux,太陽(yáng)光10,000Lux。若強(qiáng)烈太陽(yáng)光直接照射的，由于太陽(yáng)光含有紅外波段的光線，如果采用光學(xué)濾色鏡提高抗光干擾能力是不夠的。teopto光電產(chǎn)品中有具備100,000Lux專門用于強(qiáng)烈環(huán)境光的產(chǎn)品。那直流光式，需要盡量避開(kāi)環(huán)境光的直接照射，由于環(huán)境光的干擾，還需要對(duì)靈敏度細(xì)調(diào)后滿足實(shí)際使用的需要。在不能改變光電開(kāi)關(guān)（接收器）光軸與強(qiáng)光源的角度時(shí)