光電傳感器應(yīng)用論文

1、現(xiàn)代傳感技術(shù)的應(yīng)用課程結(jié)業(yè)論文題 目：光電傳感器的應(yīng)用姓 名： 馬瑞 學(xué) 號(hào)： 200920410002 學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 班 級(jí)： 材物09 日 期： 2012.5.12 光電傳感器概況:在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息時(shí)代，人們?cè)谌粘Ｉ?，生產(chǎn)過程中，主要依靠檢測(cè)技術(shù)對(duì)信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測(cè)技術(shù)列入優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。 由于微電子技術(shù)，光電半導(dǎo)體技術(shù)，光導(dǎo)纖維技術(shù)以及光柵技術(shù)的發(fā)展，使得光電傳感器的應(yīng)用與日俱增。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測(cè)參數(shù)多、反應(yīng)快以及結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣等

2、優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，它一種是以光電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，由光電材料構(gòu)成的器件?，F(xiàn)代電測(cè)技術(shù)日趨成熟，由于具有精度高、便于微機(jī)相連實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電氣量和非電氣量的測(cè)量中。然而電測(cè)法容易受到干擾，在交流測(cè)量時(shí)，頻率響應(yīng)不夠?qū)捈皩?duì)耐壓、絕緣方面有一定要求，在激光技術(shù)迅速發(fā)展的今天，已經(jīng)能夠解決上述的問題。 磁光效應(yīng)傳感器就是利用激光技術(shù)發(fā)展而成的高性能傳感器。激光，是本世紀(jì)60年代初迅速發(fā)展起來的又一新技術(shù)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著人們掌握和利用光波進(jìn)入了一個(gè)新的階段。由于以往普通光源單色度低，故很多重要的應(yīng)用受到限制，而激光的出現(xiàn)，使無線電技術(shù)和光學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)、相互滲透

3、、相互補(bǔ)充?，F(xiàn)在，利用激光已經(jīng)制成了許多傳感器，解決了許多以前不能解決的技術(shù)難題，使它適用于煤礦、石油、天然氣貯存等危險(xiǎn)、易燃的場(chǎng)所。 比如說用激光制成的光導(dǎo)纖維傳感器，能測(cè)量原油噴射、石油大罐龜裂的情況參數(shù)。在實(shí)測(cè)地點(diǎn)，不必電源供電，這對(duì)于安全防爆措施要求很嚴(yán)格的石油化工設(shè)備群尤為適用，也可用來在大型鋼鐵廠的某些環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)光學(xué)方法的遙測(cè)化學(xué)技術(shù)。 磁光效應(yīng)傳感器的原理主要是利用光的偏振狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)傳感器的功能。當(dāng)一束偏振光通過介質(zhì)時(shí)，若在光束傳播方向存在著一個(gè)外磁場(chǎng)，那么光通過偏振面將旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這就是磁光效應(yīng)。也就是可以通過旋轉(zhuǎn)的角度來測(cè)量外加的磁場(chǎng)。在特定的試驗(yàn)裝置下，偏轉(zhuǎn)的角度和輸出的光

4、強(qiáng)成正比，通過輸出光照射激光二極管LD，就可以獲得數(shù)字化的光強(qiáng)，用來測(cè)量特定的物理量。正文一、 工作原理光電效應(yīng) 光電效應(yīng)一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會(huì)克服束縛脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運(yùn)動(dòng)著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會(huì)增加，增加的能量一部分用于克

5、服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律：式中，m為電子質(zhì)量,v為電子逸出的初速度,A微電子所做的功。 由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)每一種陰極材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長為 式中，c為光速，A為逸出功。 光電元件及特性 根據(jù)外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。 1.光電管 光電管的種類繁多，典型的產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管，光它的外形和結(jié)構(gòu)如圖1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰

6、極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為光電管正常工作時(shí)，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時(shí)若光強(qiáng)增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖2所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強(qiáng)

7、成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)光線照射到光電陰極K上時(shí)，電子從陰極表面逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產(chǎn)生電流I，在負(fù)載電阻 上的電壓光電管的光電特性如圖3 所示，從圖中可知，在光通量不太大時(shí)，光電特性基本是一條直線。圖3光電管的光電特性圖2光電管測(cè)量電路圖1光電光結(jié)構(gòu)示意圖 2.光電倍曾管 由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。圖4光電倍增結(jié)構(gòu)示意圖從圖中可以看到光電倍增管也有一個(gè)陰極K和一個(gè)陽極A，與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設(shè)置了若干個(gè)二次發(fā)射電極，D1、D2、D3它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、，倍增電極通

8、常為1015級(jí)。光電倍增管工作時(shí)，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級(jí)升高，陽極電位最高。當(dāng)入射光照射陰極K時(shí)，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1 ，引起二次電子發(fā)射，一個(gè)入射的光電子可以產(chǎn)生多個(gè)二次電子， D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場(chǎng)加速，射向D2并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這樣逐級(jí)產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這些電子最后到達(dá)陽極，形成較大的陽極電流。若倍增電極有n級(jí)，各級(jí)的倍增率為 ，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是N ，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線

9、性關(guān)系。光電倍增管的這個(gè)特點(diǎn)，使它多用于微光測(cè)量。 3、光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下：1）暗電阻 光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過電阻的電流稱為暗電流。2)亮電阻 光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測(cè)得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時(shí)流過電阻的電流稱為亮電流。4、伏安特性 光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時(shí)應(yīng)限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。圖5光敏電阻的伏安

10、特性5、光電特性 光敏電阻兩極間電壓固定不變時(shí)，光照度與亮電流間的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點(diǎn)之一。光電傳感器光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如圖6，它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).光電傳感器一般由光源,光學(xué)通路和光電元件三部分組成.光電檢測(cè)方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測(cè)參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛. 圖7 光電傳感器是一種依靠被測(cè)物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來達(dá)到測(cè)量目的的，因此光電傳感

11、器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個(gè)恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性，常用光源有以下幾種： 1、發(fā)光二極管 是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。 2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對(duì)紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。 光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可以配以放大電路，

12、如圖9所示。由于光敏電池即使在強(qiáng)光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級(jí)晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9（a）所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時(shí)承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個(gè)電阻?；蛘呦髨D9（b）所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時(shí)產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10（c）所示。 半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光敏二極管通過集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度，如圖11（a）所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為時(shí)，輸出電壓為了保證光敏二極管處于

13、反向偏置，在它的正極要加一個(gè)負(fù)電壓。圖11（b）給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運(yùn)放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點(diǎn)，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)測(cè)控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測(cè)量(檢測(cè)目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測(cè)物體放在光路中

14、,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測(cè)物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上，如測(cè)液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計(jì)等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上,再從被測(cè)物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計(jì)和光照度計(jì)等;所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測(cè)物體在光路位置有關(guān)，如振動(dòng)測(cè)量、工件尺寸測(cè)量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號(hào)，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量等場(chǎng)合。 四、光電傳感器的應(yīng)用1.

15、 火焰探測(cè)報(bào)警器圖 8 - 23 是采用硫化鉛光敏電阻為探測(cè)元件的火焰探測(cè)器電路圖。 硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1 M， 亮電阻為 0.2 M(光照度 0.01 W/m2下測(cè)試的)，峰值響應(yīng)波長為2.2m。 硫化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為 6 V，電流約為 6。V2管集電極電阻兩端并聯(lián) 68 F的電容， 可以抑制 100 Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。V2、V3構(gòu)成二級(jí)負(fù)反饋互補(bǔ)放大器， 火焰的閃動(dòng)信號(hào)經(jīng)二級(jí)放大后送給中心控制站進(jìn)行報(bào)警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時(shí)間使用后，器件阻值的變化不致于影響輸出信號(hào)的幅度， 保證火焰報(bào)警器

16、能長期穩(wěn)定地工作。2. 光電式緯線探測(cè)器光電式緯線探測(cè)器是應(yīng)用于噴氣織機(jī)上， 判斷緯線是否斷線的一種探測(cè)器。圖 8 -24 為光電式緯線探測(cè)器原理電路圖。當(dāng)緯線在噴氣作用下前進(jìn)時(shí)，紅外發(fā)射管VD發(fā)出的紅外光，經(jīng)緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號(hào)時(shí)，說明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號(hào)，通過后續(xù)電路放大、脈沖整形等，控制機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)還是關(guān)機(jī)報(bào)警。由于緯線線徑很細(xì)，又是擺動(dòng)著前進(jìn)，形成光的漫反射， 削弱了反射光的強(qiáng)度，而且還伴有背景雜散光，因此要求探緯器具備高的靈敏度和分辨力。為此，紅外發(fā)光管VD采用占空比很小的強(qiáng)電流脈沖供電，這樣既保證發(fā)光管使用壽命， 又能在瞬間有強(qiáng)光射出，以提高檢測(cè)靈敏度。一般來說，光電池輸出信號(hào)比較小，需經(jīng)放大、脈沖整形以提高分辨力。3. 燃?xì)鉄崴髦忻}沖點(diǎn)火控制器由于煤氣是易燃、易爆氣體，所以對(duì)燃?xì)馄骶咧械狞c(diǎn)火控制器的要求是安全、穩(wěn)定、可靠。為此電路中有這樣一個(gè)功能， 即打火確認(rèn)針產(chǎn)生火花，才可打開燃