第8章 光電式傳感器

第8章光電式傳感器

第8章光電式傳感器2主要內(nèi)容光電效應(yīng)光電元器件光電式傳感器的實(shí)用電路3光電式傳感器是以光電元件作為轉(zhuǎn)化元件，將被測(cè)非電量通過(guò)光量的變化再轉(zhuǎn)化成電量的傳感器。光電式傳感器一般由光源、光學(xué)元件和光電元件3部分組成。光電元件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，而且有較高的可靠性，因此在自動(dòng)檢測(cè)，計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。光電式傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。第8章光電式傳感器48.1光電效應(yīng)光電式傳感器的工作原理是基于不同形式的光電效應(yīng)。根據(jù)光的波粒二象性，光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這種粒子稱為光子。具有的能量hν正比于光的頻率ν（h普朗克常數(shù)）。每個(gè)光子具有的能量為E=hν

光電效應(yīng)及分類5特點(diǎn)對(duì)不同頻率的光，其光子能量是不相同的，頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hν的光子所轟擊，組成該物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。6光電效應(yīng)的類型

1.外光電效應(yīng)：在光線作用下電子從物體表面逸出。2.內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下物體的電阻率改變。3.光生伏特效應(yīng)：在光線作用下物體具有發(fā)電能力。7光學(xué)單位流明（lm）和勒克斯（lx）兩個(gè)光學(xué)單位。所謂流明是光通量的單位，所有的燈都以流明表征輸出光通量的大小。勒克斯是照度的單位，它表征受照物體被照程度的物理量。88.2光電器件利用外光電效應(yīng)制成的光電元件。

8.2.1．光電管光電管的結(jié)構(gòu)光電管結(jié)構(gòu)圖光輸入

陽(yáng)極陰極電子逸出

電輸出光----以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流。單個(gè)光子能量：普郎克常數(shù)光波頻率光電管中的自由電子逸出條件：電子質(zhì)量逸出初速度逸出功光波頻率即光波頻率光波波長(zhǎng)或光速光電管測(cè)量電路：

可見(jiàn)，要使光電管中的自由電子逸出，頻率不能太低，波長(zhǎng)也不能太長(zhǎng)。為入射光波長(zhǎng)上限，也被稱為“紅限”。光電管陰極陽(yáng)極

電壓輸出光輸入8.2.2光電倍增管

光電倍增管具有放大光電子電流的能力。光電倍增管具10---15級(jí)倍增電極，電位依次升高，使得陰極因接受光能而發(fā)射的電子逐級(jí)加速，且受光電子的數(shù)量逐級(jí)增多，形成較大的光電流。可用于微光測(cè)量。設(shè)單級(jí)的信號(hào)倍增率為，則多級(jí)的倍增率為。

光輸入

陽(yáng)極陰極-++++---+-++

-+--12光電倍增管的特點(diǎn)光電倍增管是把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成電子，并使電子獲得倍增的電真空器件。它有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測(cè)量。光電倍增管由兩個(gè)主要部分構(gòu)成：陰極室和若干光電倍增極組成的二次發(fā)射倍增系統(tǒng)光電倍增管測(cè)量電路：直流電源光線輸出電壓陰極陽(yáng)極14原理當(dāng)微光照射陰極K時(shí)，從陰極K上逸出的光電子在D1-的電場(chǎng)作用下，以高速向倍增極D1射去，產(chǎn)生二次發(fā)射，于是更多的二次發(fā)射的電子又在D2電場(chǎng)作用下，射向第二倍增極，激發(fā)更多的二次發(fā)射電子，如此下去，一個(gè)光電子將激發(fā)更多的二次發(fā)射電子，最后被陽(yáng)極所收集。若每級(jí)的二次發(fā)射倍增率為m，共有n級(jí)（通?？蛇_(dá)9～11級(jí)），則光電倍增管陽(yáng)極得到的光電流比普通光電管大mn倍，因此光電倍增管的靈敏度極高。158.2.3光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電元件。它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)161.光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。17光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。182.光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)。①暗電阻和暗電流。②亮電阻和亮電流。③伏安特性。光敏電阻的伏安特性19（2）光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)（續(xù)）④光電特性。⑤光譜特性。某光敏電阻的光電特性光敏電阻的光譜特性⑥響應(yīng)時(shí)間。⑦溫度特性。8.2.4光電池（一）工作原理

光生伏特效應(yīng)。（二）基本特性1.光譜特性：

一定照度下,光波波長(zhǎng)與光電池靈敏度的關(guān)系。

（紫外---紫----紅----紅外）硅光電池硒光電池光線照射發(fā)電電路符號(hào)受光范圍寬受光范圍窄2.光電特性:

光照度與輸出電動(dòng)勢(shì)、輸出電流之間的關(guān)系。

3.溫度特性

指開(kāi)路電壓、短路電流與溫度變化的關(guān)系。

4.頻率特性:

指輸入的調(diào)制光頻率與輸出電流的關(guān)系。硅光電池的頻率特性較好，頻率上限約幾萬(wàn)Hz。

開(kāi)路電壓短路電流輸出電動(dòng)勢(shì)短路輸出電流226.1.5光敏晶體管光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，目前廣泛應(yīng)用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)、光電讀出裝置等場(chǎng)合。光敏晶閘管主要應(yīng)用于光控開(kāi)關(guān)電路231.光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理①光敏二極管。通常處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)沒(méi)有光照射時(shí)，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。1—負(fù)極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡5—正極引腳6—N型襯底7—SiO2保護(hù)圈

8—SiO2透明保護(hù)層9—鋁引出電極10—P型擴(kuò)散層11—PN結(jié)12—金屬引出線24光敏二極管外形

光敏二極管陣列

包含1024個(gè)InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。25②光敏三極管集電極電流是原始光電電流的β倍。因此，光敏三極管比光敏二極管的靈敏度高許多倍。光敏三極管26②光敏三極管外形

27③光敏晶閘管光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管光敏晶閘管的特點(diǎn)是工作電壓很高，有的可達(dá)數(shù)百伏，導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，因此輸出功率很大，在自動(dòng)檢測(cè)控制和日常生活中應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。282.光敏晶體管的基本特性。①光譜特性。

光敏晶體管的光譜特性

1—硅光敏晶體管2—鍺光敏晶體管29②伏安特性30③光電特性

光敏晶體管的光電特性

1—光敏二極管的光電特性2—光電三極管的光電特性31④溫度特性⑤頻率特性⑥響應(yīng)時(shí)間

8.3光電式傳感器的應(yīng)用2.光電傳感器的類型1.光電傳感器組成：被測(cè)量使得光通亮連續(xù)變化，輸出光電流也連續(xù)變化。

（一）模擬式光電傳感器被測(cè)量33光電式傳感器的幾種形式1—被測(cè)物2—光電元件3—恒光源（二）脈沖式光電傳感器

光信號(hào)斷續(xù)變化，光電元件輸出的也斷續(xù)變化。只有兩種狀態(tài)。常用于計(jì)數(shù)或測(cè)速。二、光電傳感器的常用光源（一）發(fā)光二極管：電能光能。（二）鎢絲燈泡：發(fā)射紅外光。（三）激光三、光電轉(zhuǎn)換電路1.光敏電阻測(cè)量電路2.光敏晶體管測(cè)量電路3.光電池測(cè)量電路4.使用運(yùn)算放大器的光敏元件測(cè)量電路。光敏電阻測(cè)量電路光敏晶體管測(cè)量電路光線增強(qiáng)電阻減小基極電壓輸出電壓感光感溫不感光感溫輸出與光通亮成比例光線增強(qiáng)電壓變小8.3.2光電式轉(zhuǎn)速儀

1）反射式光電轉(zhuǎn)速儀電信號(hào)光信號(hào)凸透鏡半透膜片聚焦透鏡凸透鏡光源測(cè)量電路計(jì)數(shù)器不反光位置電橋平衡U0=0反光位置輸出電脈沖。2）直射式光電轉(zhuǎn)速儀測(cè)量電路計(jì)數(shù)器光信號(hào)電信號(hào)凸透鏡指示透鏡光源旋轉(zhuǎn)盤(pán)不透光位置電橋平衡U0=0透光位置輸出電脈沖。388.3.3.光電比色計(jì)化學(xué)分析儀器使用公共光源，不管光線強(qiáng)弱如何，光源光通量不穩(wěn)定帶來(lái)的變化可以被抵消，故其測(cè)量精度高。但兩光電池的性能不可能完全一樣，由此會(huì)帶來(lái)一定誤差。

光電比色計(jì)

用于溶液的顏色、成分、渾濁度等化學(xué)分析。

標(biāo)準(zhǔn)樣品

受檢樣品光源凸透鏡凸透鏡濾色濾色光電池光電池差值差動(dòng)放大器顯示儀表光電比色儀原理圖408.3.4光電式帶材跑偏檢測(cè)裝置帶材跑偏檢測(cè)裝置是用來(lái)檢測(cè)帶型材料在加工過(guò)程中偏離正確位置的大小與方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào)。41光電式邊沿位置檢測(cè)裝置1—被測(cè)帶材2—光源3、4—光透鏡5—光敏電阻6—遮光罩

光電檢測(cè)的