第8章光電傳感器

第八章光電傳感器光是什么？光既是一種波，同時又是由一個個光子所構(gòu)成。也就是具有波粒二象性。

眾所周知，光的量子學(xué)說最初是由A．Einstein于1905年在研究光電效應(yīng)現(xiàn)象時提出來的。在愛因斯坦之前M·普朗克提出了能量子假設(shè)光----以光速運動的粒子流。單個光子能量：普郎克常數(shù)光波頻率第八章光電傳感器

測量原理：利用光電效應(yīng)實現(xiàn)測量。愛因斯坦是光電檢測的先驅(qū)采用光電元件作為檢測元件的傳感器被稱為光電傳感器。光電傳感器由光源、光學(xué)通路和光電元件組成。主要特點：精度高、反應(yīng)快、非直接接觸、結(jié)構(gòu)簡單、形式多樣、應(yīng)用廣泛。第一節(jié)光電效應(yīng)與光電器件1.外光電效應(yīng)：在光線作用下電子從物體表面逸出。愛因斯坦則是因為研究外光電效應(yīng)現(xiàn)象并從理論上對其做出了正確的量子解釋而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

光電效應(yīng)的定義及光電效應(yīng)的分類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。

一、光電管、光電倍增管紫外線光電管

一、光電管、光電倍增管

利用外光電效應(yīng)制成的光電器件。（一）光電管光輸入

陽極陰極電子逸出

電輸出光----以光速運動的粒子流。單個光子能量：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或光速光電管測量電路：

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

電壓輸出光輸入（二）光電倍增管

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

光輸入

陽極陰極-++++---+-++-+--光電倍增管測量電路：直流電源光線輸出電壓陰極陽極二、光敏電阻光敏電阻二、光敏電阻

（一）工作原理：由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，利用內(nèi)光電效應(yīng)而工作。光敏電阻當(dāng)光線照射時，因材料中的電子—空穴對增加，其電阻值會變小，當(dāng)光照消失時，電阻會恢復(fù)原值。這種現(xiàn)象被稱為光導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻沒有極性，純粹是電阻器件，即可以加直流電壓，也可以加交流電壓工作。

光照電路符號（二）特性參數(shù)1.暗電阻與亮電阻暗電阻-----在室溫且全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的暗阻大于等于0.1兆歐。亮電阻-----在室溫且一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的亮阻小于等于1000歐。

光敏電阻接在電路上，亮電流（大）與暗電流（?。┲畋环Q為光電流。光敏電阻的亮電阻越小，暗電阻越大，靈敏度越高。光照度小光照度大2.伏安特性曲線正常工作電壓受耗散功率的限制。3.光電特性曲線----光照度與光電流之間的關(guān)系。光電特性曲線光照度光電流光電特性為非線性，不宜做檢測元件，一般做光電開關(guān)。1勒克斯＝1流明每平方米常見發(fā)光的大致效率（流明/瓦）白熾燈15日光燈50

太陽燈94鈉燈120

節(jié)能燈60-80

白色LED80-200

LED80-130光照度，單位：lx光通量，單位：lm光譜特性靈敏度光波波長硫化鎘硫化鉈硫化鉛（紫外---紫----紅----紅外）4.光譜特性曲線----入射光頻率與靈敏度之間的關(guān)系。選光敏電阻時應(yīng)當(dāng)把元件和光源結(jié)合起來考慮5.頻率特性曲線----光頻率與靈敏度之間的關(guān)系。光敏電阻具有時延性，不能用在要求快速響應(yīng)的場合。6.溫度特性曲線----溫度對光譜特性的影響。三、光敏晶體管光敏二極管紅外發(fā)射、接收對管

紅外發(fā)射管紅外接收管光敏三極管

三、光敏晶體管——基于內(nèi)光電效應(yīng)（一）工作原理1.光敏二極管：正常情況下，PN結(jié)反向是不導(dǎo)通的。當(dāng)被光線照射時，PN結(jié)反向?qū)?，可以感測光信號。NP電路符號結(jié)構(gòu)示意基本電路2.光敏三極管：正常情況下，給PNP型三極管的集電極和發(fā)射極之間加正向電壓，一個PN結(jié)（集電結(jié)）不導(dǎo)通，另一個PN結(jié)（發(fā)射結(jié)）導(dǎo)通。但當(dāng)集電結(jié)被光線照射時，集電結(jié)會反向?qū)?，造成三極管中出現(xiàn)放大電流，集電極和發(fā)射極之間導(dǎo)通。也可以感測光信號。無光照無輸出有光照有輸出+-（二）基本特性1.光譜特性：一定照度下,光波波長與光敏管靈敏度的關(guān)系。

2.伏安特性:不同照度下,輸出電壓—電流關(guān)系。

硅管鍺管光譜特性（紫外---紫----紅----紅外）伏安特性光照度小光照度大3.光電特性：光照度--輸出電流關(guān)系。一般光照加強電流增大。光敏二極管的線性度較好，光敏三極管會飽和。

4.溫度特性:一定照度下溫度--電流關(guān)系。對亮電流、暗電流、輸出電流影響程度不同。溫度對亮電流小，對暗電流影響顯著。

5.頻率特性:輸入的調(diào)制光頻率與輸出靈敏度的關(guān)系。溫度特性輸出電流暗電流頻率特性輸出靈敏度四、光電池光敏面四、光電池（一）工作原理

光生伏特效應(yīng)。結(jié)構(gòu)特點：大面積的PN結(jié)。光線照射發(fā)電電路符號（二）基本特性

1.光譜特性：即在一定照度下,光波波長與光電池靈敏度的關(guān)系曲線。光譜峰值的位置與光電池材料、制造工藝和使用溫度有關(guān)。

（紫外---紫----紅----紅外）硅光電池硒光電池受光范圍寬受光范圍窄2.光電特性:

光照度與光生電動勢的關(guān)系是非線性的，光照度與光電流之間的關(guān)系是線性的。

開路電壓短路電流開路電壓短路電流3.溫度特性指開路電壓、短路電流與溫度變化的關(guān)系。溫度升高，開路電壓降低，短路電流增大。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Hz。當(dāng)調(diào)制頻率較高時，可選擇面積較小的硅光電池和較小的負載電阻，以進一步減小響應(yīng)時間，改善頻率特性。

能提供較大電流的大面積光電池外形光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能電動機太陽能硅光電池板第二節(jié)光電傳感器與光電檢測

光電傳感器組成：被測量一、光電傳感器的類型被測量使得光通亮連續(xù)變化，輸出光電流也連續(xù)變化。包含以下四種形式：

（一）模擬式光電傳感器按照光電元件輸出信號的形式可分為模擬式和脈沖式。1、光源本身就是被測物。如：光電比色溫度計、光照度計等被測物光電元件光照度計比色式溫度傳感器2、恒定光源發(fā)出的光通量透過被測物，由被測物吸收一部分后到達光電元件上。

如：測液體透明度、煙塵濃度等被測物光電元件恒光源3、恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物反射后到達光電元件上。如：測紙張白度、零件表面粗糙度、光電轉(zhuǎn)速表等被測物光電元件恒光源

4、恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)過被測物遮擋一部分后照射到光電元件上。如：測元件尺寸、運動狀態(tài)等被測物光電元件恒光源（二）脈沖式光電傳感器

光信號斷續(xù)變化，光電元件輸出的也斷續(xù)變化。只有兩種狀態(tài)。常用于計數(shù)或測速。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)射紅光和紅外光。（三）激光：集中三、光電轉(zhuǎn)換電路1.光敏電阻測量電路2.光敏晶體管測量電路3.光電池測量電路4.使用運算放大器的光敏元件測量電路。光敏電阻測量電路光敏晶體管測量電路光線增強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電壓變小光電池測量電路光線增強電壓變大光線增強電壓變大光線增強電壓變大使用運算放大器的光敏元件測量電路光線增強PN導(dǎo)通負電壓輸入光線增強短路電流增大光線強弱影響放大倍數(shù)二、光電檢測實例

（一）WDS型光電比色高溫計：

通過輻射體在兩個不同波長上的輻射能量之比，測定輻射體的溫度。非接觸式，測溫范圍：800—2000℃。輻射體物鏡瞄準反射鏡光導(dǎo)棒不可見光可見光光闌分光鏡比例計算人工觀測反射鏡目鏡棱鏡變送器記錄儀光電比色溫度計電路原理框圖硅光電池1RfRf運算電路顯示器I1I2U1U2硅光電池2而I1正比于Iλ1所以U1正比于Iλ1第8章光電傳感器

（二）光電比色計用于溶液的顏色、成分、渾濁度等化學(xué)分析。

標(biāo)準樣品

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放大器顯示儀表光電式煙塵濃度檢測動畫演示

（三）光電式帶材測厚跑偏檢測儀檢測帶材加工過程中偏離正確位置的情況。不反射帶材光源凸透鏡凸透鏡反射鏡半透膜反射鏡

光敏三極管正確位置電橋平衡U0=0左或右偏UO都會改變。電橋

（四）光電式轉(zhuǎn)速儀

1）反射式光電轉(zhuǎn)速儀電信號光信號凸透鏡半透膜片聚焦透鏡凸透鏡光源測量電路計數(shù)器不反光位置電橋平衡U0=0反光位置輸出電脈沖。光電式轉(zhuǎn)速測量動畫演示2）直射式光電轉(zhuǎn)速儀測量電路計數(shù)器光信號電信號凸透鏡指示透鏡光源旋轉(zhuǎn)盤不透光位置電橋平衡U0=0透光位置輸出電脈沖。

（五）光電檢測的其他應(yīng)用舉例布料寬度檢測、有無檢測兩臺行車的安全距離檢測空箱檢測及推出處理長距傳送的金屬板檢測光纖1870年的一天，英國物理學(xué)家丁達爾到皇家學(xué)會的演講廳講光的全反射原理，他做了一個簡單的實驗：在裝滿水的木桶上鉆個孔，然后用燈從桶上邊把水照亮。結(jié)果使觀眾們大吃一驚。人們看到，放光的水從水桶的小孔里流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了。人們曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，光能沿著從酒桶中噴出的細酒流傳輸；人們還發(fā)現(xiàn)，光能順著彎曲的玻璃棒前進。這是為什么呢？難道光線不再直進了嗎？這些現(xiàn)象引起了丁達爾的注意，經(jīng)過他的研究，發(fā)現(xiàn)這是全反射的作用，即光從水中射向空氣，當(dāng)入射角大于某一角度時，折射光線消失，全部光線都反射回水中。表面上看，光好像在水流中彎曲前進。實際上，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過在內(nèi)表面上發(fā)生了多次全反射，光線經(jīng)過多次全反射向前傳播。后來人們造出一種透明度很高、粗細像蜘蛛絲一樣的玻璃絲──玻璃纖維，當(dāng)光線以合適的角度射入玻璃纖維時，光就沿著彎彎曲曲的玻璃纖維前進。由于這種纖維能夠用來傳輸光線，所以稱它為光導(dǎo)纖維。1880-Alexand