第八章光電式傳感器培訓(xùn)資料

第八章光電式傳感器光電傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。使用它測(cè)量非電量時(shí)，首先將這些非電物理量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，再由光電傳感器將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的變化。光電傳感器的這種測(cè)量方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高可靠、高精度和反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。光電傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的一種傳感器，它在自動(dòng)控制和非電量測(cè)試中占有非常重要的地位?！?-1光電效應(yīng)自然界的一切物質(zhì)在環(huán)境溫度高于0K以上時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生光波輻射，光是波長(zhǎng)約在100～0.01μm之間的電磁輻射。光也可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子（稱為光子）所構(gòu)成，每個(gè)光子具有的能量正比于光的頻率。所以，用光照射某一物體時(shí)，就可以看作這物體受到一連串能量為的光子所轟擊，而光電效應(yīng)就是由于物體吸收光子能量后產(chǎn)生的電效應(yīng)。通常把光線照射到物體后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為兩類(lèi)，即外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。一、外光電效應(yīng)在光線作用下，電子獲得光子的能量從而脫離正電荷的束縛，使電子逸出物體表面，這種效應(yīng)稱為外光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射。特點(diǎn)：速度快，從光照射到釋放電子時(shí)間不超過(guò)10-9秒。需足夠光能，光子能量>表面溢出功A0原理：光→物體表面→光電子發(fā)射愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程一、內(nèi)光電效應(yīng)物體受光照射后，其內(nèi)部的原子釋放出電子，這些電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1．光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線的作用下，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，簡(jiǎn)稱光導(dǎo)效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻，以及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管等。一、內(nèi)光電效應(yīng)物體受光照射后，其內(nèi)部的原子釋放出電子，這些電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。2．光生伏特效應(yīng)在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)可分為兩類(lèi)：結(jié)光電效應(yīng)和側(cè)向光電效應(yīng)（1）結(jié)光電效應(yīng)原理：光→PN結(jié)→光生電子空穴對(duì)

（2）側(cè)向光電效應(yīng)原理：當(dāng)光照射半導(dǎo)體光電器件的靈敏面時(shí)，光照部分吸收了能量便產(chǎn)生自由電子—空穴對(duì)，光照部分的載流子濃度比未被光照部分的載流子濃度高，因此在半導(dǎo)體材料中就產(chǎn)生了濃度梯度，這樣由光照部分和未被光照部分的載流子濃度的不同而產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)被稱為側(cè)向光電效應(yīng)。器件：光電池、光敏二極管、光敏三極管§8-2光電元件1．光電管（1）結(jié)構(gòu)光電陰極有的是帖附在玻璃泡內(nèi)壁，有的是涂在半圓筒形的金屬片上。陰極對(duì)光敏感的一面是內(nèi)向的。在陰極前裝有單根金屬絲或環(huán)狀的陽(yáng)極。光電陽(yáng)極光電陰極（２）原理當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流（３）伏安特性曲線當(dāng)光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流的關(guān)系，叫做光電管的伏安特性曲線光電管的工作點(diǎn)應(yīng)選在光電流與陽(yáng)極電壓無(wú)關(guān)的區(qū)域內(nèi)光通量陽(yáng)極電壓陽(yáng)極電流2．光電倍增管構(gòu)成：光電倍增管由一個(gè)光電陰極、若干個(gè)倍增極和陽(yáng)極所構(gòu)成。D1D2D3D4D11ＡK原理：當(dāng)光線照射光電陰極Ｋ時(shí)，陰極發(fā)射出一些光電子，這些光電子首先打在第一倍增極Ｄ1上，由于Ｄ1電位高于Ｋ，光電子轟擊Ｄ1時(shí)的動(dòng)能相當(dāng)大，因此Ｄ1發(fā)射的二次電子數(shù)比光電子數(shù)多幾倍。第一倍增極發(fā)射的二次電子打到電位比Ｄ1高的第二倍增極Ｄ2上，Ｄ2發(fā)射的二次電子數(shù)增大幾倍，這樣逐級(jí)下去，最后一個(gè)倍增極所發(fā)射的二次電子數(shù)比從陰極Ｋ發(fā)射的光電子數(shù)增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如11個(gè)倍增極的光電子管Ｄ11發(fā)射的二次電子數(shù)約為光電子數(shù)的105～106倍。最后一個(gè)倍增極所發(fā)射的二次電子被陽(yáng)極Ａ收集，形成信號(hào)電流。應(yīng)用：應(yīng)用于微弱光照的場(chǎng)合。是一種將微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器件。3、光敏電阻光敏電阻器又稱光導(dǎo)管，特性是在特定光的照射下，其阻值迅速減小，可用于檢測(cè)可見(jiàn)光。

光敏電阻器的主要參數(shù)1）亮電阻（kΩ）：指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。2）暗電阻(MΩ)：指光敏電阻器在無(wú)光照射（黑暗環(huán)境）時(shí)的電阻值。3）最高工作電壓(V)：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。（2）光敏電阻特性

1）伏安特性阻值大小與照度有關(guān)電壓越高，光電流越大，且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。501001502001202040I/mA1：照度10lx2：照度100lxU/V204060801004008001200160020002400λ/nm312相對(duì)靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛2）光譜特性與材料有關(guān)（2）光敏電阻特性

3）溫度特性其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線（3）光敏電阻應(yīng)用智能小車(chē)設(shè)計(jì)實(shí)例——尋光小車(chē)

功能：小車(chē)自動(dòng)尋找光源，并向光源行駛

光敏電阻電路：AD端電壓=Vcc×R2/(R1+R2)調(diào)節(jié)R2，使AD端電壓在無(wú)光照和有光照時(shí)的電壓范圍盡量寬。AD端電壓可送入AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以備后續(xù)處理。尋光算法設(shè)計(jì)

車(chē)頭安放兩路光敏電阻采樣電路，并用遮光板隔開(kāi)。兩路電壓采樣值送AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果控制小車(chē)運(yùn)行方向。情況一：A>B光源在左側(cè)，小車(chē)左轉(zhuǎn)尋光算法設(shè)計(jì)

情況二：A<B光源在右側(cè)，小車(chē)右轉(zhuǎn)車(chē)頭安放兩路光敏電阻采樣電路，并用遮光板隔開(kāi)。兩路電壓采樣值送AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果控制小車(chē)運(yùn)行方向。尋光算法設(shè)計(jì)

情況三：A=B若A,B大于閥值X，則光源在車(chē)正前方，小車(chē)直行若A,B小于閥值X，則光源在車(chē)正后方，小車(chē)左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)/后退車(chē)頭安放兩路光敏電阻采樣電路，并用遮光板隔開(kāi)。兩路電壓采樣值送AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果控制小車(chē)運(yùn)行方向。尋光算法設(shè)計(jì)

說(shuō)明：|A-B|<=Z，表示兩個(gè)傳感器值幾乎相等，此時(shí)的情況有兩種，光源在車(chē)正前方（A和B均大于閥值X）和光源在車(chē)正后方。|A-B|>Z，表示光源在車(chē)的側(cè)方，若A>B，則在左側(cè)；反之，則在右側(cè)。光控路燈

4、光敏二極管光敏二極管接線

RL

光PN光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)PN光敏二極管符號(hào)－+1.結(jié)構(gòu)和原理

光敏二極管在不受光照射時(shí),處于截止?fàn)顟B(tài),受光照射時(shí),處于導(dǎo)通狀態(tài)。反射式光電傳感器原理：白色反光，黑色吸光2、應(yīng)用反射式光電傳感器電路：原理：當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，V1為高電位，若此時(shí)LM324同向端低于V1，則Vout輸出低電平。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到白線時(shí)，V1為低電位，若此時(shí)LM324同向端高于V1，則Vout輸出高電平。5、光敏三極管1.結(jié)構(gòu)原理集電結(jié)為受光結(jié)。集電極相對(duì)于發(fā)射極為正電壓，而基極開(kāi)路，則集電結(jié)處于反向偏置。無(wú)光照射時(shí)，在外電路中有暗電流（此電流即為光電三極管集電極與發(fā)射級(jí)之間的穿透電流）5、光敏三極管1.結(jié)構(gòu)原理集電結(jié)為受光結(jié)。集電極相對(duì)于發(fā)射極為正電壓，而基極開(kāi)路，則集電結(jié)處于反向偏置。當(dāng)光照射在光敏面（集電結(jié)）上時(shí)，光照激發(fā)產(chǎn)生的光生電子—空穴對(duì)增加了少數(shù)載流子的濃度，由于集電結(jié)處于反向偏置，使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，光生電子漂移到集電區(qū)，在基區(qū)留下空穴，使基極電位升高，促使發(fā)射區(qū)有大量電子經(jīng)基區(qū)被集電區(qū)收集而形成放大的集電極光電流.5、光敏三極管2.基本特性——光譜特性5、光敏三極管2.基本特性——伏安特性5、光敏三極管2.基本特性——光電特性5、光敏三極管2.基本特性——溫度特性5、光敏三極管2.基本特性——時(shí)間常數(shù)和頻率特性光電三極管由于存在發(fā)射結(jié)電容，加之載流子通過(guò)面積較大的基區(qū)時(shí)間較長(zhǎng)，因此，它的時(shí)間常數(shù)一般在10-5～10-4（s）之間。5、光敏三極管3.應(yīng)用——光控繼電器5、光敏三極管3.應(yīng)用——郵政信函過(guò)戳裝置5、光敏三極管3.應(yīng)用——光電耦合器光電耦合器件是將發(fā)光元件與受光器件組合在同一個(gè)密封體內(nèi)的組合器件，即將發(fā)光元件、受光器件及信號(hào)處理電路集成在一塊芯片上。工作時(shí)，將信號(hào)加到輸入端，使發(fā)光元件發(fā)光，照射到受光器件使之輸出光電流，從而實(shí)現(xiàn)電—光—電兩次轉(zhuǎn)換，通過(guò)光實(shí)現(xiàn)了輸入端和輸出端之間的耦合。5、光敏三極管3.應(yīng)用——光電耦合器發(fā)光二極管光敏三極管5、光敏三極管3.應(yīng)用——光電耦合器（1）光電耦合器件實(shí)現(xiàn)了以光為媒介的傳輸，因而，保證了輸入端和輸出端之間的隔離，使輸入端和輸出端之間的絕緣電阻很高，耐壓也很高，具有良好的隔離性。（2）具有信號(hào)的單向傳輸和不可逆性。信號(hào)只能從發(fā)光源單向傳輸?shù)绞芄馄骷?，而不?huì)可逆?zhèn)鬏?，輸出信?hào)不會(huì)影響輸入端。（3）發(fā)光源使用砷化鎵發(fā)光二極管，它具有低電阻的特點(diǎn)，可以抑制干擾，消除噪聲。（4）響應(yīng)速度快，可用于高頻電路。（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)觸點(diǎn)，體積小，壽命長(zhǎng)。由于上述特點(diǎn)，光電耦合器件廣泛用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及固態(tài)繼電器等場(chǎng)合。5、光敏三極管3.應(yīng)用——光電耦合器主回路與控制回路的隔離電路5、光敏三極管3.應(yīng)用——光電耦合器燃?xì)鉄崴鞯母邏捍蚧鸫_認(rèn)原理圖5、光敏三極管多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別6、光電池1.結(jié)構(gòu)原理原理：光→PN結(jié)→電子→N,空穴→P→電動(dòng)勢(shì)光→電能→光電池（硅光電池、硒光電池）特點(diǎn)：有源器件，輕便、簡(jiǎn)單、無(wú)污染，動(dòng)態(tài)特性好工作于可見(jiàn)光波段---太陽(yáng)能電池6、光電池1.結(jié)構(gòu)原理連接方式：開(kāi)路電壓輸出---(a)短路電流輸出---(b)2.基本特性——光譜特性04006008001000120020406080100l/nmS/%硒硅硅電池：0.5~1.2μm(紅-紅外)，峰值0.8μm(近紅外)

硒電池：0.3~0.7μm(紫-紅)，峰值0.5μm(綠)可見(jiàn)光6、光電池2.基本特性——光照特性

0.30.20.10光生電流/mA0.60.40.2020004000短路電流開(kāi)路電壓光生電壓/V照度/lx開(kāi)路電壓輸出：非線性(電壓---光強(qiáng))，靈敏度高且在2000lx時(shí)就趨于飽和。短路電流輸出：線性好(電流---光強(qiáng))，靈敏度低，所以作測(cè)量元件使用時(shí)應(yīng)做電流源來(lái)使用。6、光電池2.基本特性——溫度特性

2040608010001002003004005002.22.01.8開(kāi)路電壓短路電流溫度/℃U/mVI/mA短路電流和開(kāi)路電壓隨溫度變化：溫度升高時(shí)，開(kāi)路電壓較快下降，而短路電流緩慢增加。6、光電池2.基本特性——頻率特性

硅光電池的頻率特性非常好（動(dòng)態(tài)響應(yīng)快）。這是硅光電池在所有光電元件中最突出的優(yōu)點(diǎn)。6、光電池3.應(yīng)用

6、光電池3.應(yīng)用

6、光電池6、光電池7、其它光電傳感器及應(yīng)用紅外傳感器7、其它光電傳感器及應(yīng)用紅外傳感器

只有在絕對(duì)零度(-273.16℃)時(shí)，一切物體的分子才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。所以，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。例如火焰、軸承、汽車(chē)、飛機(jī)、動(dòng)植物甚至人體等都是紅外輻射源。物理本質(zhì)：熱輻射7、其它光電傳感器及應(yīng)用紅外傳感器紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類(lèi)很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類(lèi)。7、其它光電傳感器及應(yīng)用

1.熱探測(cè)器熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。特點(diǎn)：熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但與光子探測(cè)器相比，熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。7、其它光電傳感器及應(yīng)用熱探測(cè)器主要有四類(lèi)：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測(cè)器在熱探測(cè)器中探測(cè)率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測(cè)器倍受重視。7、其它光電傳感器及應(yīng)用

2.光子探測(cè)器光子探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起光電效應(yīng)。根據(jù)光子效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器稱為光子探測(cè)器。通過(guò)光子探測(cè)器測(cè)量材料電子性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。7、其它光電傳感器及應(yīng)用紅外探測(cè)器應(yīng)用7、其它光電傳感器及應(yīng)用紅外探測(cè)器應(yīng)用7、其它光電傳感器及應(yīng)用紅外探測(cè)器應(yīng)用7、其它光電傳感器及應(yīng)用7、其它光電傳感器及應(yīng)用光電測(cè)速231231(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤(pán)，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。7、其它光電傳感器及應(yīng)用光電測(cè)速——光電編碼器增量式光電編碼器：轉(zhuǎn)軸盤(pán)碼及狹縫LEDABCABC光欄板及辨向用的A、B狹縫光敏元件零位標(biāo)志7、其它光電傳感器及應(yīng)用增量式光電編碼器工作原理：

光電編碼器的光欄板上有A組與B組兩組狹縫，彼此錯(cuò)開(kāi)，使得兩組狹縫相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A、B彼此相差90

相位，用于辯向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90

；當(dāng)碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)超前A信號(hào)90

。

在上一頁(yè)圖的碼盤(pán)里圈，還