光电式传感器及应用.

2020/1/71光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将被测非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件3部分组成。光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此在自动检测，计算机和控制系统中，应用非常广泛。光电式传感器的物理基础是光电效应。26.1光电效应及光电元器件6.2光电式传感器的实用电路6.3光纤传感器6.4红外传感器3光电式传感器的工作原理是基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二象性，光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。具有的能量hν正比于光的频率ν（h普朗克常数）。每个光子具有的能量为E=hν46.1.1光电效应及分类对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hν的光子所轰击，组成该物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。5（1）外光电效应。真空管元件（2）内光电效应。（3）光生伏特效应。（2）、（3）类属于半导体元件。6流明（lm）和勒克斯（lx）两个光学单位。所谓流明是光通量的单位，所有的灯都以流明表征输出光通量的大小。勒克斯是照度的单位，它表征受照物体被照程度的物理量。7（1）结构与工作原理。它们是利用外光电效应制成的光电元件。81．光电管、光电倍增管光电管的结构当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，自由电子就可以克服金属表面束缚而逸出，形成逸出电子。这种逸出的电子称为光电子，光电子逸出金属表面的初速度υ可由爱因斯坦光电效应方程确定。（1/2）mυ2=hν−A9当阴极金属材料选定后，要使阴极金属表面有电子逸出，入射光的频率ν要大于某一最低限度，否则当hν小于A时，不管光通量有多大，都不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。当hν大于A时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流Iφ就越大。10光电管正常工作时，阳极电位高于阴极电位。在入射光频率大于“红限”的前提下，当光电管阳极加上适当电压（几十伏）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。11光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子，并使电子获得倍增的电真空器件。它有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。光电倍增管由两个主要部分构成：阴极室和若干光电倍增极组成的二次发射倍增系统12在它的阴极与阳极之间设置许多二次倍增极D1、D2、D3、……，它们又称为第1倍增极、第2倍增极……，相邻电极之间通常加上100V左右的电压，其电位逐级提高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差一般在。600～1200V左右。13光电倍增管结构示意图14当微光照射阴极K时，从阴极K上逸出的光电子在D1的电场作用下，以高速向倍增极D1射去，产生二次发射，于是更多的二次发射的电子又在D2电场作用下，射向第二倍增极，激发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所收集。若每级的二次发射倍增率为m，共有n级（通常可达9～11级），则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大mn倍，因此光电倍增管的灵敏度极高。15各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、…、Rn获得的，阳极电流流经电阻RL得到输出电压Uo。当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容C1、C2、…、Cn和输出隔离电容C0都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接。当入射光通量为脉冲量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接入隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接入，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。16①光电特性。17光电管光电特性曲线②伏安特性。18③光谱特性。19光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性，暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和有关手册合理选用。20光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点21光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。22当光敏电阻受到光照时，阻值减小。23①暗电阻和暗电流。②亮电阻和亮电流。③伏安特性。24光敏电阻的伏安特性④光电特性。⑤光谱特性。25某光敏电阻的光电特性光敏电阻的光谱特性⑥响应时间。⑦温度特性。26光电导器件材料禁带宽度/eV光谱响应范围/nm峰值波长/nm硫化镉（CdS）2.45400～800515～550硒化镉（CdSe）1.74680～750720～730硫化铅（PbS）0.40500～30002000碲化铅（PbTe）0.31600～45002200硒化铅（PbSe）0.25700～58004000硅（Si）1.12450～1100850锗（Ge）0.66550～18001540锑化铟（InSb）0.16600～70005500砷化铟（InAs）0.331000～4000350027光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。光敏晶闸管主要应用于光控开关电路28①光敏二极管。通常处于反向偏置状态。当没有光照射时，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。291—负极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜5—正极引脚6—N型衬底7—SiO2保护圈8—SiO2透明保护层9—铝引出电极10—P型扩散层11—PN结12—金属引出线30光敏二极管阵列包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。31红外发射管红外接收管集电极电流是原始光电电流的β倍。因此，光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高许多倍。32光敏三极管33光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有的可达数百伏，导通电流比光敏三极管大得多，因此输出功率很大，在自动检测控制和日常生活中应用会越来越广泛。34光敏面35①光谱特性。36图6-16光敏晶体管的光谱特性1—硅光敏晶体管2—锗光敏晶体管②伏安特性37③光电特性38图6-18光敏晶体管的光电特性1—光敏二极管的光电特性2—光电三极管的光电特性④温度特性⑤频率特性⑥响应时间39光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出光电流。常用的光电池有两种，一种是金属—半导体型，另一种是PN结型，如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。40用导线连接P区和N区，电路中就有电流流过4142光敏面4344光电池在人造卫星上的应用①光谱特性②光电特性③温度特性④频率特性45光电池和光谱特性曲线1—硅光电池2—硒光电池硅光电池的光电特性1—开路电压特性曲线2—短路电流特性曲线光电池的温度特性光电池的频率特性Uo=-URf=-IRf该电路的输出电压Uo与光电流I成正比，从而达到电流/电压转换关系。47光电池短路电流测量电路由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。48光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器，它具有抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。49光电耦合器组合形式光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。50511—发光元件2—接收元件3—壳体4—导线5—反射物6—窗体52用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高—低”之分即可。53光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。54工作原理与光电开关的相同，但其光电发射器、接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以两者能可靠地对准。分为遮断型和反射型2种。55561—发光二极管2—红外光3—光电元件4—槽5—被测物5758红色光柱59齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。请写出转速与频率的关系式n=？n非接触式测量，由光源、光学通路和光电元件3部分组成。按照被测物、光源、光电元件三者之间的关系4种类型60611—被测物2—光电元件3—恒光源根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长λ1、λ2上的辐射强度之比与该物体的温度成指数关系，即K1、K2是与λ1、λ2及物体的黑度有关的常数。TKeKII/1221/62631—高温物体2—物镜3—半反半透镜4—反射镜5—目镜6—观察者眼睛7—光阑8—光导棒9—镜10、12—滤光镜11、13—硅光电池14、15—电流/电压转换器化学分析仪器使用公共光源，不管光线强弱如何，光源光通量不稳定带来的变化可以被抵消，故其测量精度高。但两光电池的性能不可能完全一样，由此会带来一定误差。64651—光源2—光透镜3—滤色镜4—标准样品5—被检测样品6、7—光电池8—差动放大电路9—指示仪表带材跑偏检测装置是用来检测带型材料在加工过程中偏离正确位置的大小与方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。66671—被测带材2—光源3、4—光透镜5—光敏电阻6—遮光罩光电元件检测运动物体的速度681—光源A2—光敏元件VA3—运动物体4—光源B5—光敏元件VB6—RS触发器696.3.1光纤传感器概述优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和pH值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为2～12μm，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。7071发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。72光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构如图6-36所示。中心的圆柱体叫做纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。731．光纤的结构747576光纤的传输是基于光的全内反射。77只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的光纤集光本领的术语叫数值孔径NANA=sinθc=数值孔径反映纤芯接收光量的多少。782212nn一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。791．光纤加速度传感器80在球状对折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射回来，由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近