传感器技术应用-7.

湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日第七章光电传感器目的要求：通过学习要求掌握光电传感器的基本原理，学会选用方法和技巧，能用其组成测量系统。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日本次课主要讲述内容：本章主要讲述以下内容：1、光电传感器原理2、光电效应（重点）5、光电传感器的应用3、外光电效应元件4、内光电效应元件湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日一、光电传感器的原理及类型1、原理光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件，原理如下图。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日2、光电传感器的分类按光电元件输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日（1）透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上，因此又称之为吸收式湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日二、光电效应1、定义：对不同频率的光，其光子能量E=hν是不相同的，光波频率ν越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串能量为E的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现象称为光电效应。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日2、光电效应的分类：1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日三、光电管和光电倍增管1.结构原理光电管是利用外光电效应制成的光电元件如下图所示：半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加hν。当电子能量大于阴极材料的逸出功A时，它就逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子AKIΦU0RLE湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。K湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射，每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2，……。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有8～13个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有n级，各级的倍增率为б，则光电倍增管的倍增率可以认为是бn，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日2.与测量有关的两个参数(1)暗电流光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。(2)光谱响应特征光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为：)()()(PIS)()()(maxSSs湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日四、光敏二极管和三极管1.基本原理其结构如下图所示，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，有光照时反向导通。μAEV-+IΦ结构示意图和图形符号基本电路a)b)EU0ceIcRLNNPa)结构示意图b)基本电路湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日2.主要特性1)光谱特性在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光敏晶体管的光谱特性。2)伏安特性光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就象普通三极管在不同基极电流下的输出特性一样，在这里改变光照就相当于改变一般三极管的基极电流，从而得到一簇输出曲线。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日3)光电特性它指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流和光照度的关系。光敏二极管的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加较小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。4)频率特性光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。光敏三极管的频响比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日五、光电池1.工作原理它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积PN结，当光照射P区时，在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子空穴对，P区表面吸收的光子最多，激发的电子空穴最多，越向内部越少，这种浓度差便形成光生电势。ΦPN结NPEa)结构示意图b)图形符号湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日2.主要特性1)光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的。右图是硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从中可知，不同材料的光电池适用的入射光波长范围也不相同。20406080100Kr(%)12λ(μm)0.60.40.81.01.21-硅光电池2-硒光电池湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日2)光电特性光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不相同的。硅光电池的光电特性如图所示。其中曲线1是负载电阻无穷大时的开路电压特性曲线，曲线2是负载电阻相对于光电池内阻很小时的短路电流特性曲线。0.10.20.30.40.5122000400060008000100000E(lx)U(V)48121620J(mA/cm)21-开路电压特性曲线2-短路电流特性曲线湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日3)温度特性光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的情况。如图所示，从中可看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降，温度上升1℃，开路电压约降低3mV。1030507090110345I(mA)U(mV)300200400500121-开路电压2-短路电流t(℃)湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日六、光电传感器光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图所示。图中，Ф1是光源发出的光信号，Ф2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。光电传感器在越来越多的领域内得到广泛的应用。Ix1x2x3Φ1Φ2光源光学通路光电元件湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日1.光电传感器的类型1）模拟式光电传感器这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化，通常有以下四种结构形式。(1)光源本身是被测物，如右图所示。这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。(2)恒定光源发射的光穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，如右图所示。可用于测量透明度、混浊度。21被测量是光源213被测量吸收光通量湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日(3)恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如左图所示。可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。(4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如右图所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。122133湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日2.脉冲式光电传感器在这种传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。七、光电传感器的常用光源光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。常用光源有以下几种。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日1.发光二极管这是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。2.钨丝灯泡这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，可有效防止其他光线的干扰。3.激光激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点。湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日八、光电转换电路半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用右图所示的电路。右图a为带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的。+UU0RV湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）2020年1月7日光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如下左图所示。由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅0.6V，还不能使下一级晶体管有较大的电流输出，故必须加正向偏压，如下右图所示。UU0UU0R湖州职业技术学院机电分