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1、第10章 光电式传感器原理与 应用 授课老师： 上一页下一页返 回 概述 l 光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化 转换成电量的传感器，它首先把被测量的变化 转换成光信号的变化，然后借助光电元件参数 的变化将光信号转换成电信号，它的物理基础 是光电效应。光电传感器一般由光源、光学通 路和光电元件三部分组成。在检测时，被测量 使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通 量的光电元件的输出电量也作相应的变化，最 后用电量来表示被测量的大小。其输出的电量 可以是模拟量，也可以是数字量。光电检测方 法具有精度高、反应快、非接触等优点，有多 种参数都可测量，传感器的结构简单，形式灵 活多样，因此在检测
2、和控制领域内得到广泛应 用。 上一页下一页返 回 第10章 光电式传感器原理与应 用 l10.1 光电效应及光电器件 l10.2 光电码盘 l10.3 电荷耦合器件 l10.4 光纤传感器 l10.5 光栅传感器 上一页下一页返 回 l 光电效应通常可分为四类： (1) 外光电效应:在光线作用下,使电子逸出物体表面 而产生光电子发射的现象。基于外光电效应原理的 器件属于真空光电元件,有光电管、光电倍增管等。 (2) 内光电效应:在光线作用下,使物体的电阻率改变 的现象。基于内光电效应原理的器件属于半导体光 电元件,有光敏电阻、光敏晶体管等。 (3) 光生伏特效应:在光线作用下，物体产生一定方
3、向电动势的现象。基于光生伏特效应原理的器件属 于半导体光电元件,有光电池等。 (4) 热释电现象：热电材料受红外光等照射时，若其 表面温度上升或下降,则该表面产生电荷的现象。 上一页下一页返 回 10.1 光电效应及光电器件 10.1.1 光电管 10.1.2 光电倍增管 10.1.3 光敏电阻 10.1.4 光敏二极管 10.1.5 光敏晶体管 10.1.6 光电池 10.1.7 光电传感器的应用 上一页下一页返 回 10.1.1 光电管 (a)反射式光电阴极光电管 (b)透射式光电阴极光电管 光电管结构示意图 连接电路 上一页下一页返 回 10.1.2光电倍增管 （a）直线型；(b) 鼠笼
4、式；(c) 盒-网型 1一阴极；2-倍阴极；3-阳极；4-绝缘隔板；5-栅极。 光电倍增管的结构原理图 上一页下一页返 回 10.1.2光电倍增管 假设每个电子落到任一倍增极上都打出个电子，则 阳极电流I为 光电倍增管的电流放大系数为 上一页下一页返 回 10.1.3光敏电阻 l 1-梳状电极； l 2-光导体； l 3-透光窗口; l 4-外壳; l 5-绝缘基体； l 6-黑色玻璃支柱： l 7-引脚 光敏电阻结构图 上一页下一页返 回 光敏电阻主要的技术特性 l(1) 暗电阻，暗电流 l(2) 亮电阻、光电流 l(3) 光谱特性 l(4) 光电特性 l(5) 频率特性 l(6) 温度特性
5、 上一页下一页返 回 (1) 暗电阻，暗电流 l若将光敏电阻置于无光照的黑暗条件下 ，测得光敏电阻的阻值称为暗电阻，这 时，在给定工作电压下测得光敏电阻中 的电流值称为暗电流。 上一页下一页返 回 (2) 亮电阻、光电流 l光敏电阻在光照下，测得的光敏电阻的 阻值称为亮电阻，亮电阻一般在几千欧 姆。这时在工作电压下测得的电流为亮 电流。亮电流和暗电流之差称为光电阻 的光电流I 上一页下一页返 回 (3) 光谱特性 l 对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不 相同的。各种材料的光谱特性如图10.1.5所示，从图中 看出，每种光敏电阻对不同波长的入射光有着不同的 灵敏度，硫化镉的峰值在可见
6、光区域，而硫化铅的峰 值在红外区域；因此在选用光敏电阻时应当把元件 和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果 光敏电阻的光谱特性 上一页下一页返 回 (4) 光电特性 l 光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性 。如图10.1.6所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。做 检测元件时，要对其值进行曲线拟合，响应曲线不连 续，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用 做开关式光电传感器。 光敏电阻的光电特性 上一页下一页返 回 (5) 频率特性 l 当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一 段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光 电流也不立刻为零，这说明光敏电阻有时延特 性。由于不同材
7、料的光敏电阻时延特性不同， 所以它们的频率特性也不相同。 光敏电阻的频率特性 上一页下一页返 回 (6) 温度特性 l 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，从图中可以看 出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因 此，在使用光敏电阻检测时为了能接受远红外光，或 为了提高灵敏度，要采取控制温度的措施。 硫化铅的光谱温度特性 上一页下一页返 回 10.1.4光敏二极管 l光敏二极管的工作原理也是基于内光电 效应，与光敏电阻的差别仅在于光线照 射在半导体PN结上,PN结参与了光电转 换过程。 (a)结构示意图和图形符号 (b)基本电路 光敏二极管 上一页下一页返 回 10.1.5光敏晶体管 l 光
8、敏晶体管通常 指光敏三极管， 光敏三极管有两 个PN结，因而可 以获得电流增益 ，它比光敏二极 管具有更高的灵 敏度。 （a）结构示意图；（b）基本电路 光敏三极管 上一页下一页返 回 光敏晶体管特性 l(1) 光谱特性 l(2) 伏安特性 l(3) 光电特性 l(4) 温度特性 l(5) 频率特性 上一页下一页返 回 （1）光谱特性 从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱 峰值波长不同。硅管的峰值波长为0.9m左右，锗管 的峰值波长为l.5m左右。由于锗管的暗电流比硅管大 ，所以锗管性能较差。因此，在探测可见光或赤热物 体时，多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗 管较为合适。 光敏
9、晶体管的光谱特性 上一页下一页返 回 (2) 伏安特性 l 光敏三极管的伏安特 性是指光敏三极管在 给定的光照度下光敏 三极管上电压与光电 流比关系。光敏三极 管在不同照度下的伏 安特性，就像普通三 极管在不同基极电流 下的输出特性一样 光敏三极管伏安特性 上一页下一页返 回 (3) 光电特性 l光电特性是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。 一般说来，光敏二极管光电特性的线性 较好，而光敏三极管在照度小时，光电 流随照度增加而减小，并且在光照足够 大时，输出电流有饱和现象。这是由于 光敏三极管的电流放大倍数在小电流和 大电流时都下降的缘故。 上一页下一页返 回 (4)
10、 温度特性 l温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响 较小，但是对暗电流的影响却十分显著 光敏晶体管的温度特性 上一页下一页返 回 (5) 频率特性 l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 光敏晶体管的频率特性 上一页下一页返 回 10.1.6光电池 l 定义：光电池是一种自发电式的光电元件，它 受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在 不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电 流通过。 l 光电池的种类：硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化 镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广 泛的是硅光电池， l 硅光电池优点：性能稳定、光谱范围宽、频率 特性好、转换效率高、能耐高温辐
11、射等。另外 ，由于硒光电池的光谱峰值处于人眼的感觉范 围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它 。 上一页下一页返 回 光电池的主要特性如下： l(1) 光谱特性 l(2) 光电特性 l(3) 温度特性 l(4) 频率特性 上一页下一页返 回 (1) 光谱特性 l 不同材料的光电池适用的入射光波长范围也不 相同。硅光电池的适用范围宽，对应的入射光 波长可在0.45m-1.1m之间，而硒光电池只 能在0.34m-0.57m波长范围，它适用于可见 光检测。 （a）结构示意图；（b）图形符号 光电池 1-硅光电池； 2-硒光电池 光电池光谱特性 上一页下一页返 回 (2) 光电特性 1-开路电压特性
12、曲线；2短路电流特性曲线 硅光电池的光电特性 上一页下一页返 回 (3) 温度特性 1-开路电压；2一短路电流 硅光电池温度特性 上一页下一页返 回 (4) 频率特性 l 光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制 频率的关系。当入射光照度变化时，由于光生 电子-空穴对的产生和复合都需要一定时间，因 此入射光调制频率太高时，光电池输出电流的 变化幅度将下降。硅光电池的频率特性较好， 工作频率的上限约为数十千赫，而硒光电池的 频率特性较差。在调制频率较高的场合，应采 用硅光电池，并选择面积较小的硅光电池和较 小的负载电阻，以进一步减少响应时间，改善 频率特性。 上一页下一页返 回 10.1.7光电
13、传感器的应用 l特点：结构简单、质量轻、体积小、价 格便宜、响应快、性能稳定及具有很高 的灵敏度等 l光电传感器按其工作原理可分为模拟式 和脉冲式两类 l光电传感器在工业应用中可归纳为直射 式、透射式、反射式和遮蔽式等四种基 本形式。 上一页下一页返 回 (a)直射式;(b)透射式;(c)反射式;(d)遮蔽式 光敏器件在工业应用中的基本形式 上一页下一页返 回 四种基本形式 l (1)直射式如图10.1.19(a)所示,光源本身就是被测物体 。被测物体的光通量指向光敏器件，产生光电流输出 。这种形式常用于光电比色高温计中作光电器件。 l (2)透射式如图10.1.19 (b)所示，光源的光通量
14、一部分 由被测物体吸收，另一部分则穿过被测物体投射到光 敏器件上。该形式常用于测量混合气体、液体的透明 度、浓度等。 l (3)反射式如图10.1.19 (c)所示，光源发射出的光通量 投射到被测物体上，被测物体又将部分光通量反射到 光敏器件上。反射的光通量取决于被测物体的反射条 件，该形式一般用于测量工件表面的粗糙度及测量转 速等。 l (4)遮蔽式如图10.1.19 (d)所示，光源发射出的光通量 投射到被测物体上,被测物体遮蔽光通量改变，则投影 到光敏器件上的光通量也随着改变。这种形式常用于 测量位置、位移、振动、频率等，在自动控制中用作 自控开关。 上一页下一页返 回 光敏器件的具体应
15、用 l(1) 测量工件表面的缺陷 l(2) 测量转速 l(3)光电数字转速表 l(4)烟尘浊度连续监测仪 上一页下一页返 回 (1) 测量工件表面的缺陷 检查零件表面缺陷的光电传感器 上一页下一页返 回 (2) 测量转速 光电转速计工作原理 上一页下一页返 回 (3)光电数字转速表 光电式数字转速表的工作原理 若调制盘上开有z个缺口,测量计数时间为t(s),被测转 速为n(r/min)，则此时得到的计数值c为： 上一页下一页返 回 (4)烟尘浊度连续监测仪 吸收式烟尘浊度监测仪框图 上一页下一页返 回 10.2 光电码盘 l光电编码器具有下列特点： 具有高的测量精度和分辨率，测量范围大 ； 抗
16、干扰能力强，稳定性好； 信号易于处理、传送和自动控制； 便于动态及多路测量，读数直观； 安装方便，维护简单，工作可靠性高。 上一页下一页返 回 l10.2.1工作原理 l10.2.2 码盘和码制 l10.2.3旋转式光电编码器 l10.2.4 应用 上一页下一页返 回 10.2.1工作原理 l 编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以及安装在圆 盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多 同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮 区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经 窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮 区和暗区的光敏元件输出的信号，分别为“1”或“0”。当码盘旋至不同位 置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代 表了码盘轴的角位移大小
