《检测与传感技术 教学课件 PPT 作者 冯柏群 祁和义 (第7章)光电式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《检测与传感技术 教学课件 PPT 作者 冯柏群 祁和义 (第7章)光电式传感器（133页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第7章 光电式传感器,7.1 光 电 器 件,7.1.1 外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管等。,1光电管的结构和工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类，由阴极和阳极构成，要求阴极镀有光电发射材料，并有足够的面积来接受光的照射。阳极是用一条细长的金属丝弯成圆形或矩形制成，放在玻璃管的中心。,连接电路，光电管的阴极K和电源的负极相连，阳极A通过负载电阻RL接电源正极，当阴极受到光线照射时，形成光电流I，随光照的强弱而改变，达到把光信号变化转换为电信号变化的目的。,充气光电
2、管的结构基本与真空光电管相同，只是管内充以少量惰性气体，如氖气等。在自动检测仪表中多采用真空光电管。,图7-1 光电管结构示意图与连接电路,2光电倍增管工作原理和结构 光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射基础上。K为光电阴极，D1D4倍增极，A为阳极（或收集阳极）。在工作时，一般阳极和阴极之间电压是10002500V，两个相邻倍增极之间的电位差为50100V。,当光线照射到光阴极K后，它产生的光电子受到第一倍增极D1正电位的作用，使之加速并打在这个倍增级上，产生二次发射。由第一倍增级D1产生二次发射电子，在更高电位的D2极作用下，再次被加速入射到D2上，在D2极上又将产生二次发射，这样
3、逐级前进，直到电子被阳极收集为止。阳极最后收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105106倍。,7.1.2 内光电效应及相应的器件 内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象，内光电效应可以分为以下两大类。,（1）光电导效应 在光线的作用下，半导体的导电能力增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。,（2）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于这种效应的光电器件有光电池。 此外，光敏二极管、光敏晶体管也是基于内光电效应。,1光敏电阻 （1）光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻是用半导体材
4、料制成的光电器件，没有极性，使用时既可加直流电压，又可加交流电压。无光照时，光敏电阻阻值很大，电路中的电流很小；当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值急剧减小，电路中的电流迅速增大。,实际光敏电阻的暗电阻阻值一般在兆欧数量级，亮电阻阻值在几千欧以下。 在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就是通过引出线端接入电路。光敏电阻的电极一般采用梳状图案。,图7-3 光敏电阻结构,（2）光敏电阻的主要参数 暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻。此时流
5、过的电流称为亮电流。 光电流：亮电流与暗电流之间的差值称为光电流。,（3）光敏电阻的基本特性 伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。 光照特性：光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系。, 光谱特性：光敏电阻对入射光的光谱特性具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应与近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头。, 频率特性：光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性。, 温度特性
6、：温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。,光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外光谱区工作。不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。,2光敏二极管和光敏晶体管 （1）结构原理 光敏二极管装在透明的玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光的照射，一般是处于反向工作状态，当没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光线照射在PN结上，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，形成光电流。,光的照度越大，光电流越大
7、。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。,光敏晶体管与一般晶体管相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。,大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电极就是反向偏压，当光照射在集电结时就会在结附近产生电子空穴对，便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管具有放大作用。,光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。由于无光照时的暗电流也增加，因此适合于开关状态或位式信号的光电转换。,（2）基本特性 光谱特
8、性：光敏管的光谱特性是指在一定的照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。一般来讲，锗的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外线探测时，锗管较为适宜。, 伏安特性： 频率特性：光敏管的频率特性是指光敏管的输出电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。 温度特性：光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。,3光电池 光电池是一种直接将光能转换成电能的一种光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这个器件就不需外加电源。,光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射在PN结的一个面
9、，例如P型面时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就会产生一对自由电子和空穴，电子空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图7-15所示为硅光电池的原理图。,图7-15 硅光电池原理图,光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等，其中硅光电池由于性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高及耐高温辐射，因此最受人们的重视。,光电池的基本特性有以下几种。 （1）光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度是不同的。从图中可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8m
10、附近，硒光电池在0.5m附近。,硅光电池的光谱响应波长为0.41.2m，而硒光电池只能为0.380.75m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。,（2）光照特性 光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜作电压源。 （3）频率特性 硅光电池有较好的频率响应。,（4）温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度和控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。把它作为测量元件使用时，最好保
11、证温度恒定或采取温度补偿措施。,7.1.3 光电耦合器件 光电耦合器件是由发光元件（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。根据结构和用途不同，它又可以分为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。,1光电耦合器 光电耦合器的发光元件和接收元件都装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。发光器件通常采用砷化镓发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大正向电流也增加，发光二极管的光通量也增加。光电接收元件可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。,图7-20 光电耦合器的组合形式,光电耦合器实际上是一个电隔离转换器，它具有抗干扰性
12、能和单向信号传输功能，广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制等场合。,2光电开关 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。图7-21所示为典型的光电开关结构图。,图7-21（a）是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起了检测的作用。,图7-21（b）是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将
13、收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。,图7-21 光电开关的结构,光电开光广泛应用于工业控制，自动化包装线及安全装置中作为光控制和光检测装置。可在自动控制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。,7.1.4 光电传感器的应用 1火焰检测报警器 图7-23所示是采用以硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器的电路图。硫化铅光敏电阻的暗电阻为1M，亮电阻为0.2M（在光强度为0.01W/m2下测试），峰值响应波长为2.2m，硫化铅光敏电阻处于VT1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6A。,VT1管集电极电阻两端并联68F的电容，可以抑制1
14、00Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。VT2、VT3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪烁信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值变化不至于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定的工作。,图7-23 火焰探测报警器电路图,2光电式纬线探测器 光电式纬线探测器是用于喷气织机上，判断纬线是否断线的一种探测器。,当纬线在喷气作用下前进时，红外发光管VD发出红外光，经纬线反射，由光电池接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断。因此利用光电池的输出信号，通过后续电路的放大、脉冲整形等，控制机器正常运转还是关机报警。
15、,由于纬线线径很细，又是摆动前进，形成光的漫射，削弱了光的反射强度，而且还伴有背景杂散光，因此要求探纬器具有较高的灵敏度和分辨率。一般来说，光电池的输出信号较小，需经放大、脉冲整形，以提高分辨率。,图7-24 光电式纬线探测器原理电路图,3燃气器具中的脉冲点火控制器 图7-25所示为燃气器具中高压打火确认电路的原理图。在高压打火时，火花电压可达1万多伏，这个脉冲高压对电路的影响极大，为了使电路正常工作，采用光电耦合器VB进行电平隔离，大大增加了电路的抗干扰能力。,当高压打火针经打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光，耦合器中的光敏三极管导通，经VT1、VT2、VT3放大，驱动强吸电磁阀
16、，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。若打火针与打火确认针之间不放电，光耦器不工作，VT1等不导通，燃气阀门关闭。,4烟尘浊度连续检测仪 工业烟尘是环境的主要污染之一，为此需要对烟尘源进行连续检测、自动显示和超标报警。,烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道里的烟尘浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒物吸收和折射就增多，到达检测器上的光减少，因而光检测器的输出信号便可反映烟道里烟尘浊度的变化。,图7-25 燃气热水器的高压打火确认原理图,图7-26所示是吸收式烟尘浊度检测仪的组成框图。为了检测出烟尘中对人体的危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸汽和二氧化碳对光源衰弱的影响，选取可见光作为光源。该光源产生光谱范围为400700nm的纯白炽平行光，要求光照稳定。,图7-26 吸收式烟尘浊度检测仪框图,光检测器选取光谱响应范围为400600nm的光电
