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1、 光电传感器原理7.3 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7.3.1所示.图中,1是光源发出的光信号,2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.光电传感器设计灵活,形式多样,在越来越多的领域内得到广泛的应用. 光电传感器的敏感范围远远超过了电感,电容,磁力,超声波传感器的敏感范围.此外,光电传感器的体积很小,而敏感范围很宽,加上机壳有很多样式,几乎可以到处使用.最后,随着技术的不断发展,光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争.7.3.1 光电传感器的类型这种传感器
2、中光电元件接受的光通量随被测量连续变化,因此,输出的光电流也是连续变化的,并与被测量呈确定的函数关系,这类传感器通常有以下四种形式. 1)光源本身是被测物,它发出的光投射到光电元件上,光电元件的输出反映了光源的某些物理参数,如图7.3.2a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)恒定光源发射的光通量穿过被测物,其中一部分被吸收,剩余的部分投射到光电元件上,吸收量取决于被测物的某些参数.如图7.3.2b所示.可用于测量透明度,混浊度. 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,如图7.3.2c所示.反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态,
3、因此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.如图7.3.2d所示.这种传感器可用于工件尺寸测量,振动测量等场合.7.3.1.2 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.7.3.1.1 模拟式光电传感器图7.3.1 光电传感器原理框图 图7.3.2 模拟式光电传感器的常见形式7.3.2 光电传感器的常用光源光源是
4、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. 7.3.2.1 发光二极管发光二极管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.因此,广泛地用于计算机,仪器仪表和自动控制设备中.7.3.2.2 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,这样,可有效防止其他光线的干扰.7.3.2.3 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,
5、相干性好等优点,是很理想的光源.7.3.3 光电转换电路由光源,光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时,还必须配备适当的测量电路.测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流.不同的光电元件,所要求的测量电路也不相同.下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路.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,可用图7.3.3所示的电路.图7.3.4a给出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,温度的变化将造成电桥输出电压的漂移,必须进行补偿.图中一个光敏二
6、极管作为检测元件,另一个装在暗盒里,置于相邻桥臂中,温度的变化对两只光敏二极管的影响相同,因此,可消除桥路输出随温度的漂移.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,如图7.3.4b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,如图7.3.5a所示.为了减小晶体管基极电路阻抗变化,尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压,可在光电池两端并联一个电阻.或者像图7.3.5b所示的那样利用锗二极管产生的正向压降和光电池受到光照时产生的电压叠加,使硅管e,b极间电压大于0.7V,而导通工作.
7、这种情况下也可以使用硅光电池组,如图7.3.5c所示. 图7.3.3 光敏电阻测量电路 图7.3.4 光敏晶体管测量电路 图7.3.5 光电池测量电路 半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器.硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度,如图7.3.6a所示.当光照产生的光电流为I时,输出电压U0=IRF为了保证光敏二极管处于反向偏置,在它的正极要加一个负电压.图7.3.6b给出硅光电池的光电转换电路,由于光电池的短路电流和光照成线性关系,因此将它接在运放的正,反相输入端之间,利用这两端电位差接近于零的特点,可以得到较好的效果.在图中所示条件下,输出电压U0=2IRF. 图7.3.
8、6 使用运放的光敏元件放大电路 7.3.4 常见光电传感器及应用7.3.4.1 透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等,以相对的方向装在中间带槽的支架上.当槽内无物体时,发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上,从而产生一定大的电流输出,当有物体经过槽内时则挡住光线,光敏管无输出,以此可识别物体的有无.适用于光电控制,光电计量等电路中,可检测物体的有无,运动方向,转速等方面.防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一.为了消除工业烟尘污染,首先要知道烟尘排放量,因此必须对烟尘源进行监测,自动显示和超标报警.图7.3.7 透射型BYD3M.TDT光电传感器使用
9、示意图 图7.3.8 吸收式烟尘浊度监测系统组成框图 烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的.如果烟道浊度增加,光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加,到达光检测器的光减少.因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化.本应中应用奥托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光电传感器,其光源(发光器)与接收器不在同一个机壳内,见图7.3.7使用示意图:先将发射器和接收器对准并固定好后才可以通电(12.24)VDC;接着在ON状态设定好发射器的中心位置,然后左右上下方向调节接收器和发射器的位置;最后检测目标稳定后固定好发射器和接收器._ 图7.3.8
10、是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图:为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气与二氧二碳对光源衰减的影响,选取可见光作光源(400.700nm波长的白炽光).光检测器光谱响应范围为400.600nm的光电管,获取随浊度变化的相应电信号.为了提高检测灵敏度,采用具有高增闪,高输入阻抗,低零漂,高共模抑制比的运算放大器,对信号进行放大.刻度校正被用来进行调零与调满刻度,以保证测试准确性.显示器可显示浊度瞬时值.报警电路由多谐振荡器组成,当运算放大器输出浊度信号超过规定时,多谐振荡器工作,输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号.7.3.4.2 漫反射型光电传感器漫射型光电传感器有时
11、也称作接近传感器.在这种传感器中,发光器和接收器装在同一个机壳中.发光器发出的光线射到目标物体上,目标物体光线反射回来,什么角度的反射光都有.反射光中有一部分送回到接收器,于是便把目标物体检测出来了.由于目标物体的角度以及反射性能,发光器产生的能量大部分是损失掉,所以与镜面反射(回射)型和光束阻档型光电传感器相比,漫射型光电传感器的敏感范围比较小.虽然该类传感器装简单置,即它不需要其他的元器件,例如反射镜或者单独的接收器.但敏感范围及接收器的能力受目标物体的颜色,尺寸,表面光洁度等因素的影响较大,故此着重研究其漫射.聚焦型传感器. _7.3.4.2 .1 漫射.聚焦型传感器漫射.聚焦型传感器是
12、效率较高的一种漫射型光电传感器.发光器透镜聚焦在传感器前面固定的一点上.接收器透镜也是聚焦在同一点上.敏感的范围是固定的,取决于聚焦点的位置.这种传感器能够检测在焦点上的物体,允许物体前后偏离焦点一定距离,这个距离称作敏感窗口.当物体在敏感窗口以外,在焦点之前或者之后时便检测不到.敏感窗口取决于目标的反射性能和灵敏度的调节状况.因为所射出来的光能是聚焦在一个点上面,增益增大了很多,于是传感器很容易地就检测到窄小的物体或者反射性能差的物体,其原理示意图见7.3.9所示.具有背景光抑制功能的漫射型光电传感器只能检测一定距离的目标物体,在这个距离以外的物体它便检测不到.在各种漫射型光电传感器中,这种
13、类型的传感器敏感目标物体颜色的灵敏度是最低的.这种传感器的一个主要优点是,它不会检测背景物体.而普通的漫射型光电传感器往往会把背景物体误认为是目标物体.对于具有机械式背景光抑制功能的漫射型光电传感器,它里面有两个接收元件:一个接收来自目标物体的光,另一个接收背景光.目标接收器E1上的反射光的强度超过背景光接收器E2上的反射光时,便把目标检测出来,产生输出信号.当背景光接收器上的反射光的强度超过目标接收器上的反射光时,不检测目标,输出状态不发生变化.在距离可变的传感器中,焦点可以用机械的方法进行调节._ 对于具有电子式背景光抑制功能的漫射型传感器,在传感器中使用一只位置敏感元件(PSD)而不是使
14、用机械元件.发光器发出一束光线,光束反射回来,从目标物体反射回来的光线和从背景物体反射回来的光线到达位置敏感元件的两个不同位置.传感器对到达位置敏感元件这两点的光进行比较,并将这个信号与事先设定的数值进行比较,从而决定输出的状见图7.3.10所示. 图7.3.9漫射光聚焦型光电传感器应用原理图 图7.3.10 电子方法抑制背景光 7.3.4.2 .2 实用背景抑制漫反射光电传感器这种传感器发光器和接收器装在同一个机壳中,采用背景抑制技术,将由目标之外的物体反射光引起假切换的危险降低到最小.反射光通过传感器内一系列接收元件收集,并给出一个输出.如果目标移动并且从离预设距离更远的物体上得到反射时,
15、接收的光线角度将改变.反过来将影响接收元件的输出,并且传感器不响应.该背景抑制漫射光电传感器控制(NPN)输出线路图如7.3.11所示. 图7.3.11 镜面反射(回射)式传感器 图7.3.12 镜面反射式光电传感器工作原理图 镜面反射式光电传感器,它的发光器和接收器装在同一个机壳中,这与漫射型传感器是一样的.但是它使用一只反射镜把发光器产生的光线反射到接收器上.当目标物体阻挡了光电传感器送往反射镜的光线时,便把目标物体检测出来,见图7.3.12所示镜面反射式光电传感器工作原理图.一般地讲,与漫射型传感器相比,镜面反射式传感器的敏感距离比较大,这是因为,与大多数目标物体的反射率相比,反射镜的反射效率很高.在镜面反射式传感器中,目标物体的颜色和表面光洁度不会影响敏感距离,然而在漫射型传感器中,目标物体的颜色和表面光洁度会影响敏感距离.图7.3.13 镜面反射式光电传感器使用示意图图7.3.13为镜面反射式光电传感器使用示意图:应先将传感器和反射镜面对面安装后,连接电源;后再调节传感器或反射镜面的上下左右位置,使传感器的指示灯变亮;最后可靠安装两者后,并校对使其检测到目标;如果被测物的反射率比发射镜面高,它会发生误动作,因此,在传感器和被测物留有足够的空间,或把被测物和光轴成30.45度的角度. 7.3.4.3遮光式光电传感器遮光式光电传感器是第三种也是最后一种用光电方法进行
