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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。光电式传感器-光电式传感器一. 传感器传感器的定义及组成传感器是一种能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。常用的传感器的输出信号多易于处理的电量，如电压、电流、频率等。图1-1传感器的组成框图图中的敏感原件是在传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成与测量有确定关系的、更易于转换非电量。这一非电量通过传感元件后就被转换成电参量。测量转化电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。应该指出，不是所有的传感器都是敏感、传感元件
2、之分，有些传感器是将两者合二为一的。二、传感器的分类传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：1.按被测量分类可分为位移、力、力矩、转矩、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。2.按测量原理分类可分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。三、传感器基本特性传感器的特性一般指输入、输出特性。它有静态、动态之分。下面介绍其静态特性的一些指标。1灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用K来表示。K=dy/dxy/x式中y输出量的变化值x输入量的变化值对于线性传感器而言，灵敏度为一切常熟。对于非线性传感器而言，灵敏度随输入量的变化
3、而变化。2.分辨力分辨力是指传感器能检测出被测信号的最小变化量。3.线性度线性度是指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。4.稳定性稳定性包含稳定度和环境影响量两个方面5.电磁兼容性6.可靠性第二节光电式传感器光电式传感器的原理、结构及参数一、理论基础光电效应光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h
4、为普朗克常数，h6.63*10-34J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hA。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为式中，c为光速，A为逸出功。二、光电元件及特性根据外光电元件制造的光
5、电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。1.光电管光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图1所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极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h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电
6、管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图2所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电阴极K上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I，在负载电阻上的电压光电管的光电特性如图3所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。图3光电管的光电特性图2光电管测量电路图1光电光结构示意图2.光电倍曾管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。图4是光电倍增管结构示意图。图4光电倍增结构示意图从图中可以看到光电
7、倍增管也有一个阴极K和一个阳极A，与光电管不同的是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、，倍增电极通常为1015级。光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。当入射光照射阴极K时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极D1加速，以高速轰击D1，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以产生多个二次电子，D1发射出的二次电子又被D1、D2问的电场加速，射向D2并再次产生二次电子发射，这样逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。若倍增电极有n级，
8、各级的倍增率为，则光电倍增管的倍增率可以认为是N，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。3、光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下：1）暗电阻光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。2)亮电阻光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。4、伏安特性光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间
9、的关系称为伏安特性，如图5所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。图5光敏电阻的伏安特性5、光电特性光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。三、光电传感器的构成光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收
10、器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。光纤(又称光导纤维LWL)，它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。四、分类和工作方式1槽开光电开关把一个光发射器和一个接收
11、器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。2对射式光电开光若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。3反光板反射式光电开关把发光器和收光器装入同
12、一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。4扩散反射式光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。5光纤式光电开关把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。第三节光电式传感器的应用-