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1、传感器原理与应用-第5章电子课件 （高教版）第5章 光电传感器 5.2光电传感器的应用 5.3思考题 5.1光电效应和光电元件第5章 光电传感器 光电传感器的基本转换原理是将被测量转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件而转换成电信号的输出。光电传感器可测量的参数很多，一般情况下具有非接触式测量的特点，并且光电传感器的结构简单，具有很高的可靠性且动态响应极快。随着激光光源、光栅、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器越来越广泛地应用于检测和控制领域。第5章 光电传感器5.1 5.1 光电效应和光电元件光电效应和光电元件5.1.1 光电效应及分类 光电传感器中能够将光信号转换成电信
2、号输出的元件称为光电元件。光电元件的这种特性就是光电效应。换句话说，光电效应即为光电元件在光能的激发下产生某些电特性的变化。为什么光电元件会产生光电效应呢？当前的物理学界认为，光是分离的能量团（光子）组成的，光子兼有波和粒子的特性。把光看做一个波群，这个波群可认为是一个频率为的振荡。当光照射物体时，相当于一连串具有h能量的光子轰击物体（h为普朗克恒量6.62610-34Js，为入射光的频率），由于光子与物质间的连接体是电子，则组成物体的电子吸收光子能量，才能发生相应电特性的变化。第5章 光电传感器依据光电元件发生电特性变化的不同，光电效应分为三种类型：（1）光照使电子逸出形成光电流的现象称为外
3、光电效应。基于外光电效应的典型光电元件有光电管和光电倍增管等。（2）光照使物体的导电能力发生变化的现象称为内光电效应。基于内光电效应的典型光电元件有光敏电阻和光敏晶体管等。（3）光照使物体向外输出固定的电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应的典型光电元件有光电池等。利用各种光电元件制成的光电传感器广泛用于转速、位移、温度、浓度、浊度、距离等参数的测量，还可用于产品的计数、机床的保护装置等。随着电子工业的发展，新光源、新光电元件（如光导纤维、电荷耦合摄像、光电位置敏感元件）的出现，使光电传感器应用范围日趋扩大，不仅能测量一维量而且能够测量二维量，直接获得图形符号。光电传感器是一种很有发展前途
4、的传感器。第5章 光电传感器5.1.2 光电元件为了更好地分析和使用光电传感器，对于各类典型的光电元件及其原理简述如下。1光电管图5-1 常见的光电管外形图1阳极A；2阴极K；3玻璃外壳；4管座；5电极引脚；6定位销常见的光电管外形如图5-1所示，阳极与阴极封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极上，阴极表面电子吸收光子的能量，当其自身能量足以克服阴极束缚力的时候，就会逸出阴极表面，如果在阴极与阳极之间加以正向电压，逸出的电子就会定向射向阳极而形成光电流。这一过程可以用爱因斯坦方程来表示，即式中，为电子质量；为电子逸出时的初速度；为逸出功，即克服阴极表面对电子的束缚力而做的功，不同的材料，其逸出
5、功不同。第5章 光电传感器图5-1 常见的光电管外形图1阳极A；2阴极K；3玻璃外壳；4管座；5电极引脚；6定位销 由上式可以发现，光电子逸出物体时所具有的动能，与入射光的频率有关，与材料有关。因此，对某种材料的光电管而言，若想在光照下有光电流生成，不仅需要在阳极与阴极间加有正向电压，还需要入射光有足够的能量。为了保证这一点，入射光的频率必须大于某一极限，即 这一频率称为“红限”。由此可以看出，光电管形成光电流需要两个条件：一是要有足够的光照而克服逸出功，即入射光频率大于红限；二是阳极与阴极之间外加正向电压。第5章 光电传感器 光电管的图形符号及测量电路如图5-2所示。负载电阻RL与光电管串联
6、接入电路，该电阻上的压降随光电流的大小而变化，而光电流的大小又直接反映了光照强度的变化，从而利用光电管实现光电信号的转换。光电管在工业测量中多用于紫外线测量、火焰监测等场合。光电管的灵敏度较低，因此，在微光测量中，常常使用光电倍增管。图5-2 光电管图形符号及测量电路 第5章 光电传感器2光电倍增管图5-3为光电倍增管的结构、图形符号和光电特性。光电倍增管在普通光电管阴、阳极的基础上，又加入了光电二次发射的倍增极。这些光电倍增极上面有着Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料。在工作时，这些电极的电位逐级提高，当光照射阴极时，阴极的光电子受第一倍增极VD1正电位的作用，加速并打在VD1上，由VD1产生
7、的二次发射电子，在更高电位的VD2极的作用下，又加速射到VD2极上，在VD2极又将产生二次发射，这样逐级加速，一直到最后到达阳极为止。若每级的倍增率均为，且倍增极的个数为n个，则该光电倍增管的灵敏度将是普通光电管的n倍。一般光电倍增管的倍增极有914个。光电倍增管的输出特性（光电特性）基本上是一条直线，如图5-3（c）所示。在激光测量中，光电倍增管的应用相当广泛。第5章 光电传感器图5-3 光电倍增管结构、图形符号及光电特性第5章 光电传感器3光敏电阻 在半导体光敏材料两端装上电极导线，并将其封装在带有透明窗口的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的种类繁多，一般由金属的硫化物、硒化物等材料制成（
8、如硫化镉、硫化铅、硫化铊、硒化镉、硒化铅等）。光敏电阻结构示意图及图形符号如图5-4所示。图5-4 光敏电阻结构示意图及图形符号第5章 光电传感器金属的硫化物、硒化物等材料在黑暗的环境下，具有很高的电阻值。但当受到光照射时，若光辐射能量足够大，阻值降低，导电性能增强。光敏电阻两极间加上电压，便有电流流过，若有光照，电流将增加。光敏电阻常做得很薄，因其光电效应只限于受光照的表面层。为了提高光敏电阻灵敏度，常将电极做成梳状，并将其严密封装在壳体中，以免受潮。在外壳的入射中，常用专用的滤光件，避免其他光线的干扰。光敏电阻具有很高的灵敏度，测量入射光的范围可以从紫外线区域到红外线区域，且体积小，性能稳
9、定，广泛应用于自动化技术中。第5章 光电传感器4光敏二极管图5-5所示为光敏二极管的结构与符号，其文字符号可以用D或VD表示。光敏二极管的结构与一般二极管相似，是两层半导体元件，一个PN结，PN结装在透明管的顶部，直接接受光照。光敏二极管在电路中处于反向偏置状态，没有光照时，由于PN结反偏，所以光敏二极管截止，反向电流很小（暗电流）。当有光照射到二极管的PN结时，PN结附近产生电子-空穴对，并在外电场和内电场的共同作用下，漂移越过PN结，产生光电流。此时，光电流与光照度成正比，光敏二极管处于导通状态。图5-5 光敏二极管结构与符号第5章 光电传感器5光敏三极管光敏三极管的结构、电路符号和开关电
10、路如图5-6所示。光敏三极管由三层半导体组成，形成两个PN结。它与普通三极管不同，通常只有两根电极引线，如图5-6（a）所示。当光线通过透明窗口照在集电结上时，会使集电结反偏、发射结正偏。此时在集电结附近产生电子-空穴对。电子受集电结电场吸引流向集电区，基区留下空穴。由于空穴带正电，则基区电位升高，使电子从发射区流向基区。又由于基区很薄，只有一小部分从发射区来的电子与基区的空穴结合，大部分电子越过基区流向集电区，这一过程与普遍三极管放大基极电流的作用很相似。所以，光敏三极管放大了光电流，它的灵敏度比光敏二极管高出许多。光敏三极管电路符号如图5-6（b）所示。利用光敏三极管可以实现简单的光电开关
11、，电路图如5-6（c）所示。图中两个光电开关在有光照和无光照的条件下，实现的开关状态截然相反。第5章 光电传感器图5-6 光敏三极管结构、电路符号和开关电路图第5章 光电传感器6光电池 光电池是一种自发电式的光电元件，为有源器件。当光电池受到光照时，会产生一定方向的电动势，在测量时，无需外接电源。光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓等。其中硅光电池具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好等优点，是应用最多的一种。第5章 光电传感器 硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一薄层P型杂质，从而形成一个大面积的PN结。P型区的多子是空穴，而N型区的多子是电子。当P型区与N
12、型区接合时，双方的多子分别向各自浓度低的一方自由扩散，使空穴和电子分别集结在PN结的N型和P型一边，在PN结的附近形成一个电场，该电场阻止空穴、电子的进一步扩散。当入射光照在P型层上，由于P型层薄，入射光能穿透而到PN结上，在PN结附近激发出电子空穴对，电子空穴对的浓度由表及里逐渐下降。在PN结内电场的作用下，扩散到PN结附近的电子空穴对分离，电子被拉到N型区，空穴留在P型区，至使N区带负电，P区带正电，两者之间形成电位差。若光照连续，PN结两侧就有一个稳定的电动势输出。图5-7所示为光电池的结构和图形符号。图5-7 光电池结构与图形符号第5章 光电传感器5.2 5.2 光电传感器的应用光电传
13、感器的应用 光电传感器可以用于很多领域。被测量作用在光电元件上被转换成电信号，电信号分为两类：第1类是连续变化的电信号；第2类是断续变化的电信号。因此，光电传感器也分成两类。第1类光电传感器：将被测量转换成连续变化的电信号的这类传感器，依据被测物、光源和光电元件三者的关系，其结构分为以下四种类型。（1）被测物作为光源，光电元件的输出反映被测物的某些特性参数。如光电比色高温计，被测物的温度（高温）反映在它向外辐射的光的波长不同。（2）恒光源发出的光照到被测物，被测物反射光的能力由被测量决定，如光电式粗糙度计和白度计等。（3）恒光源发出的光照到被测物，被测物透射光的能力由被测量决定，如光电式浊度计
14、。（4）恒光源发出的光在照到光电元件的过程中，遇到被测物被遮蔽了一部分，被测物的某些物理量改变遮蔽的能力，如测量工件尺寸等。第5章 光电传感器在图5-8中，分别示出这四种类型的光电传感器结构，反映了上述几种情况。图5-8 光电传感器的结构1被测元件；2光电元件；3恒光源 第2类光电传感器：把被测量转换成断续变化的光信号，系统输出为开关量的电信号。这种类型传感器中，最典型的是光电转速表。下面介绍几种光电传感器应用实例。第5章 光电传感器5.2.1 光电式转速表 光电式转速传感器的结构原理如图5-9所示。这种传感器的输入轴与待测轴相连接，光通过开孔盘和缝隙板照射到光电元件上。开孔盘上有很多个小孔（
15、如20,30,60），开孔盘每转一周，光电元件接受光的次数等于盘上的开孔数。如开孔数为60，记录过程的时间为t秒，总脉冲数为N，则转速 （r/min）。这样，光电式转速传感器就把旋转轴的转速变成相应频率的脉冲，用测量电路测出脉冲频率，由频率值就可得出所测的转速值。光电脉冲变换电路原理图如图5-10所示。图中VT1是光敏三极管，有光照时，光电流增加使VT2导通，VT3和VT4组成射极耦合触发器，VT2的导通使Uo输出为高电平；反之，Uo为低电平。Uo被送到测量电路进行计数。第5章 光电传感器图5-9 光电式转速传感器结构原理图1开孔盘；2缝隙板；3光敏元件；4光源图5-10 光电脉冲变换电路原理
16、图第5章 光电传感器 测量电路由计数器、寄存器、分频器、晶振等通用电路和控制电路组成。控制电路由控制双稳、闭锁双稳、显示单稳、复位控制电路和寄存控制电路组成。数字式转速表原理方框图如图5-11所示。在起始状态，控制双稳和闭锁双稳都处于左管截止、右管导通的状态，即Q1与Q2都为低电平，此时，计数器关闭。在t1时刻，秒脉冲输入控制双稳，控制双稳被触发翻转，Q1变成高电位，此时计数门打开，输入脉冲经计数门进入计数器被计数。在t2时刻，秒脉冲信号控制双稳再翻转，Q1又回到低电位。它有以下作用：第5章 光电传感器（1）关闭计数门，计数器停止计数；（2）闭锁双稳触发翻转，Q2为高电位，使与门关闭，以后的秒
17、脉冲不能触发控制双稳；（3）寄存控制电路Q4产生一个高电平，打开寄存器，将计数器结果送入寄存器，并通过译码输出测量结果；（4）Q3触发显示单稳，使Q3输出高电平，延时一段时间至t3时刻，Q3从高电位又重新回到低电位，触发复位控制电路输出一个高电位，使计数器复位，同时，使闭锁双稳复位，Q2又变成低电位，与门打开，等待下一次测量。第5章 光电传感器5.2.2 光电式边缘位置检测传感器边缘位置检测原理和电路图如图5-12所示，用来检测带材在加工过程中是否偏离标准位置。图5-12（a）中，光源1发出的光线2汇聚为平行光束，投向透镜3，中途会被带材5遮挡一部分，剩下的光线经透镜3汇聚照在光敏电阻4上，它
18、就是图5-12（b）中的R1。R1,R2型号相同，R2用遮光罩罩住，R2的电阻值与带材不偏时的R1相等。这两个光敏电阻与平衡电阻R3,R4组成电桥，当被测带材没有偏离标准位置时，因为R1R2，R3R4，所以A,B两点电位相等，电桥平衡输出电压为零。若带材左（右）偏，带材遮挡光线部分减少（增多），光敏电阻阻值变小（变大），A点电位升高（降低），B点电位不变，经差动放大电路输出电压为负（正）。输出电压极性反映了带材偏离的方向，输出电压的大小反映了带材偏离标准位置的距离大小。第5章 光电传感器图5-12 边缘位置检测原理和电路图第5章 光电传感器5.2.3 光电断续器 光电断续器是用来检测物体靠近、
19、通过等状态的光电传感器。它的检测距离只有几毫米至几十毫米，广泛应用于自动控制系统、生产线、办公设备和家用电器中。光电断续器目前已经集成化和系统化，它的工作原理如图5-13所示。图5-13 光电断续器工作原理图1发光二极管；2光线（通常是红外光）3光敏元件；4槽；5被测物第5章 光电传感器 光电断续器在发光侧使用发光二极管，在受光侧使用光电二极管，并将信号处理电路（放大、稳压、触发器等）集成制作在一块芯片上。它的特点是体积小，可靠性高，接口电路的复杂程度大幅度减少，可直接与TTL，LSTTL和CMOS电路芯片连接，工作电源电压范围宽（VCC=4.5V16V）。光电断续器有单输出型GP1A01和双
20、输出型GP1A06，这两种产品性能列于表5-1中。第5章 光电传感器第5章 光电传感器 GP1A01在磁带录像机、打印机、软盘等器材中用做时标检测控制，GP1A06可用于音响设备的磁带计数、电子钟检测转数和转动方向。图5-14为GP1A06的原理图，用于检测转数和转动方向，测量电路如图5-15所示。图5-14 GP1A06原理图图5-15 GP1A06测量电路第5章 光电传感器 被测旋转圆盘置于光电断续器的发光与受光侧之间，圆盘上有许多狭缝，圆盘旋转，光源发出的光间隔地被狭缝遮挡，受光侧得到断续的强光和弱光信号。若没有旋转圆盘旋转，光路检测的光束没有被遮挡，测量电路中，Uo1,Uo2的输出电压
21、波形是相同的，相位也是相同的。若圆盘旋转，GP1Ao6的输出电压波形如图5-16所示，圆盘转动方向若向左，Uo2输出电压相位落后于Uo1；反之，圆盘向右旋转，Uo2输出电压相位超前于Uo1。因此，两个输出电压的相位关系决定旋转方向，圆盘的转速可以通过Uo2输出脉冲个数得到。图5-16 GP1A06输出电压波形图第5章 光电传感器光电断续器应用实例如图5-17所示。其中图（a）用于防盗门的位置检测；图（b）是印刷设备中的印件送至检测；图（c）是线料连续检测；图（d）是标签检测；图（e）是物体接近检测。图5-17 光电断续器应用实例第5章 光电传感器5.2.4 光电耦合器 光电耦合器是由一发光元件
22、和一光电元件同时封装在一个外壳内组合成的转换元件。1光电耦合器的结构 光电耦合器有两种结构，如图5-18所示。图（a）是金属密封型，它采用金属外壳和玻璃绝缘，其中心装片用环焊保证发光管和光敏管对准，以提高灵敏度；图（b）是塑料封装结构，管芯先装于管角上，中间用透明树脂固定，具有聚光作用，这种结构灵敏度较高。图5-18 光电耦合器的结构第5章 光电传感器 光电耦合器的发光元件常用砷化镓发光二极管。当PN结加正向电压，引起载流子的相遇、复合而释放出能量，这种能量是以发光的形式表现出来的。常用的光电耦合器有以下四种组合方式，如图5-19所示。图（a）的结构简单、成本低，常用于50kHz以下的工作装置
23、内。图（b）是高速光电耦合器，用于较高频率装置内。图（c）采用三极管构成高传输效率的光电耦合器，用于较低频率装置中。图（d）是具有高速高效率的光电耦合器，它是用固定功能器件构成的。随着半导体器件的发展，目前已有将光敏元件和发光元件做在同一半导体基片上的集成光电耦合器。无论哪种结构，为保证灵敏度，发光元件与光电元件在波长上，都要达到最佳匹配。图5-19 光电耦合器组合方式第5章 光电传感器2光电耦合器的应用 光电耦合器输入直流电流，输出也是直流电流，在输入与输出之间没有构成通路，而是靠一种电量转换，将输出回路与输入回路隔离，因此避免了输入回路的干扰进入输出回路。目前，工业控制中常使用的可编程序控
24、制器使用了光电耦合器作为输入部件，大大提高了抗干扰能力。此外，光电耦合器用于数字逻辑电路的开关信号传输和计算机中二进制的输入、输出信号传输；还可用在逻辑信号驱动电路中，以防止感性负载尖噪声的反馈元件等。第5章 光电传感器5.3思考题思考题5.1 以光电管为例，解释光电效应的本质。5.2 光电传感器在原理上可以分为哪几类？举例说明。图5-20 光电开关电路图5.3 图5-20是一个以光敏二极管VD1、反向器CD40106、三极管VT组成的光电开关电路图，分析电路的工作原理，说明RP和VD2的作用。5.4 试设计一个光电传感器，测量直线运动物体的速度，画出结构原理图，并说明工作原理。5.5 试用光电传感器，利用光线的反射作用，设计一个转速测量传感器，并画出测量原理框图。第5章 光电传感器5.6 图5-21是光电式浊度计原理图，图中1,2组成恒光源，通过半反半透镜3，得到两束光强相同的光束；4是反光镜；5是被测水样；8是标准水样；6,9是光电元件；7,10是I/V转换电路；11是运算器；12是显示器。试分析其测量原理。图5-21 光电式浊度计原理图