光电传感器final.ppt

1 光电式传感器 2 光电传感器的构成 光源 光学通路 光电元件 应用 1 光量变化的非电量 2 能转换成光量变化的其他非电量 特点 非接触 响应快 性能可靠 被测量的变化 光信号的变化 电信号的变化 3 光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式 即辐射式 直射式 吸收式 遮光式 反射式 4 5 6 7 1概述 1 1光的特性 光波是波长为10 106nm的电磁波 1000 000nm 10nm 780nm 380nm 可见光 红外光 紫外光 性质 光都具有反射 折射 散射 衍射 干涉和吸收等性质 8 1905年 爱因斯坦提出了光子假设 光在空间传播时 是不连续的 也具有粒子性 即一束光是一束以光速运动的粒子流 爱因斯坦把这些不连续的量子称为 光量子 1926年 美国物理学家刘易斯把这一名词改称为 光子 并沿用至今 每个光子的能量为E h 可见 光的频率愈高 光子的能量愈大 9 2 2光源 发光器件 1 白炽光源 最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源 一般白炽灯的辐射光谱是连续的 发光范围 320nm 2500nm 所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号 特点 寿命短而且发热大 效率低 动态特性差 但对接收光敏元件的光谱特性要求不高 是可取之处 10 2 气体放电光源 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电灯 它的光谱是不连续的 光谱与气体的种类及放电条件有关 改变气体的成分 压力 阴极材料和放电电流大小 可得到主要在某一光谱范围的辐射 11 汞灯 氢灯 钠灯 镉灯 氦灯是光谱仪器中常用的光源 统称为光谱灯 例如低压汞灯的辐射波长为254nm 钠灯的辐射波长为589nm 可被用作单色光源 如果光谱灯涂以荧光剂 由于光线与涂层材料的作用 荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长 通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长 如照明日光灯 气体放电灯消耗的能量为白炽灯1 2 1 3 12 构成 由半导体PN结构成 特点 工作电压低 响应速度快 寿命长 体积小 重量轻 因此获得了广泛的应用 3 发光二极管 LED LightEmittingDiode 13 N P 原理 当加正向电压时 势垒降低 电子由N区注入到P区 和P区里的空穴复合 空穴则由P区注入到N区 和N区里的电子复合 这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出 因而发光 14 15 4 激光器激光 Laser Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation 是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一 具有高方向性 高单色性 高亮度和高的相干性四个重要特性 激光波长一般从0 15 m到远红外整个光频波段范围 X 射线激光器 16 激光器种类繁多 按工作物质分类 固体激光器 如红宝石激光器 气体激光器 如氦 氖气体激光器 二氧化碳激光器 液体激光器 染料激光器 半导体激光器 如砷化镓激光器 17 2 1外光电效应 在光的作用下 物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应 2光电效应 两类 外光电效应和内光电效应 18 1887年 首先是赫兹 M Hertz 在证明波动理论实验中首次发现的 1902年 勒纳 Lenard 也对其进行了研究 指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象 但无法根据当时的理论加以解释 1905年 爱因斯坦提出了光子假设 19 20 2 2内光电效应当光照在物体上 使物体的电导率发生变化 或产生光生电动势的现象 分为光电导效应和光生伏特效应 光伏效应 1 光电导效应在光线作用下 电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态 而引起材料电导率的变化 21 22 基于这种效应的光电器件有光敏电阻 23 光生伏特效应 在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象 基于该效应的器件有光电池和光敏二极管 三极管 24 3 1光电管及其基本特性 结构与工作原理 3外光电效应器件 25 26 将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方 27 光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件 由于它可把太阳能直接转变为电能 因此又称为太阳能电池 它有较大面积的PN结 当光照射在PN结上时 在结的两端出现电动势 故光电池是有源元件 28 29 光电传感器的应用 1灯光亮度自动控制器 图7 29灯光亮度自动控制器原理图 30 灯光亮度自动控制器的电路框图如图7 29所示 它主要由环境光照检测电桥 放大器 积分器 比较器 过零比较器 锯齿波形发生器 双向晶闸管等组成 过零比较器对50Hz市电电压的每次过零点进行检测 并控制锯齿波发生器使其产生与市电同步的锯齿波电压 加在比较器的同相输入端 由光敏电阻与电阻构成的电桥将环境光照的变化转换成直流电压的变化 该电压经放大并由积分电路积分后加到比较器的反相端 其数值随环境光照的变化而缓慢地成比例的变化 上述两个电压经比较器比较后 由比较器输出端得到脉冲宽度随环境光照度变化而变化的与市电频率不同步的控制信号 利用这个控制信号 其脉冲宽度反比于环境光照度 触发晶闸管 改变晶闸管的导通角 便可使灯光的亮度随光照度作相反的变化 从而达到按照环境光照度自动调节照明灯亮度的目的 使室内照明自动保持在最佳状态 避免人们产生视觉疲劳 31 2工件计数装置 图7 30工件计数装置 32 3邮政信函过戳装置 图7 31邮政信函过戳装置 33 邮政信函过戳装置是利用光敏三极管控制过戳机构的通断来自动实现信函过戳 其电路原理图如图7 31所示 当信函未到来时 光源的光线照在光电三极管上 光电流增大 使三极管VT1导通饱和 三极管VT2截止 继电器释放 过戳机构不动作 当信函到来把光线挡住 光电三极管的电流为暗电流 由于暗电流很小 使三极管VT1截止 三极管VT2导通 继电器吸合使常开触点闭合 过戳机构动作 所以每当信函来到 均把继电器吸合使信函过戳 34 4条形码扫描笔 图7 33扫描笔输出序列图7 32条形码扫描笔结构 35 5烟尘浊度监测仪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 烟道里的烟尘浊度是用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 因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化 36 平行光源 光电探测 放大 显示 刻度校正 报警器 吸收式烟尘浊度检测系统原理图 烟道 37 6光电转速传感器 下图是光电数字式转速表的工作原理图 图 a 是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘 在调置盘一边由白炽灯产生恒定光 透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上 转换成相应的电脉冲信号 经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号 转速由该脉冲频率决定 在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘 它们具有不同的反射率 当转轴转动时 反光与不反光交替出现 光电敏感器件间断地接收光的反射信号 转换为电脉冲信号 38 7光电池应用光电池主要有两大类型的应用 将光电池作光伏器件使用 利用光伏作用直接将大阳能转换成电能 即太阳能电池 这是人们探索新能源的一个重要研究课题 太阳能电池已在宇宙开发 航空 通信设施 太阳电池地面发电站 日常生活和交通事业中得到广泛应用 随着太阳电池技术不断发展 成本会逐渐下降 太阳电池将获得更广泛的应用 将光电池作光电转换器件应用 需要光电池具有灵敏度高 响应时间短等特性 但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率 这一类光电池需要特殊的制造工艺 主要用于光电检测和自动控制系统中 光电池应用举例如下 39 2 光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池作为光电探测使用时 其基本原理与光敏二极管相同 但它们的基本结构和制造工艺不完全相同 由于光电池工作时不需要外加电压 光电转换效率高 光谱范围宽 频率特性好 噪声低等 它已广泛地用于光电读出 光电耦合 光栅测距 激光准直 电影还音 紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等 40 a 光电追踪电路 12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 图 a 为光电地构成的光电跟踪电路 用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件 当入射光通量相同时 执行机构按预定的方式工作或进行跟踪 当系统略有偏差时 电路输出差动信号带动执行机构进行纠正 以此达到跟踪的目的 光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路 41 红外传感器 一 红外辐射 红外辐俗称红外线 它是一种不可见光 由于是位于可见光中红色光以外的光线 故称红外线 它的波长范围大致在0 76 1000 m 红外线在电磁波谱中的位置如图8 15所示 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分 即近红外 中红外 远红外和极远红外 42 电磁波谱图 43 物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度 固体在温度升高时颜色的变化 例子 低温火炉辐射能集中在红光 高温物体辐射能集中在绿 蓝色 炉火纯青 44 红外传感器一般由光学系统 探测器 信号调理电路及显示单元等组成 红外探测器是红外传感器的核心 红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的 红外探测器的种类很多 按探测机理的不同 分为热探测器和光子探测器两大类 二 红外探测器 45 热探测器的工作机理是 利用红外辐射的热效应 探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高 进而使某些有关物理参数发生相应变化 通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射 与光子探测器相比 热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低 响应时间长 但热探测器主要优点是响应波段宽 响应范围可扩展到整个红外区域 可以在常温下工作 使用方便 应用相当广泛 1 热探测器 46 光子探测器的工作机理是 利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用 从而改变电子的能量状态 引起各种电学现象 这种现象称为光子效应 根据所产生的不同电学现象 可制成各种不同的光子探测器 光子探测器有内光电和外光电探测器两种 后者又分为光电导 光生伏特和光磁电探测器等三种 光子探测器的主要特点是灵敏度高 响应速度快 具有较高的响应频率 但探测波段较窄 一般需在低温下工作 2 光子探测器 47 一 红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的 当物体的温度低于1000 时 它向外辐射的不再是可见光而是红外光了 可用红外探测器检测其温度 如采用分离出所需波段的滤光片 可使红外测温仪工作在任意红外波段 应用举例 48 图8 17是目前常见的红外测温仪方框图 它是一个包括光 机 电一体化的红外测温系统 图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统 滤光片一般采用只允许8 14 m的红外辐射能通过的材料 步进电机带动调制盘转动 将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线 红外探测器一般为 钽酸锂 热释电探测器 透镜的焦点落在其光敏面上 被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上 红外探测器将红外辐射变换为电信号输出 49 图红外测温仪方框图 50 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的 不同气体其吸收波段 吸收带 不同 图18给出了几种气体对红外线的透射光谱 从图中可以看出 CO气体对波长为4 65 m附近的红外线具有很强的吸收能力 CO2气体则发生在2 78 m和4 26 m附近以及波长大于13 m的范围对红外线有较强的吸收能力 如分析CO气体 则可以利用4 26 m附近的吸收波段进行分析 二 红外线气体分析仪 51 图18几种气体对红外线的透射光谱 52 图19是工业用红外线气体分析仪的结构原理图 该分析仪由红外线辐射光源 气室 红外检测器及电路等部分组成 光源由镍铬丝通电加热发出3 10 m的红外线 切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线 以便于红外线检测器信号的检测 测量气室中通入被分析气体 参比气室中封入不吸收红外线的气体 如N2等 红外检测器是薄膜电容型 它有两个吸收气室 充以被测气体 当它吸收了红外辐射能量后 气体温度升高 导致室内压力增大 53 图19红外线气体分析仪结构原理图 54 三 火焰探测报警器 55 四 燃气热水器中脉冲点火控制器 56 本章小结 1 光电效应 57 2 光敏电阻 光敏电阻纯粹是个电阻 没有极性 光敏电阻可以在交流 直流电路中工作 它的参数有暗电阻 亮电阻 光电流 它的特性有光电特性 光谱特性 伏安特性 频率特性 光敏电阻的光电特性为非线性 58 3 光敏二极管 光敏二极管的管芯是一个具有光敏特性的PN结 在反向电压下工作 无光照时只有很小的暗电流 管截止 有光照时有光电流 管导通 光电流随光强的增加线性地增加 59 4 光敏三极管 光敏三极管可以看成普通三极管的集电极用光敏二极管替代的结果 基极通常不引出 只有两个电极 无光照射时的暗电流相当于普通三极管的穿透电流 有光照射集电结附近的基区时 激发出新的电子 空穴时 经放大形成光电流 60 5 光敏晶体管 光敏晶体管的基本特性有光谱特性 伏安特性 光电特性 频率特性等 光敏电阻 光敏二极管和三极管具有很多共性 不同的半导体材料具有不同的光谱特性 每种半导体产生光电效应都有一个最大波长的限制 也都有最高灵敏度的光波长 61 6 红外线 红外线的特点 1 在整个电磁波段中 红外线波段的热功率最大 2 红外辐射被物体吸收后 很快转换成热量 使物体的温度升高 3 物体加热后可以向外辐射红外电磁波