電氣檢測技術(shù)49課件

4.9光電式傳感器

光電傳感器是一種將光能量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器，基本結(jié)構(gòu)如下圖，物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。電氣檢測技術(shù)2一、光電效應(yīng)及其器件光電效應(yīng)：

光照射在某些物質(zhì)上，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而釋放電子的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。被釋放的電子叫光電子；能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料；根據(jù)光電效應(yīng)制造的轉(zhuǎn)換元器件稱為光電元件或光敏元件。光電效應(yīng)的分類：外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)三種。

電氣檢測技術(shù)3結(jié)論

1)電子吸收能量大于逸出功A才能產(chǎn)生外光電效應(yīng)。臨界條件下，光子能量等于逸出功，此時(shí)光子的頻率為產(chǎn)生外光電效應(yīng)的固有頻率。不同光電材料具有不同的固有頻率。當(dāng)光子的頻率大于光電材料的固有頻率時(shí)，才可能產(chǎn)生外光電效應(yīng)。

2)光電材料電子逸出功A為常數(shù)，光電子初始動(dòng)能取決于光子頻率，與光強(qiáng)無關(guān)。對(duì)外光電效應(yīng)器件，沒有陽極電壓也產(chǎn)生光電流。為使光電流為零，須加反向截止電壓，且該截止電壓應(yīng)與入射光的頻率成正比。電氣檢測技術(shù)5

3)入射光頻譜成分不變時(shí)，光電流與光強(qiáng)度成正比。

4)電子一次性吸收光子的全部能量，光電子發(fā)射極為迅速，無需能量存儲(chǔ)時(shí)間。

根據(jù)外光電效應(yīng)的特性制成的光電元件有光電管、光電倍增管等。電氣檢測技術(shù)61、光電管真空光電管：真空玻璃管內(nèi)密封有光電陽極A和光電陰極K，K上涂有逸出功較小的光電發(fā)射材料。光照射在K上時(shí)，電子從陰極表面逸出，在外加電場的作用下，在外電路產(chǎn)生光電流I，在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的壓降為輸出電壓U0。電氣檢測技術(shù)7

真空光電管穩(wěn)定性好，惰性小，溫度系數(shù)?。浑S著光電技術(shù)發(fā)展，靈敏度也不斷提高，由于放大技術(shù)的提高，對(duì)靈敏度要求也不再特別嚴(yán)格；在一般的自動(dòng)檢測過程中，都要求檢測元件受溫度影響要小，靈敏度穩(wěn)定，大部分自動(dòng)檢測中，都采用真空光電管。

電氣檢測技術(shù)92、光電倍增管光電倍增管具有電流放大作用。工作原理圖如圖：電氣檢測技術(shù)10

光電倍增管由光電陰極、光電陽極及倍增極組成，倍增極成為“次陰極”；陰極發(fā)出光電子在電場加速下，打到第一倍增極，引起第二次電子發(fā)射；上一倍增極的光電子打到下一個(gè)倍增極上時(shí)，激發(fā)出的光電子為原來光電子數(shù)目的3-6倍；

電氣檢測技術(shù)11主要參數(shù)1)倍整系數(shù)

式中：為各次陰極電子收集率

為總的電子收集率為各次陰極的電子倍增系數(shù)

電氣檢測技術(shù)132)陰極靈敏度和總靈敏度每一個(gè)光子在陰極上能激發(fā)的平均光電子數(shù)，稱為陰極靈敏度；每一個(gè)光子激發(fā)陰極后，在陽極上能收到光電子的平均數(shù)，稱為光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的靈敏度很高，最高靈敏度可達(dá)到10A/lm(lm-流明，光通量單位)，不能受強(qiáng)光，否則易損壞。電氣檢測技術(shù)143)

暗電流使用光電倍增管時(shí)，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對(duì)入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其他因素的影響，即使沒有光信號(hào)輸入，在加上電壓后，陽極仍有電流，這種電流被稱為暗電流。暗電流隨環(huán)境溫度的升高而增大。不過這種暗電流通常可以采用補(bǔ)償電路加以消除。電氣檢測技術(shù)15光電阻的主要參數(shù)：1)

暗電阻和亮電阻一定溫度下，無光照時(shí)的零功率電阻(無外加電壓)稱為暗電阻；一定溫度下，受光照時(shí)的零功率電阻(無外加電壓)稱為亮電阻；光電阻的暗電阻的阻值在兆歐數(shù)量級(jí)上，而亮電阻的阻值在千歐以下，通常，暗電阻越大，亮電阻越小，光電阻的靈敏度越高。電氣檢測技術(shù)172)

暗電流與亮電流在一定的外加電壓下流過暗電阻的電流稱為暗電流，相應(yīng)的，流過亮電阻的電流稱為亮電流。通常亮電流較之于暗電流要大。3)光電流在相同的外部條件下(指外加電壓)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。4)靈敏度無光照時(shí)的電阻與有光照時(shí)的阻值的相對(duì)變化量稱為光電阻靈敏度。電氣檢測技術(shù)18(三)光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體受光照射時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的光電器件：

1、光電池

2、光電二級(jí)管

3、光電三極管

4、光控晶閘管

5、光電耦合器電氣檢測技術(shù)192、光電二極管結(jié)構(gòu)和工作原理與光電池類似，光電二極管的受光點(diǎn)在PN結(jié)處。3、光電三極管光電三極管有兩個(gè)PN結(jié)，受光點(diǎn)在基—集電極的PN結(jié)光電三極管的靈敏度要比光電二極管的靈敏度高。電氣檢測技術(shù)21

4、光耦合器利用發(fā)光二極管單向?qū)щ娦?，在發(fā)光二極管VD上加正電壓后，PN結(jié)內(nèi)電場降低，載流子的擴(kuò)散大與漂移運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴注入N區(qū)，N區(qū)的電子注入P區(qū)，電子與空穴相復(fù)合而產(chǎn)生能量，釋放的能量以單色光的形式出現(xiàn)，該單色光被光敏三極管接收，能量足夠大時(shí)，光敏三極管V導(dǎo)通，使得電流增加，電流在負(fù)載上的壓降即為輸出電壓。

電氣檢測技術(shù)22二、光電器件的特性

1、光照特性

2、光譜特性

3、伏安特性

4、頻率特性

5、溫度特性

電氣檢測技術(shù)232、伏安特性

在一定的光通量或光照度下，所產(chǎn)生的光電流與外加電壓之間的關(guān)系，即各種典型光電元件的伏安特性曲線如下圖。圖中：

a、真空光電管

b、光電倍增管

c、光電阻

d、光電池

e、光電三極管

電氣檢測技術(shù)25電氣檢測技術(shù)26說明

1)真空光電管、光電倍增管和光電三極管的伏安特性與晶體三極管的伏安特性相似，僅以入射光的強(qiáng)度代替晶體三極管的基極電流而已。2)從光電阻的特性曲線看，有無光照伏安特性曲線有較大區(qū)別，且在一定光照下，外加電壓升高到一定程度時(shí)，光電阻會(huì)產(chǎn)生“擊穿”現(xiàn)象。

3)對(duì)于光電池，伏安特性的線性度跟負(fù)載電阻的大小有關(guān)，負(fù)載電阻越小，其伏安特性的線性度也越好，當(dāng)負(fù)載電阻增加時(shí)，線性度變差。

電氣檢測技術(shù)27光電阻溫度特性隨著溫度的增加，光電阻的暗電阻與靈敏度都有所下降，同時(shí)溫度也影響著它的光譜溫度特性。從圖中可以看出，它的峰值隨著溫度的上升向短波方向移動(dòng)，因此，有時(shí)為提高元件的靈敏度，或者為能接受較長波段的紅外線輻射而采取一些制冷措施。電氣檢測技術(shù)29光電三極管溫度特性

暗電流隨溫度的升高而增加很快，這是由于熱激發(fā)的緣故，而光電流隨溫度的升高而增加很少，電路中一般要對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)產(chǎn)生輸出誤差。

電氣檢測技術(shù)30結(jié)論總的來看，光電元件的特性受溫度的影響比較嚴(yán)重，在實(shí)際的使用中必須采取溫度補(bǔ)償或恒溫措施，以保證足夠的精度。

電氣檢測技術(shù)31(四)

光譜特性和頻率特性

一般而言，某種材料制造的光電元件只對(duì)某一波長的入射光具有最高的靈敏度，在選擇光電元件時(shí)，要考慮光源的波長，較好的靈敏度；不同的光電器件有著不同的頻率響應(yīng)，因此在選用光電器件時(shí)，也必須要考慮光電元件的頻率特性與調(diào)制光的頻率要適合，否則將會(huì)引起較大的動(dòng)態(tài)誤差。電氣檢測技術(shù)32三、光電元件信號(hào)檢測的方法1、透射式恒光源發(fā)出光通量為，光源與接收裝置間為待測物體，發(fā)出光經(jīng)被測物體時(shí)會(huì)被物體吸收一部分能量，最后光敏元件接受的光通量為，滿足：為被測物體的吸收系數(shù)；為被測物體的厚度

電氣檢測技術(shù)332、反射式恒光源的光通量經(jīng)被測對(duì)象反射后損失部分光通量，達(dá)到光敏元件并被接受的光通量為，這種方法可檢測物體的表面粗糙度、反射率以及轉(zhuǎn)速（物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受光面積會(huì)有周期性變化，根據(jù)此變化就可以測出轉(zhuǎn)速）等。

電氣檢測技術(shù)343、遮擋式恒光源發(fā)出的光通量被被測對(duì)象遮擋住一部分，達(dá)到光敏元件的光通量為，光敏元件根據(jù)接收到的光通量大小進(jìn)行測量。這種方法可以用來測量物體的尺寸，振動(dòng)，位移，膨脹系數(shù)（膨脹前后物體尺寸有所變化）等。

電氣檢測技術(shù)354、開關(guān)式原理如遮擋式，不過連續(xù)光源在經(jīng)過被測物體時(shí)被調(diào)制成脈沖光照射到光敏元件上，然后轉(zhuǎn)換成電流過電壓脈沖進(jìn)行測量。5、輻射式被測對(duì)象輻射的光通量被光敏元件接收，完成有關(guān)測量?？蓽y量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。電氣檢測技術(shù)36特點(diǎn)

前四種測量方法，需要有作為光源的恒定的光照，對(duì)于輻射式測量方法，被測對(duì)象自身作為輻射光的光源。電氣檢測技術(shù)37四、光電傳感器的應(yīng)用測量機(jī)械量、熱工量及成分量等。1、光電轉(zhuǎn)速測量電路如圖光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖。在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔調(diào)置盤，恒定光源2產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率的大小獲得。電氣檢測技術(shù)38在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同反射率，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。每分鐘轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f的關(guān)系如下：

N為孔數(shù)或黑白條紋數(shù)目。

電氣檢測技術(shù)39光電脈沖轉(zhuǎn)換電路

電氣檢測技術(shù)40電路說明BG1為光敏三極管，光照射在BG1時(shí)，產(chǎn)生光電流，R1上壓降增大，BG2導(dǎo)通，觸發(fā)由BG3和BG4組成的射極耦合觸發(fā)器，使輸出電壓U0為高電位；反之U0為低電位，在輸出端獲得一個(gè)脈沖系列信號(hào)。該脈沖信號(hào)可送到計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)。

電氣檢測技術(shù)412、光電池應(yīng)用

光電池至今主要有兩大類型的應(yīng)用：

1)作光伏器件使用，利用光生伏特作用直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。

2)作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。電氣檢測技術(shù)42光電池作光電探測器件使用時(shí)，基本原理與光敏二極管相同，基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。光電池工作時(shí)不需要外加偏壓，光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，因此它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。

電氣檢測技術(shù)43光電池在檢測和控制應(yīng)用中的基本電路1、光電跟蹤電路

電氣檢測技術(shù)442、光電開關(guān)電氣檢測技術(shù)45

1、跟蹤電路中兩性能相似的同類光電池作光電接收器件。入射