7-光電式傳感器全解

7-光電式傳感器全解第一頁，共26頁。7.1光電式傳感器的基本元件

光電式傳感器一般都是由光源、光學(xué)元件和光電元件三個部分組成。第二頁，共26頁。7.1.1光源光電式傳感器對光源的選擇要考慮很多因素，例如波長、譜分布、相干性、體積、造價、功率等。我們把通電后發(fā)光的器件，統(tǒng)稱為電光源，或者叫電光元件。普通的電光源可以分為四類：熱輻射光源、氣體放電光源、電致發(fā)光器件和激光器。7.1光電式傳感器的基本元件

第三頁，共26頁。7.1.2光學(xué)元件與光路在光電式傳感器中，必須采用一定的光學(xué)元件，并按照一些光學(xué)定律和原理構(gòu)成各種各樣的光路。常用的光學(xué)元件有各種反射鏡和透鏡。7.1光電式傳感器的基本元件

第四頁，共26頁。7.1.3光電效應(yīng)與傳統(tǒng)光電器件光電效應(yīng)即是由于物體吸收能量為E的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)是指物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運動，而不會逸出物體的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射到物體上使電子逸出物體表面的現(xiàn)象。7.1光電式傳感器的基本元件

第五頁，共26頁。1.光敏電阻光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。7.1光電式傳感器的基本元件

第六頁，共26頁。2.光電池

光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式有源器件。光生伏特效應(yīng)指在光的照射下，物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電勢。光電池是把光直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?，又稱為太陽能電池。7.1光電式傳感器的基本元件

第七頁，共26頁。3.光敏晶體管

光敏二極管的PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射，光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時反向電阻很大，反向電流很小。當(dāng)光照射光敏二極管時，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子—空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下定向運動形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此在不受光照射時，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；受光照射時，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。7.1光電式傳感器的基本元件

第八頁，共26頁。光敏三極管的工作原理：當(dāng)光照射到PN結(jié)附近時，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子—空穴對，它們在PN結(jié)處于內(nèi)電場作用下，作定向運動，形成光電流，因此PN結(jié)的反向電流大大增加，由于光照射發(fā)射產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于三極管的基極電流，所以集電極電流是光電流的β倍。因此光敏三極管比光敏二極管具有更高的靈敏度。7.1光電式傳感器的基本元件

第九頁，共26頁。光電倍增管是基于外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)的電子真空器件。4.光電倍增管

7.1光電式傳感器的基本元件

第十頁，共26頁。

7.2新型光電器件7.2.1CCD電荷耦合器件(CCD)是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)集成電路光電器件，以電荷為信號。它具備光電信號轉(zhuǎn)換、存儲、轉(zhuǎn)移的功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。CCD傳感器的應(yīng)用:⑴組成測試儀器，可以測量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點等。⑵用作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如傳真、攝像、光學(xué)文字識別技術(shù)(OCR)與圖像識別等。第十一頁，共26頁。7.2.2CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器是采用互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體工藝制作的另一類圖像傳感器.CMOS具有體積小、耗電量小、售價便宜的優(yōu)點.

7.2新型光電器件第十二頁，共26頁。7.2.3PSD光電位置傳感器(PSD)是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的光電器件，其輸出信號與光點在光敏面上的位置有關(guān)。主要用于距離測量、位移或角度變化的監(jiān)測等。

一維PSD器件主要用來測量光斑在一維方向上的位置或位置移動量，二維PSD器件可以檢測平面上的入射光點的XY二維位置坐標(biāo)。

7.2新型光電器件第十三頁，共26頁。7.3光柵式傳感器7.3.1工作原理

光柵式傳感器(或稱光柵測量系統(tǒng))是指利用光柵原理對輸入量(位移量)進行轉(zhuǎn)換、顯示的整個測量裝置。它包括三大部分：光柵光學(xué)系統(tǒng)；實現(xiàn)細分、辨向和顯示等功能的電子系統(tǒng)；相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)。第十四頁，共26頁。莫爾條紋:光柵移動一個柵距，莫爾條紋走過一個條紋間距，電壓輸出的正弦變化正好經(jīng)歷一個周期，可通過電路整形處理，變成一個脈沖輸出。脈沖數(shù)（條紋數(shù)）與移過的柵距數(shù)是一一對應(yīng)的，因此位移量為。據(jù)此可知運動零件的位移量。7.3光柵式傳感器第十五頁，共26頁。7.4光纖式傳感器特點：抗電磁干擾能力強、高靈敏度、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、以及與光纖傳輸線路相容等。光纖傳感器可應(yīng)用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等70多個物理量的測量，且具有十分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。第十六頁，共26頁。7.4.1工作原理滿足全反射條件:7.4光纖式傳感器第十七頁，共26頁。光纖位移傳感器

利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號的功能，根據(jù)探測到的反射光的強度來測量被測反射表面的距離。7.4光纖式傳感器第十八頁，共26頁。7.5典型應(yīng)用(d)測量反射光的光通量，進而測定被測物表面特征或狀態(tài)等。如測量機械參量中的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移、表面白度、露點、濕度等。(a)光電元件探測被測對象發(fā)出的光輻射,可確定被測量的大小。光照度計、光電高溫計、火報警器、紅外探測與遙感等(b)根據(jù)被測物對光的遮擋程度，通過光通量的大小來測定被參數(shù)。常用于幾何測量，如測量孔徑、縫寬、直徑等。(c)通過測定被測物對光的吸收程度以及對光譜線的選擇性來測量被測參量。常用于氣體、液體成分分析或透明度、混濁度測量以及測量某種物質(zhì)含量。第十九頁，共26頁。1.光電式濁度計光源透過光學(xué)透鏡分成兩束強度相等的光線。一路光線穿過標(biāo)準(zhǔn)水樣8，到達光電池9，產(chǎn)生作為被測水樣濁度的參比信號。另一路穿過被測水樣5到達光電池6，其中一部分光線由被測水樣吸收，被測水樣越混濁，光線衰減量越大，到達光電池6的光通量就越小。兩路光信號均轉(zhuǎn)換成電壓信號、，由運算器計算出、的比值，并進一步算出被測水樣的濁度。7.5典型應(yīng)用第二十頁，共26頁。2.煙霧報警器光電式煙霧報警器由光源、光電元件和電子開關(guān)組成。利用光散射原理對煙霧進行探測，并及時發(fā)出報警信號。光電煙霧報警器由光源(發(fā)光二極管)和光電元件(光敏三極管)組成。無煙霧時，光電元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時，煙霧遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報警信號。7.5典型應(yīng)用第二十一頁，共26頁。3.燈光亮度自動控制器燈光亮度控制器可按照環(huán)境光照強度自動調(diào)節(jié)白熾燈或熒光燈的亮度，從而使室內(nèi)的照明自動保持在最佳狀態(tài)，避免人們產(chǎn)生視覺疲勞?？刂破髦饕森h(huán)境光照檢測電橋、放大器、積分器、比較器、過零檢測器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管等組成。7.5典型應(yīng)用第二十二頁，共26頁。4.光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器屬于反射式光電傳感器，使用時光電式轉(zhuǎn)速傳感器的光源會對被測轉(zhuǎn)軸發(fā)出光線，光線透過透鏡和半透膜入射到被測轉(zhuǎn)軸上，而當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反射光線會通過透鏡投射到光敏元件上，傳感器即可發(fā)出一個脈沖信號7.5典型應(yīng)用第二十三頁，共26頁。5.光電耦合器光電耦合器(簡稱光耦)是以光為媒介傳輸電信號的一種電-光-電轉(zhuǎn)換器件。特點：輸入和輸出端之間絕緣，由于“光”傳輸?shù)膯蜗蛐裕孕盘枏墓庠磦鬏數(shù)焦饨邮掌鲿r不會出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號也不會影響輸入端。此外，光電耦合器能夠很好地抑制干擾并