第8章光電傳感器

第八章光電傳感器光是什么？光既是一種波，同時(shí)又是由一個(gè)個(gè)光子所構(gòu)成。也就是具有波粒二象性。

眾所周知，光的量子學(xué)說(shuō)最初是由A．Einstein于1905年在研究光電效應(yīng)現(xiàn)象時(shí)提出來(lái)的。在愛(ài)因斯坦之前M·普朗克提出了能量子假設(shè)光----以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流。單個(gè)光子能量：普郎克常數(shù)光波頻率第八章光電傳感器

測(cè)量原理：利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。愛(ài)因斯坦是光電檢測(cè)的先驅(qū)采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器被稱(chēng)為光電傳感器。光電傳感器由光源、光學(xué)通路和光電元件組成。主要特點(diǎn)：精度高、反應(yīng)快、非直接接觸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式多樣、應(yīng)用廣泛。第一節(jié)光電效應(yīng)與光電器件1.外光電效應(yīng)：在光線作用下電子從物體表面逸出。愛(ài)因斯坦則是因?yàn)檠芯客夤怆娦?yīng)現(xiàn)象并從理論上對(duì)其做出了正確的量子解釋而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

光電效應(yīng)的定義及光電效應(yīng)的分類(lèi)2.內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下物體的電阻率改變。3.光生伏特效應(yīng)：在光線作用下物體具有發(fā)電能力。

一、光電管、光電倍增管紫外線光電管

一、光電管、光電倍增管

利用外光電效應(yīng)制成的光電器件。（一）光電管光輸入

陽(yáng)極陰極電子逸出

電輸出光----以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流。單個(gè)光子能量：普郎克常數(shù)光波頻率光電管中的自由電子逸出條件：電子質(zhì)量逸出初速度逸出功光波頻率即光波頻率光波波長(zhǎng)或光速光電管測(cè)量電路：

可見(jiàn)，要使光電管中的自由電子逸出，頻率不能太低，波長(zhǎng)也不能太長(zhǎng)。為入射光波長(zhǎng)上限，也被稱(chēng)為“紅限”。光電管陰極陽(yáng)極

電壓輸出光輸入（二）光電倍增管

光電倍增管具有放大光電子電流的能力。光電倍增管具有10---15級(jí)倍增電極，電位依次升高，使得陰極因接受光能而發(fā)射的電子逐級(jí)加速，且受光電子的數(shù)量逐級(jí)增多，形成較大的光電流?？捎糜谖⒐鉁y(cè)量。設(shè)單級(jí)的信號(hào)倍增率為，則多級(jí)的倍增率為。

光輸入

陽(yáng)極陰極-++++---+-++-+--光電倍增管測(cè)量電路：直流電源光線輸出電壓陰極陽(yáng)極二、光敏電阻光敏電阻二、光敏電阻

（一）工作原理：由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，利用內(nèi)光電效應(yīng)而工作。光敏電阻當(dāng)光線照射時(shí)，因材料中的電子—空穴對(duì)增加，其電阻值會(huì)變小，當(dāng)光照消失時(shí)，電阻會(huì)恢復(fù)原值。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是電阻器件，即可以加直流電壓，也可以加交流電壓工作。

光照電路符號(hào)（二）特性參數(shù)1.暗電阻與亮電阻暗電阻-----在室溫且全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的暗阻大于等于0.1兆歐。亮電阻-----在室溫且一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的亮阻小于等于1000歐。

光敏電阻接在電路上，亮電流（大）與暗電流（?。┲畋环Q(chēng)為光電流。光敏電阻的亮電阻越小，暗電阻越大，靈敏度越高。光照度小光照度大2.伏安特性曲線正常工作電壓受耗散功率的限制。3.光電特性曲線----光照度與光電流之間的關(guān)系。光電特性曲線光照度光電流光電特性為非線性，不宜做檢測(cè)元件，一般做光電開(kāi)關(guān)。1勒克斯＝1流明每平方米常見(jiàn)發(fā)光的大致效率（流明/瓦）白熾燈15日光燈50

太陽(yáng)燈94鈉燈120

節(jié)能燈60-80

白色LED80-200

LED80-130光照度，單位：lx光通量，單位：lm光譜特性靈敏度光波波長(zhǎng)硫化鎘硫化鉈硫化鉛（紫外---紫----紅----紅外）4.光譜特性曲線----入射光頻率與靈敏度之間的關(guān)系。選光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光源結(jié)合起來(lái)考慮5.頻率特性曲線----光頻率與靈敏度之間的關(guān)系。光敏電阻具有時(shí)延性，不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。6.溫度特性曲線----溫度對(duì)光譜特性的影響。三、光敏晶體管光敏二極管紅外發(fā)射、接收對(duì)管

紅外發(fā)射管紅外接收管光敏三極管

三、光敏晶體管——基于內(nèi)光電效應(yīng)（一）工作原理1.光敏二極管：正常情況下，PN結(jié)反向是不導(dǎo)通的。當(dāng)被光線照射時(shí)，PN結(jié)反向?qū)?，可以感測(cè)光信號(hào)。NP電路符號(hào)結(jié)構(gòu)示意基本電路2.光敏三極管：正常情況下，給PNP型三極管的集電極和發(fā)射極之間加正向電壓，一個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)）不導(dǎo)通，另一個(gè)PN結(jié)（發(fā)射結(jié)）導(dǎo)通。但當(dāng)集電結(jié)被光線照射時(shí)，集電結(jié)會(huì)反向?qū)?，造成三極管中出現(xiàn)放大電流，集電極和發(fā)射極之間導(dǎo)通。也可以感測(cè)光信號(hào)。無(wú)光照無(wú)輸出有光照有輸出+-（二）基本特性1.光譜特性：一定照度下,光波波長(zhǎng)與光敏管靈敏度的關(guān)系。

2.伏安特性:不同照度下,輸出電壓—電流關(guān)系。

硅管鍺管光譜特性（紫外---紫----紅----紅外）伏安特性光照度小光照度大3.光電特性：光照度--輸出電流關(guān)系。一般光照加強(qiáng)電流增大。光敏二極管的線性度較好，光敏三極管會(huì)飽和。

4.溫度特性:一定照度下溫度--電流關(guān)系。對(duì)亮電流、暗電流、輸出電流影響程度不同。溫度對(duì)亮電流小，對(duì)暗電流影響顯著。

5.頻率特性:輸入的調(diào)制光頻率與輸出靈敏度的關(guān)系。溫度特性輸出電流暗電流頻率特性輸出靈敏度四、光電池光敏面四、光電池（一）工作原理

光生伏特效應(yīng)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：大面積的PN結(jié)。光線照射發(fā)電電路符號(hào)（二）基本特性

1.光譜特性：即在一定照度下,光波波長(zhǎng)與光電池靈敏度的關(guān)系曲線。光譜峰值的位置與光電池材料、制造工藝和使用溫度有關(guān)。

（紫外---紫----紅----紅外）硅光電池硒光電池受光范圍寬受光范圍窄2.光電特性:

光照度與光生電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系是非線性的，光照度與光電流之間的關(guān)系是線性的。

開(kāi)路電壓短路電流開(kāi)路電壓短路電流3.溫度特性指開(kāi)路電壓、短路電流與溫度變化的關(guān)系。溫度升高，開(kāi)路電壓降低，短路電流增大。4.頻率特性:

指輸入的調(diào)制光頻率與輸出電流的關(guān)系。硅光電池的頻率特性較好，頻率上限約幾萬(wàn)Hz。當(dāng)調(diào)制頻率較高時(shí)，可選擇面積較小的硅光電池和較小的負(fù)載電阻，以進(jìn)一步減小響應(yīng)時(shí)間，改善頻率特性。

能提供較大電流的大面積光電池外形光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用太陽(yáng)能賽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)太陽(yáng)能硅光電池板第二節(jié)光電傳感器與光電檢測(cè)

光電傳感器組成：被測(cè)量一、光電傳感器的類(lèi)型被測(cè)量使得光通亮連續(xù)變化，輸出光電流也連續(xù)變化。包含以下四種形式：

（一）模擬式光電傳感器按照光電元件輸出信號(hào)的形式可分為模擬式和脈沖式。1、光源本身就是被測(cè)物。如：光電比色溫度計(jì)、光照度計(jì)等被測(cè)物光電元件光照度計(jì)比色式溫度傳感器2、恒定光源發(fā)出的光通量透過(guò)被測(cè)物，由被測(cè)物吸收一部分后到達(dá)光電元件上。

如：測(cè)液體透明度、煙塵濃度等被測(cè)物光電元件恒光源3、恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物反射后到達(dá)光電元件上。如：測(cè)紙張白度、零件表面粗糙度、光電轉(zhuǎn)速表等被測(cè)物光電元件恒光源

4、恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)過(guò)被測(cè)物遮擋一部分后照射到光電元件上。如：測(cè)元件尺寸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等被測(cè)物光電元件恒光源（二）脈沖式光電傳感器

光信號(hào)斷續(xù)變化，光電元件輸出的也斷續(xù)變化。只有兩種狀態(tài)。常用于計(jì)數(shù)或測(cè)速。二、光電傳感器的常用光源（一）發(fā)光二極管：電能光能。（二）鎢絲燈泡：發(fā)射紅光和紅外光。（三）激光：集中三、光電轉(zhuǎn)換電路1.光敏電阻測(cè)量電路2.光敏晶體管測(cè)量電路3.光電池測(cè)量電路4.使用運(yùn)算放大器的光敏元件測(cè)量電路。光敏電阻測(cè)量電路光敏晶體管測(cè)量電路光線增強(qiáng)電阻減小基極電壓輸出電壓感光感溫不感光感溫輸出與光通亮成比例光線增強(qiáng)電壓變小光電池測(cè)量電路光線增強(qiáng)電壓變大光線增強(qiáng)電壓變大光線增強(qiáng)電壓變大使用運(yùn)算放大器的光敏元件測(cè)量電路光線增強(qiáng)PN導(dǎo)通負(fù)電壓輸入光線增強(qiáng)短路電流增大光線強(qiáng)弱影響放大倍數(shù)二、光電檢測(cè)實(shí)例

（一）WDS型光電比色高溫計(jì)：

通過(guò)輻射體在兩個(gè)不同波長(zhǎng)上的輻射能量之比，測(cè)定輻射體的溫度。非接觸式，測(cè)溫范圍：800—2000℃。輻射體物鏡瞄準(zhǔn)反射鏡光導(dǎo)棒不可見(jiàn)光可見(jiàn)光光闌分光鏡比例計(jì)算人工觀測(cè)反射鏡目鏡棱鏡變送器記錄儀光電比色溫度計(jì)電路原理框圖硅光電池1RfRf運(yùn)算電路顯示器I1I2U1U2硅光電池2而I1正比于Iλ1所以U1正比于Iλ1第8章光電傳感器

（二）光電比色計(jì)用于溶液的顏色、成分、渾濁度等化學(xué)分析。

標(biāo)準(zhǔn)樣品

受檢樣品光源凸透鏡凸透鏡濾色濾色光電池光電池差值差動(dòng)放大器顯示儀表光電式煙塵濃度檢測(cè)動(dòng)畫(huà)演示

（三）光電式帶材測(cè)厚跑偏檢測(cè)儀檢測(cè)帶材加工過(guò)程中偏離正確位置的情況。不反射帶材光源凸透鏡凸透鏡反射鏡半透膜反射鏡

光敏三極管正確位置電橋平衡U0=0左或右偏UO都會(huì)改變。電橋

（四）光電式轉(zhuǎn)速儀

1）反射式光電轉(zhuǎn)速儀電信號(hào)光信號(hào)凸透鏡半透膜片聚焦透鏡凸透鏡光源測(cè)量電路計(jì)數(shù)器不反光位置電橋平衡U0=0反光位置輸出電脈沖。光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示2）直射式光電轉(zhuǎn)速儀測(cè)量電路計(jì)數(shù)器光信號(hào)電信號(hào)凸透鏡指示透鏡光源旋轉(zhuǎn)盤(pán)不透光位置電橋平衡U0=0透光位置輸出電脈沖。

（五）光電檢測(cè)的其他應(yīng)用舉例布料寬度檢測(cè)、有無(wú)檢測(cè)兩臺(tái)行車(chē)的安全距離檢測(cè)空箱檢測(cè)及推出處理長(zhǎng)距傳送的金屬板檢測(cè)光纖1870年的一天，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾到皇家學(xué)會(huì)的演講廳講光的全反射原理，他做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：在裝滿(mǎn)水的木桶上鉆個(gè)孔，然后用燈從桶上邊把水照亮。結(jié)果使觀眾們大吃一驚。人們看到，放光的水從水桶的小孔里流了出來(lái)，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了。人們?cè)?jīng)發(fā)現(xiàn)，光能沿著從酒桶中噴出的細(xì)酒流傳輸；人們還發(fā)現(xiàn)，光能順著彎曲的玻璃棒前進(jìn)。這是為什么呢？難道光線不再直進(jìn)了嗎？這些現(xiàn)象引起了丁達(dá)爾的注意，經(jīng)過(guò)他的研究，發(fā)現(xiàn)這是全反射的作用，即光從水中射向空氣，當(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，折射光線消失，全部光線都反射回水中。表面上看，光好像在水流中彎曲前進(jìn)。實(shí)際上，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過(guò)在內(nèi)表面上發(fā)生了多次全反射，光線經(jīng)過(guò)多次全反射向前傳播。后來(lái)人們?cè)斐鲆环N透明度很高、粗細(xì)像蜘蛛絲一樣的玻璃絲──玻璃纖維，當(dāng)光線以合適的角度射入玻璃纖維時(shí)，光就沿著彎彎曲曲的玻璃纖維前進(jìn)。由于這種纖維能夠用來(lái)傳輸光線，所以稱(chēng)它為光導(dǎo)纖維。1880-Alexand