光电传感器工作原理
电子电路 2008-05-31 22:27 阅读6004 评论3
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光电传感器工作原理
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成
它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装
置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。分类和工作方式⑴槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。⑵对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。⑶反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找
不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。
关键词：光电开关光电传感器光电式接近开关光电式传感器红外线光电开关红外线开关红外线光电传感器对射式光电开关对射式光电传感器反射式光电开关反射式光电传感器漫反射光电开关漫反射光电传感器
光电式传感器
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器.它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的
光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光
路位置有关.
7.1 概述
光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到的光强的变化.早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备,发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上.在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源.这些小而坚固的白炽灯传感器就是今
天光电传感器的雏形.
LED(发光二极管)最早出现在19世纪60年代,现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用.LED就是一种半导体元件,其电气性能与普通二极管相同,不同之处在于当给LED通电流时,它会发光.由于LED是固态的,所以它能延长传感器的使用寿命.因而使用LED的光电传感器能被做得更小,且比白炽灯传感器更可靠.不像白炽灯那样,LED抗震动抗冲击,并且没有灯丝.另外,LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分.(激光二极管除外,它与普通LED的原理相同,但能产生几倍的光能,并能达到更远的检测距离).LED能发射人眼看不到的红外光,也能发射可见的绿光,黄光,红光,蓝光,蓝绿
光或白光.
1970年,人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点,就是它能够以非常快的速度来开关,开关速度可达到KHz.将接收器的放大器调制到发射器的调制频率,那么它就只能对以此频率振动的
光信号进行放大.
我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收.将收音机调到某台,就可以忽略其他的无线电波信号.经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器,其接收器就相当于收音机.
人们常常有一个误解:认为由于红外光LED发出的红外光是看不到的,那么红外光的能量肯定会很强.经过调制的光电传感器的能量的大小与LED光波的波长无太大关系.一个LED发出的光能很少,经过调制才将其变得能量很高.一个未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段,使接收器只能接收到发射器发出的光,才能使其能量变得很高.相比之下,经过调制的接收器能忽略周围的光,只对自己的光或具有相同调制频率的光做出
响应.
未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射,如刚出炉的红热瓶子,在这种应用场合如果使用其它的传感器,可能会有
误动作.
如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话,那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到.周围光源接收器也可以用来检测
室外光.
但是并不是说经调制的传感器就一定不受周围光的干扰,当使用在强光环境下时就会有问题.例如,未经过调制的光电传感器,当把它直接指向阳光时,它能正常动作.我们每个人都知道,用一块有放大作用的玻璃将阳光聚集在一张纸上时,很容易就会把纸点燃.设想将玻璃替换成传感器的镜头,将纸替换成光电三极管,这样我们就很容易理解为什么将调制的接收器指向阳光时它就不能工作了,这是周围光源使其饱和了.
调制的LED改进了光电传感器的设计,增大了检测距离,扩展了光束的角度,人们逐渐接受了这种可靠易于对准的光束.到1980年,非调制的光电传感器逐步就退出了历史舞台.
红外光LED是效率最高的光束,同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束.但是有些传感器需要用来区分颜色(如色标检测),
这就需要用可见光源.
在早期,色标传感器使用白炽灯做光源,使用光电池接收器,直到后来发明了高效的可见光LED.现在,多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器.经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离,这是因为检测距离是一个非常重要的参数.未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体,这些场合要求的响应速度都非常快.但是,现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度,能满足大多
数的检测应用.
安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下,我们可以考虑
使用光纤.光纤与传感器配套使用,是无源元件,另外,光纤不受任何电磁信号的干扰,并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰
相隔离.
光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一层金属外皮.这层金属外皮的密度比光芯要低,因而折射率低.光束照在这两种材料的边界处(入射角在一定范围内,),被全部反射回来.根据光学原理,
所有光束都可以由光纤来传输.
两条入射光束(入射角在接受角以内)沿光纤长度方向经多次反射后,从另一端射出.另一条入射角超出接受角范围的入射光,损失在金属外皮内.这个接受角比两倍的最大入射角略大,这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射.光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响(弯曲半径要大于最小弯曲半径).大多数光纤是可弯曲的,很容易安装在狭小的空间. 玻璃光纤由一束非常细(直径约50μm)的玻璃纤维丝组成.典型的光缆由几百根单独的带金属外皮玻璃光纤组成,光缆外部有一层护套保护.光缆的端部有各种尺寸和外形,并且浇注了坚固的透明树脂.检测面经过光学打磨,非常平滑.这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率.
玻璃光纤内的光纤束可以是紧凑布置的,也可随意布置.紧凑布置的玻璃光纤通常用在医疗设备或管道镜上.每一根光纤从一端到另一端都需要精心布置,这样才能在另一端得到非常清晰的图像.由于这种光纤费用非常昂贵并且多数的光纤应用场合并不需要
得到一个非常清晰的图像,所以多数的玻璃光纤其光纤束是随意布置的,这种光纤就非常便宜了,当然其所得到的图像也只是一些
光.
玻璃光纤外部的保护层通常是柔性的不锈钢护套,也有的是PVC 或其他柔性塑料材料.有些特殊的光纤可用于特殊的空间或环境,其检测头做成不同的形状以适用于不同的检测要求.玻璃光纤坚固并且性能可靠,可使用在高温和有化学成分的环境中,它可以传输可见光和红外光.常见的问题就是由于经常弯曲或弯曲半径过小而导致玻璃丝折断,对于这种应用场合,我们推荐使用塑料光纤. 塑料光纤由单根的光纤束(典型光束直径为0.25到1.5mm)构成,通常有PVC外皮.它能安装在狭小的空间并且能弯成很小的角度. 多数的塑料光纤其检测头都做成探针形或带螺纹的圆柱形,另一端未做加工以方便客户根据使用将其剪短.不像玻璃光纤,塑料光纤具有较高的柔性,带防护外皮的塑料光纤适于安装在往复运动的机械结构上.塑料光纤吸收一定波长的光波,包括红外光,因而
塑料光纤只能传输可见光.
对射式和直反式光纤玻璃光纤和塑料光纤既有"单根的"-对射式,也有"分叉的"-直反式.单根光纤可以将光从发射器传输到检测区域,或从检测区域传输到接收器.分叉式的光纤有两个明显的分支,可分别传输发射光和接收光,使传感器既可以通过一个分支将发射光传输到检测区域,同时又通过另一个分支将反射光传输回接
收器
由于光纤受使用环境影响小并且抗电磁干扰,因而能被用在一些特殊的场合,如:适用于真空环境下的真空传导光纤(VFT)和适用
于爆炸环境下的光纤.
7.2 光电元件
光电元件是光电传感器中最重要的部件,常见的有真空光电元件和半导体光电元件两大类.它们的工作原理都基于不同形式的光电效应.根据光的波粒二像性,我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流,这种粒子称为光子.每个光子具有的能量为
(7.1)
式中,为光波频率;h为普朗克常数,h=6.63
对不同频率的光,其光子能量是不相同的,光波频率越高,光子能量越大.用光照射某一物体,可以看作是一连串能量为Au的光子轰击在这个物体上,此时光子能量就传递给电子,并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收,电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化,从而使受光照射的物体产生相应的电效应,我们把这种物理现象称为光电效应.通常把光电效应分为三
类:
1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,
基于外光电效应的光电元件有光电管,光电倍增管等.
2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应.
基于内光电效应的光电元件有光敏电阻,光敏晶体管等.
3)在光线作用下,物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特
效应,基于光生伏特效应的光电元件有光电池等.
7.2.1 外光电效应器件
7.2.1.1 工作原理
光电管是利用外光电效应制成的光电元件,其外形和结构如图7.
2.1所示,半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内,当入射光照射在阴极上时,单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子,从而使自由电子的能量增加h.当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时,它就可以克服金属表面束缚而逸出,形成电子发射.这种电子称为光电子,光电子逸出金属表面后的初始动能为
(1/2)m.
根据能量守恒定律有
(7.2)
式中,m为电子质量;为电子逸出的初速度.
由上式可知,要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A.由于不同材料具有不同的逸出功,因此对每一种阴极材料,入射光都有一个确定的频率限,当入射光的频率低于此频率限时,不论光强多大,都不会产生光电子发射,此频率限称为"红限".相应的波长λK
为
(7.3)
式中,c为光速;A为逸出功.
光电管正常工作时,阳极电位高于阴极,如图7.2.2所示.在人射光频率大于"红限"的前提下,从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引,在光电管内形成空间电子流,称为光电流.此时若光强增大,轰击阴极的光子数增多,单位时间内发射的光电子数也就增多,光电流变大.在图7.2.2所示的电路中,电流IФ和电阻只RL上的电压降U0就和光强成函数关系,从而实现光电转换.
图7.2.1 光电管结构示意图图7.2.2 光电管测量电路图
阴极材料不同的光电管,具有不同的红限,因此适用于不同的光谱范围.此外,即使入射光的频率大于红限,并保持其强度不变,但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变,即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同.光电管的这种光谱特性,要求人们应当根据检测对象是紫外光,可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管,以便获得满意的灵敏度.
由于真空光电管的灵敏度低,因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管.图7.2.3是光电倍增管结构示意图.
光电倍增管主要由光阴极K,倍增极D和阳极A组成,并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装.依据分装方法,可分成端窗式和侧窗式两大类.端窗式光电倍增管的阴极通常为透射式阴极,通过管壳的端面接受入射光.侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光,它的阴极通常为反射式阴极.
图7.2.3 光电倍增管结构示意图
光阴极的量子效率是一个重要的参数.波长为λ的光辐射入射到
光阴极时,一个入射光子产生的光电子数,定义为光阴极的量子效率.光阴极有很多种,常用的有双碱,S11及S20三种.光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成,光阴极接负高压,各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给,灵敏检流计或负载电阻接在阳极A处,当有光子入射到光阴极K上,只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功,就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子.在K和D1之间的电场作用下,光电子被加速后轰击第一倍增极D1,从而使D1产生二次电子发射.每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子,这样就实现了电子数目的放大.D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D 2,…….这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn,每经过一级倍增极,电子数目便被放大一次,倍增极的数目有8～13个,最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集.若倍增电极有n 级,各级的倍增率为б,则光电倍增管的倍增率可以认为是бn,因此,光电倍增管有极高的灵敏度.在输出电流小于1mA的情况下,它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系.光电倍增管的这个特点,使它多用于微光测量.若将灵敏检流计串接在阳极回路中,则可直接测量阳极输出电流.若在阳极串接电阻RL作为负载,则可测量RL两端的电压,此电压正比于阳极电流.
图7.2.4 光电倍增管的基本电路图7.2.5 光敏电阻结构示意图
及符号
图7.2.4所示为光电倍增管的基本电路.各倍增极的电压是用分
压电阻R1,R2,……Rn获得的,阳极电流流经负载电阻RL得到输出电压U0.当用于测量稳定的辐射通量时,图中虚线连接的电容C1,C2,…,Cn和输出隔离电容C0都可以省去.这时电路往往将电源正端接地,并且输出可以直接与放大器输入端连接,从而使它能够响应变化缓慢的入射光通量.但当入射光通量为脉冲通量时,则应将电源的负端接地,因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声,此时输出端应接人隔离电容,同时各倍增极的并联电容亦应接人,以稳定脉冲工作时的各级工作电压,稳定增益并防
止饱和.
7.2.1.2 与测量有关的两个参数
(1) 暗电流
光电倍增管接上工作电压后,在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出,此电流即称为暗电流.光电倍增管在工作时,其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成.当信号电流比较大时,暗电流的影响可以忽略,但是当光信号非常弱,以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时,暗电流将严重影响对光信号测量的准确性.所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值.一只好的光电倍增管,要求其暗电流小并
且稳定.
(2) 光谱响应特征
光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的,这一特性可用光谱响应率表示.在给定波长的单位辐射功率照射下所产
生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率,表示为
(7.4)
式中,P(λ)为入射到光阴极上的单色辐射功率;I(λ)是在该辐射功率照射下所产生的阳极电流;S(λ)是波长的函数,它与波长的关系曲线称为光电倍增管的绝对光谱响应曲线.
测量S(λ)十分复杂,因此在一般测量中都是测量它的相对值.为此,可以把S(λ)中的最大值当作一个单位对所有S(λ)值进行归一化,
这时就得到
(7.5)
s(λ)称为光电倍增管的相对光谱响应率,它与波长的关系曲线称为光电倍增管的相对光谱响应曲线.s(λ)≤1,是一个无量纲的量,只表示光电倍增管的光谱响应特征.
7.2.2 内光电效应器件
7.2.2.1 工作原理
光敏电阻是一种光电效应半导体器件,应用于光存在与否的感应(数字量)以及光强度的测量(模拟量)等领域.它的体电阻系数随照明强度的增强而减小,容许更多的光电流流过.这种阻性特征使得它具有很好的品质:通过调节供应电源就可以从探测器上获得
信号流,且有着很宽的范围.
光敏电阻是薄膜元件,它是由在陶瓷底衬上覆一层光电半导体材料.金属接触点盖在光电半导体面下部.这种光电半导体材料薄膜元件有很高的电阻.所以在两个接触点之间,做的狭小,交叉,使得
在适度的光线时产生较低的阻值.
光敏电阻的检测:
A 用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住,此时万用表的指针基本保持不动,阻值接近无穷大.此值越大说明光敏电阻性能越好.若此值很小或接近为零,说明光敏电阻已烧穿损坏,不能再继续使
用.
B 将一光源对准光敏电阻的透光窗口,此时万用表的指针应有较大幅度的摆动,阻值明显减小,此值越小说明光敏电阻性能越好.若此值很大甚至无穷大,表明光敏电阻内部电路损坏,也不能再继
续使用.
C 将光敏电阻透光窗口对准入射光线,用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动,使其间断受光,此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动.如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动,说明光敏电阻的光敏材料已经损坏.
光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管,它们的工作原理也是基于内光电效应,和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上,PN结参与了光电转换过程.
光敏二极管的结构和普通二极管相似,只是它的PN结装在管壳顶部,光线通过透镜制成的窗口,可以集中照射在PN结上,图7.2. 6a是其结构示意图.光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态,
如图7.2.6b所示.
我们知道,PN结加反向电压时,反向电流的大小取决于P区和N
区中少数载流子的浓度,无光照时P区中少数载流子(电子)和N 区中的少数载流子(空穴)都很少,因此反向电流很小.但是当光照PN结时,只要光子能量h大于材料的禁带宽度,就会在PN结及其附近产生光生电子.空穴对,从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加,它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动,分别在两个方向上渡越PN结,使反向电流明显增大.如果入射光的照度变化,光生电子.空穴对的浓度将相应变动,通过外电路的光电流强度也会随之变动,光敏二极管就把光信号转换成了电信
号.
图7.2.6 光敏二极管图7.2.7 光敏三极管
光敏三极管有两个PN结,因而可以获得电流增益,它比光敏二极管具有更高的灵敏度.其结构如图7.2.7a所示.
当光敏三极管按图7.2.7b所示的电路连接时,它的集电结反向偏置,发射结正向偏置.无光照时仅有很小的穿透电流流过,当光线通过透明窗口照射集电结时,和光敏二极管的情况相似,将使流过集电结的反向电流增大,这就造成基区中正电荷的空穴的积累,发射区中的多数载流子(电子)将大量注人基区,由于基区很薄,只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合,而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极,形成集电极电流IC.这个过程与普通三极管的电流放大作用相似,它使集电极电流IC 是原始光电流的(l+β)倍.这样集电极电流IC将随入射光照度的
改变而更加明显地变化.
7.2.2.2 基本特性
1)光谱特性
在入射光照度一定时,光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化,一种光敏晶体管只对一定波长范围的人射光敏感,这就是光敏晶体管的光谱特性,见图7.2.8.
由曲线可以看出,当入射光波长增加时,相对灵敏度要下降,这是因为光子能量太小,不足以激发电子—空穴对.当人射光波长太短时,光波穿透能力下降,光子只在半导体表面附近激发电子—空穴对,却不能达到PN结,因此相对灵敏度也下降.
从曲线还可以看出,不同材料的光敏晶体管,光谱峰值波长不同.硅管的峰值波长为0.9μm左右,锗管的峰值波长为1.5μm左右.由于锗管的暗电流比硅管大,因此锗管性能较差.因此在探测可见光或赤热物体时,多采用硅管.但对红外光进行探测时,采用锗管
较为合适.
2)伏安特性
光敏三极管在不同照度下的伏安特性,就象普通三极管在不同基极电流下的输出特性一样,如图7.2.9所示.在这里改变光照就相当于改变一般三极管的基极电流,从而得到这样一簇曲线.
3)光电特性
它指外加偏置电压一定时,光敏晶体管的输出电流和光照度的关系.一般说来,光敏二极管光电特性的线性较好,而光敏三极管在照度小时,光电流随照度增加较小,并且在光照足够大时,输出电
流有饱和现象.这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和
大电流时都下降的缘故.
4)温度特性
温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小,但是对暗电流的影响却十分显著,如图7.2.10所示.因此,光敏晶体管在高照度下工作时,由于亮电流比暗电流大得多,温度的影响相对来说比较小.但在低照度下工作时,因为亮电流较小,暗电流随温度变化就会严重影响输出信号的温度稳定性.在这种情况下,应当选用硅光敏管,这是因为硅管的暗电流要比锗管小几个数量级.同时还可以在电路中采取适当的温度补偿措施,或者将光信号进行调制,对输出的电信号采用交流放大,利用电路中隔直电容的作用,就可以隔断暗
电流,消除温度的影响.
5)频率特性
光敏晶体管受调制光照射时,相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性.如图7.2.11所示.减少负载电阻能提高响应频率,但输出降低.一般来说,光敏三极管的频响比光敏二极管差得多,锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级.
图7.2.8 光敏晶体管的光谱特性图7.2.9 光敏三极管的伏安特
性
图7.2.10 光敏晶体管的温度特性图7.2.11 光敏晶体管的频率
特性
7.2.3 光生伏特效应器件
光电池是一种自发电式的光电元件,它受到光照时自身能产生一定方向的电动势,在不加电源的情况下,只要接通外电路,便有电流通过.光电池的种类很多,有硒,氧化亚铜,硫化铊,硫化镉,锗,硅,砷化镓光电池等,其中应用最广泛的是硅光电池,因为它有一系列优点,例如性能稳定,光谱范围宽,频率特性好,转换效率高,能耐高温辐射等.另外,由于硒光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围,所以很多分析仪器,测量仪表也常用到它.下面着重介绍硅光电池.
7.2.3.1 工作原理
硅光电池的工作原理基于光生伏特效应,它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结,见图7.2.12a.当光照射P区表面时,若光子能量大于硅的禁带宽度,则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子.空穴对,P区表面吸收的光子最多,激发的电子空穴最多,越向内部越少.这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势.由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的,它使扩散到PN结附近的电子—空穴对分离,光生电子被推向N区,光生空穴被留在P区.从而使N区带负电,P区带正电,形成光生电动势.若用导线连接P区和N区,电
路中就有光电流流过.
7.2.3.2 基本特性
1)光谱特性
光电池对不同波长的光,灵敏度是不同的.图7.2.13是硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线.从图中可知,不同材料的光电池适用的
入射光波长范围也不相同.硅光电池的适用范围宽,对应的入射光波长可在0.45~1.1之间,而硒光电池只能在0.34～0.57波长范围,
它适用于可见光检测.
图7.2.12 光电池图7.2.13 光电池的光谱特性
在实际使用中应根据光源的性质来选择光电池,当然也可根据现有的光电池来选择光源,但是要注意光电池的光谱峰值位置不仅和制造光电池的材料有关,同时,也和制造工艺有关,而且随着使
用温度的不同会有所移动.
2)光电特性
光电池在不同的光照度下,光生电动势和光电流是不相同的.硅光电池的光电特性如图7.2.14所示.其中曲线1是负载电阻无穷大时的开路电压特性曲线,曲线2是负载电阻相对于光电池内阻很小时的短路电流特性曲线.开路电压与光照度的关系是非线性的,而且在光照度为20001x时就趋于饱和,而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系,负载电阻越小,这种线性关系越好,而且线性范围越宽.因此检测连续变化的光照度时,应当尽量减小负载电阻,使光电池在接近短路的状态工作,也就是把光电池作为电流源来使用.在光信号断续变化的场合,也可以把光电池作为电压源
使用.
图7.2.14 硅光电池的光电特性图7.2.14 硅光电池的温度特性
3)温度特性
传感器按工作的原理可以分为电容传感器，电感传感器，光电传感器，等等 ?光电传感器的定义： 光电传感器：光电传感器是利用光线检测物体的传感器的统称，是由传感器的发射部分发射光信号并经被检测物体的反射、阻隔和吸收，再被接受部分检测并转换为相应电信号来实现控制的装置。 ?光电传感器的构成 光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发射器，接收器和检测电路 ?光电传感器的特点 1.非接触式检测，传感器使用寿命长，对被检物无损害 2.适用于长距离检测，用途广泛 3.适用的被检物种类众多，对光线传播有影响的物体均可 4.响应频率高，适用于高速流水线检测使用 5.检测精度高，能用于不同的色彩分辨
?漫反射式光电传感器 漫反射式光电传感器是发射器和接收器置于一体，正常情况下接收器收不到发射器发出的光信号；当检测物通过时阻隔了光，并把光部分反射回来，接收器收到光信号，输出一个开关控制信号 特点 1.安装使用时不需要对齐光路 2.节省安装使用空间 3.安装接线简便 4.检测区域大 ?对射式光电传感器 对射式光电传感器是由独立发射器和接收器组成的光电传感器。由于发射器和接收器分离，传感器的检测距离加大。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发射器和接收器分别装在检测物通过路径的两侧，
并必须将两者对准以建立光路，被检物通过时阻挡光路，接收器就动作输出一个开关控制信号。 特点 1.长距离检测，高精度检测 2.可检测小物体 3.不受被检物的形状、颜色和材质影响 4.适用恶劣工作环境 回归反射式光电传感器 回归反射式光电传感器是把发射器和接收器装入同一个装置内，在其前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的光电传感器。正常情况下，发射器发出的光被反光板反射回来被接收器收到；一旦光路被检测物挡住，接收器检测的光信号有变化，光电传感器就动作，输出一个开关控制信号。 特点：
光电传感器的应用与新技术 --浅谈光电池与CCD 摘要：光电传感器是利用光电效应制成的一类传感器的总称，它能将光学量转变为电学量，广泛应用于检测和自动化系统。光电传感器包括光电池和光电阻传感器。本文将以下几个方面：1. 什么是光电池和光电阻传感器；2.光电池和光电阻传感器的比较；3.光电传感器的实际应用；4.光电传感器在未来的发展方向，详细地介绍光电传感器，并提出本人对光电传感器在未来的预测。 一光电池和光电阻 在介绍光电传感器之前，我们有必要先了解一下光电效应。光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应三种。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应[1]。它是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。光电导效应是指当入射光射到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应是指当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压的效应[2]。光电传感器都是利用光电效应制成的。 1.光电池 光电池是一种能在光的照射下，不加偏置，产生电动势半导体器件，也属于电能量型传感器。光电池的种类很多，有硒，氧化亚铜，硫化铊，硫化镉，锗，硅，砷化镓光电池等。其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高（接近理论极限17%），能耐高温辐射等[3]。 1.1光电池的工作原理 光电池的工作原理是光生伏特效应。当光子的能量hγ大于半导体材料的禁带宽度时，半导体材料吸收光而产生电子空穴对，这样在半导体材料内部形成载流子的浓度梯度，进而在受照表面和暗面产生一个开路的光电压。 1.2光电池的特性 光电池的特性主要有光谱特性，光照特性等。
光电开关说明书 ①漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。 ②镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。 ③对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可*的检测装置。 ④槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信
号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可*。 ⑤光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 它们的工作光线示意图如图3所示。 (2)术语解释 常见的术语示意图如图4所示。 ①检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置(光电开关的感应表面)到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。 ②回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。 ③响应频率：在规定的1s的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。 ④输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。 ⑤检测方式：根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。 ⑥输出形式：分NPN二线、NPN三线、NPN四线、PNP二线、PNP三线、PNP四线、AC 二线、AC五线(自带继电器)，及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的输出形式。
光电传感器选型和使用注意事项 光电传感器的工作原理是通过对红外发射光的阻断和导通，在红外接收管感应出的电流变化来实现开和关的判断。槽型光耦通常也称作槽式光电开关通常是U型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。 一、选型 其选型主要考虑有三点：槽宽要多宽的;分辨率(光缝宽度);固定方式 1、槽宽，检测物体需通过槽型光耦的槽，才能对红外光实现阻断，所以光电传感器的槽宽要宽于检测物体，并要有一定的余量，便于安装。 2、槽型光耦的分辨率，如检测物是一个齿盘，其齿盘齿的宽度是d，齿盘齿槽的宽度是3，则槽型光耦的光缝宽度要求小于d，且小于f，这样才能保证能将红外光有效的阻断和导通，在满足上述条件下，选择光缝宽大的槽型光耦。 3、槽型光耦有带固定孔和不带固定空两种，根据实际情况选择。 4、安装位置。传感器安装时，应使检测齿盘的外径超过槽型光耦光轴1-2mm。这样才能有效阻断光线。 二、外围电路参数选择 1、在选择槽型光耦的外围电路时，先确定槽型光耦接收管的负
载电阻是多少，再根据槽型光耦的转换效率选择红外发射管的电流。 2、被测物体的运动速度越快(如1-2kHz),原则上红外接收管的负载电阻取值应小些。 三、使用注意事项 光电传感器在使用中出现问题了怎么办?要怎样才能减少光电传感器故障呢?这是很多用户在使用光电传感器的时候都会遇到的问题，那么要怎样解决这些问题呢，其实在日常生活中多注意光电传感器的的使用就可以减轻故障的发生，下面小编来介绍一下光电传感器使用注意事项吧。 1、使用中光电传感器的前端面与被检测的工件或物体表面必须保持平行，这样光电传感器的转换效率最高。 2、安装焊接时，光电传感器的引脚根部与焊盘的最小距离不得小于5mm，否则焊接时易损坏管芯。或引起管芯性能的变化。焊接时间应小于4秒。 3、对射式光电传感器最小可检测宽度为该种光电开关透镜宽度的80%。 4、当使用感性负载(如灯、电动机等)时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的光电传感器，在这种情况下，请将负载经过交流继电器来转换使用。 5、红外线光电传感器的透镜可用擦镜纸擦拭，禁用稀释溶剂等化学品，以免永久损坏塑料镜。 6、针对用户的现场实际要求，在一些较为恶劣的条件下，如灰
光电传感器在生活中的应用 ——CCD图像传感器 摘要： 在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。 关键字：光电传感器；CCD图像传感器 正文 一、CCD的工作方式 ?CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼 的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。 CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。 ?CCD(Charge Coupled Devices，CCD)由大量独立光敏元件组成，每个光敏元 件也叫—个像素。这些光敏元件通常是按矩阵排列的，光线透过镜头照射到光电二极管上，并被转换成电荷。每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度，图像光信号转换为电信号。当CCD工作时，CCD将各个像素的信息经过模傲转换器处理后变成数字信号，数字信号以一一定格式压缩后存入缓存内，然后图像数据根据不间的需要以数字信号和视频信号的方式输出。
第二章光电式传感器 一、学习本课程所需的预备知识。 物理、电工基础、电子测量技术、电子线路。 二、教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实验指导。 重点掌握光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管以及光电池的原理和应用。 光电式传感器的核心部件是光电器件，它是将光能转换为电能的一种传感器件。光电器件的理论基础是光电效应，即金属、半导体等材料在光照下释放出电子的现象。根据释放出的电子的分布的不同，光电效应可分为以下三种情况： 利用外光电效应工作的器件有光电管、光电倍增管等。 利用内光电效应（光电导效应）工作的器件有光敏电阻等。 利用光生伏特效应（阻挡层光电效应）工作的器件有光电晶体管、光电池等。 光纤传感器以及CCD可以作为了解内容。授课时可以拿鼠标作为一个光敏二极管、三极管的应用实例，有实验设备的应开设本实验。 三、教学建议。 由于光电元件在日常生活中用的较多，所以授课时可以拿身边的一些设备来讲解，比如照相机、摄像机、光控照明等。 四、典型例题 1、磁栅式传感器由哪几部分组成？简述工作原理？ 答：磁栅式传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。磁栅是检测位置的基准尺，尺身的磁性薄膜上预先录有相同间距的栅状磁信号，此偷渡去磁信号。当磁栅与磁头的相对位置发生变化时，磁头的输出发生相应变化，将位移量转换为电信号，然后通过检测电路转换成脉冲，并以数字形式显示出来。磁栅传感器有长磁栅式和圆磁栅式两种，分别用来测量线位移和角位移。 2、光电式传感器的原理是什么？ 答：光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。 3、光码盘的工作原理是什么？ 答：码盘式传感器是建立在编码器的基础上的，它能够将角度转换为数字编码，是一种数字式的传感器。码盘按结构可以分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式测量。光电式编码器由光源、光学系统、码盘、光电接收元件、处理电路等组成。由光源发出的光线经透镜变成一束平行光照射在码盘上，通过透光部分的光线经狭缝照射到光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，这样几个光电元件输出的电信号组合就反映了角度信息，经
光电传感器工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
工作原理 摘要： 光电传感器是利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号从而检测被测目标的一种装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温和气体成分等；也可用来检测能转换成光量的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度和加速度，以及物体形状、工作状态等。光电式传感器具有非接触，响应快，性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 关键字：光电元件、检测技术、传感器、应用 一、光电传感器工作原理 光电式传感器的物理基础是光电效应,即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类,即外光电效应和内光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值 (相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。由E =hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样, 所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功W是使电子脱离金属所要做功的最小值,所以如果用E 表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式E =hn-W (其中,h表示普兰克常量,n表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。
光电传感器的应用与新技术49303
光电传感器的应用与新技术 --浅谈光电池与CCD 摘要：光电传感器是利用光电效应制成的一类传感器的总称，它能将光学量转变为电学量，广泛应用于检测和自动化系统。光电传感器包括光电池和光电阻传感器。本文将以下几个方面：1. 什么是光电池和光电阻传感器；2.光电池和光电阻传感器的比较；3.光电传感器的实际应用；4.光电传感器在未来的发展方向，详细地介绍光电传感器，并提出本人对光电传感器在未来的预测。 一光电池和光电阻 在介绍光电传感器之前，我们有必要先了解一下光电效应。光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应三种。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应[1]。它是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。光电导效应是指当入射光射到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应是指当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压的效应[2]。光电传感器都是利用光电效应制成的。 1.光电池 光电池是一种能在光的照射下，不加偏置，产生电动势半导体器件，也属于电能量型传感器。光电池的种类很多，有硒，氧化亚铜，硫化铊，硫化镉，锗，硅，砷化镓光电池等。其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优
点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高（接近理论极限17%），能耐高温辐射等[3]。 1.1光电池的工作原理 光电池的工作原理是光生伏特效应。当光子的能量hγ大于半导体材料的禁带宽度时，半导体材料吸收光而产生电子空穴对，这样在半导体材料内部形成载流子的浓度梯度，进而在受照表面和暗面产生一个开路的光电压。 1.2光电池的特性 光电池的特性主要有光谱特性，光照特性等。 如 图为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲 线，即相对灵敏度与入射光的波长的关系曲 线。从图上可知，不同材料的光谱峰值位置 是不同的[4]。硅光电池的峰值在800微米左 右，而锗光电池的峰值在450微米左右。实际使用时，应根据光源性质来选择光电池，而且要注意的是，光电池的光谱特性还与温度有关。 如图为硅光电池的光照特性。光生 电动势与光照间的特性曲线称为开路电 压曲线，光电流密度与光照强度的特性 曲线称为短路电流曲线。由图可知，当 光照足够大时，开路电压趋于饱和，因此，可以将光电池当做电流源使用，这是光电池的主要优点之一[5]。 光电池的特性还有频率特性，温度特性，在这儿就不详细叙述了。
光电传感器的发展及其应用 摘要：光电式传感器（photoelectric transducer），基于光电效应的传感器，在受到可见光照射后即产生光电效，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。 关键词：光电传感器、光电效应、发展、应用实例 1 引言 光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。 2 光电传感器原理及应用 2.1光电式传感器 光电传感器又称光传感器，其基本原理是以光电效应为基础，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图1，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高,反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛[1]。 图 1
光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种： ⑴、发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。 ⑵、丝灯泡这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。 ⑶、激光激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。 由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路。 半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用图2所示的电路。图3（a）给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。图中一个光敏二极管做为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如图3所示。 图2 图3 由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅0.6V，还不能使下一
工作原理 摘要： 光电传感器是利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号从而检测被测目标的一种装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温和气体成分等；也可用来检测能转换成光量的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度和加速度，以及物体形状、工作状态等。光电式传感器具有非接触，响应快，性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 关键字：光电元件、检测技术、传感器、应用 一、光电传感器工作原理 光电式传感器的物理基础是光电效应,即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类,即外光电效应和内光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值(相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。由E =hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样,所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功W是使电子脱离金属所要做功的最小值,所以如果用 E 表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式E =hn-W (其中,h表示普兰克常量,n表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。 如
T C R T5000光电传感器模块 产品说明书 V1.0 – 2009-01-10 本资料由北京百纳信达科技有限公司编写、版权所有 商标咨询ATMEL与A VR分别是ATMEL CORPORATION的注册商标和商标 百纳信达、https://www.doczj.com/doc/223304823.html,、https://www.doczj.com/doc/223304823.html,分别是北京百纳信达科技有限公司的商标与域名
安全需知 为防止损坏您的A VR相关工具，避免您或他人受伤，在使用本开发套装前请仔细阅读下面的安全需知，并妥善保管以便所有本产品设备的使用者都可随时参阅。 请遵守本节中所列举的用以下符号所标注的各项预防措施，否则可能对产品造成损害。 该标记表示警告，提醒您应该在使用本产品前阅读这些信息， 以防止可能发生的损害。 警告 请勿在易燃气体环境中使用电子设备，以避免发生爆炸或火灾。 请勿在潮湿的环境中使用电子设备，以避免设备损坏。 发生故障时立即拔下所有线缆。 当您发现产品冒烟或发生异味时，请立刻拔下所有与其连接的线缆，切断电源，以避免燃烧。若在这种情况下还继续使用，可能会导致产品的进一步损坏，并使您受伤。 请与我们联系后，将产品寄回给我们维修。 请勿自行拆卸本产品 触动产品内部的零件可能会导致受伤。 遇到故障时，请及时联系我们。 自行拆卸可能会导致其他意外事故发生。 使用合适的电缆线 若要将线缆连接到本设备的插座上，请使用本产品提供的线缆，以保证产品的规格的兼容性。 请勿在儿童伸手可及之处保管本产品 请特别注意防止婴幼儿玩耍或将产品的小部件放入口中。 注意 北京百纳信达科技有限公司可随时更改手册内所记载之硬件与软件规格的权利，而无需事先通知。 北京百纳信达科技有限公司对因使用本产品而引起的损害不承担任何责任。 北京百纳信达科技有限公司已竭尽全力来确保手册内载之信息的准确性和完善性。如果您发现任何错误或遗漏，请与我们联系（见联系方法），对此，我们深表感谢。
电子知识摘要 电子知识摘要 (一）光电开关的基础知识 （二）光电开关基础知识 KG3022T微电脑交直流全自动 KG3022T微电脑全自动打铃仪 该作者的其他文章 博主推荐 相关日志 随机阅读 首页推荐 [微博]一分钟教你变魔术 1000美元一碗的中国拉面 香港'城管'为什么不打人 芙蓉：娱乐圈里我最干净 鲤鱼抢食犹如'饿鬼投胎' 韩国女孩为何看起来漂亮 更多>> 对“推广广告”提建议 （二）光电开关基础知识 电子知识摘要 (一）光电开关的基础知识 2010-08-20 22:27:50| 分类：默认分类| 标签：|字号大中小订阅 （一）光是开关的分类 压力传感器光电开关可分为镜面反射型、漫反射型、对射型。 镜面反射型光电开关:由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。光的通过时间是两倍的信号持续时间，有效作用距离从0.1米至20米。特征：辨别不透明的物体；借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中。 漫反射型光电开关:是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一直到3米。特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。 对射型光电开关:由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。特征：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。位移传感器 光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的(即电缘绝)，所以它可以在许多场合得到应用。 2、光电开关的分类及术语解释
学习情境（项目）5授课说明 学习领域名称：家电传感器应用授课教师：课程总学时： 72 项目5：节能灯与光电传感器学时数： 16 累计学时： 48 授课时间安排与执行记录 授课班级 智能家电授课地点 授课日期资讯7 10月6日1-4 节 家电产品控制 实训室 计划0.5 10月9日1-4 节 家电产品控制 实训室 决策0.5 家电产品控制 实训室 实施 6 家电产品控制 实训室 检查 1 家电产品控制 实训室 评估 1 家电产品控制 实训室 参考资料PPT、网络资源、节能灯控制电路 教学方法宏观：引导文法微观：见下 教学目标 知识目标： 1.光电式传感器的分类及工作原理 2.光电式传感器特性 3.红外热释电传感器的分类及工作原理 4.红外热释电传感器特性 5.菲尼尔透镜工作原理及作用技能目标： 6.测量电路构成； 7.光敏电阻在节能灯智能控制中的作用 8.红外热释电传感器实际应用中的安装 9.光敏与红外热释电在节能灯控制策略 中的实施 态度目标： 10.培养学生的沟通能力及团队协作精神 11.养成良好的职业道德 12.提高质量、成本、安全、环保意识 重点： 13.红外热释电传感器特性 1.测量电路 2.光敏电阻的选用与电路设计 3.光敏与红外热释电在节能灯控制策略中的实施 难点： 1.各类光电式传感器的工作原理 2.光电式传感器的特性 3.菲尼尔透镜工作原理及作用 资讯：7学时（注：1学时=45 min，下同） 教学提纲主要内容教学资源及工具教学方法参考时间备注 1．目标描述下发设计任务书，描述项目学 习目标 实物展示、PPT 设计任务书 讲授法 演示法 15 min 下发引导文 2．布置任务1）交代项目任务 2）发放相关学习资料 PPT 讲授法 演示法 15 min
光电传感器原理 2007年05月21日星期一13:44
1.光电传感器原理 光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜μA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度 2.光电传感器应用 光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测 物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽 灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。 LED（发光二极管） 发光二极管最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED 的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。不象白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的 一部分。（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。 经调制的LED传感器 1970年，人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点，就是它能够以非常快的速度来开关，开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发
第10章光电式传感器 一、单项选择题 1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。 A. 光电效应传感器 B. 红外热释电探测器 C. 固体图像传感器 D. 光纤传感器 2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（）。 A. 光电管 B. 光电池 C. 光敏电阻 D. 光敏二极管 3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（）。 A. 伏安特性 B. 光照特性 C. 光谱特性 D. 频率特性 4、下列光电器件是基于光导效应的是（）。 A. 光电管 B. 光电池 C. 光敏电阻 D. 光敏二极管 5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（）。 A. 伏安特性 B. 光照特性 C. 光谱特性 D. 频率特性 6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（）。 A. 光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大 B. 光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大 C. 工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管 D. 光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性 7、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。 A. 光电效应传感器 B. 红外热释电探测器 C. 固体图像传感器 D. 光纤传感器 8、光敏电阻的特性是（） A．有光照时亮电阻很大B．无光照时暗电阻很小 C．无光照时暗电流很大D．受一定波长范围的光照时亮电流很大 9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（） A．光电管 B.光敏电阻 C．光电池 D.光电倍增管 10、CCD以（）为信号 A. 电压 B.电流
C．电荷 D.电压或者电流 11、构成CCD的基本单元是（） A. P型硅结 C. 光电二极管电容器 12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。 A.位移 B.压力 C.温度 D.光电 13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和( )两个重要部件。 A.反射镜 B.透镜 C.光栅 D.光探测器 14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。 A.偏振调制 B.共振调制 C.角度调制 D.振幅调制 15、利用外界因素对于光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的传感器，称为( )。 A.相位调制型传感器 B.相位结合型传感器 C.相位振动型传感器 D.相位干涉型传感器 16、半导体激光发光是由( )之间的电子-空穴对复合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A.原子 B.分子 C.离子 D.能带 17、固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型( )和玻璃作为工作物质的激光器。 A.石英晶体 B.高纯硅 C.绝缘晶体 D.压电晶体 18、利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器称为( )。 A.敏感型传感器 B.功能型传感器 C.传光型传感器 D.功敏型传感器 19、光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为( )。 A.光容型传感器 B.光感型传感器 C.传光型传感器 D.光敏型传感器 20、光纤振动传感器与其他光纤传感器一样，从原理上讲也可以分为两种类型，实际上，直接以( )作为振动信息的敏感元件,难以分离其他物理量变化产生的影响。 A.光纤 B.电压 C.电流 D.电阻 21、光纤是用( )作为主要原料的一种透明度很高的介质材料，广泛用于通信和传感器。 A.光刻玻璃 B.石英玻璃 C.光刻硅 D.钛铝合金 22、数值孔径NA是光纤的一个重要参数，以下说法不正确的是（） A．数值孔径反映了光纤的集光能力 B．光纤的数值孔径与其几何尺寸有关
传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第 3 版）贾伯年主编，及其他参考书 第8 章光电式传感器 8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。 8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？ 答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。 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渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。 光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。 8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。答：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器件。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。当光照到PN 结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N 区聚积负电荷，P 区聚积正电荷，这样N 区和P 区之间出现电位差。 8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？ 8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。 答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。 光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。 8-6 简述CCD 图像传感器的工作原理及应用。 8-7 何谓PSD ？简述其工作原理及应用。 8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。 8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。 8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。 答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。 应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。 8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。 8-12 试说明图8-33（b）所示光电式数字测速仪的工作原理。（1 ）若采用红外发光器件为光源，虽看不见灯亮，电路却能正常工作，为什么？（ 2 ）当改用小白炽灯作光源后，却不能正常工作，试分析原因。
光电传感器工作原理 电子电路 2008-05-31 22:27 阅读6004 评论3 字号：大中小 本文来源网络 光电传感器工作原理 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成 它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装
置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。分类和工作方式⑴槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。⑵对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。⑶反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找
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消除或削弱背景光及温度等因素的影响。 二、应用举例 1．光电比色温度计（光源本身是被测物） （1）问题的提出：高温测量，物体辐射出的光波与温度有关。（2）原理：根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温。根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长λ1、λ2上的辐射程度 Iλ1、Iλ2之比与该物体的温度成指数关系。 Iλ1/Iλ2=K1e-K2/T 由光路图及电路原理框图介绍其原理，注意参比信号。2．光电式烟尘浓度计（透射式） （1）问题的提出：为了控制和减少烟尘的排放量和节能 的要求，对烟尘的监测是必须的。 （2）通过光路及电路原理框图介绍其原理，注意参比信 号，由于两个通道结构完全一样，所以在最后运算U1/U2值时，上述误差可自动抵消，减小了测量误差。 3．光电式转速表（反射式） （1）问题的提出：由于机械式转速表和接触式电子转速 表精度不高，且影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速计可用于测量高转速而又不影响被测物； （2）通过光路及电路原理框图介绍其原理： a）选用光电二极管（响应时间短）用于高频调制信号测量；
b）数字量测量，不用参比信号。 4．光电式边缘位置检测器（遮挡式） （1）问题的提出：光电式边缘位置检测器是用来检测带 型材料在生产过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。 （2）通过光路及转换电路介绍其原理： a）光路一半遮挡一半透过； b）桥路及运算放大器组成，接入参比光敏电阻； c）光敏电阻一般不能作模拟量测量，这里限用于控制。 三、总结以上各例使学生建立光路系统与电路结合的概念，并能 举一反三、灵活应用。 小结： 1、光电式传感器的应用类型 2、应用举例
光电开关工作原理NPN与PNP传感器差异 红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380n m-780n m，发射波长为780n m-1m m的长射线称为红外线，省洞头县光电开关厂生产的红外线光电开关优先使用的是接近可见光波长的近红外线。 红外线光电开关（光电传感 器）属于光电接近开关的简称，它是利 用被检测物体对红外光束的遮光或反 射，由同步回路选通而检测物体的有 无，其物体不限于金属，对所有能反射 光线的物体均可检测。根据检测方式的 不同，红外线光电开关可分为 1.漫反射式光电开关 漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传 感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发 射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产 生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率 极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。 引起理想漫反射的光度分布 局部较强漫反射时的光度分布
2.镜反射式光电开关 镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。 3.对射式光电开关 对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。 4.槽式光电开关 槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。 5.光纤式光电开关 光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 型号说明