光電傳感器工作原理與應(yīng)用

光電式傳感器工作原理與應(yīng)用

光電式傳感器
???????? 光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器.它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).光電傳感器一般由光源,光學(xué)通路和光電元件三部分組成.光電檢測(cè)方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測(cè)參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛.
由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)測(cè)控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測(cè)量(檢測(cè)目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測(cè)物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過(guò)被測(cè)物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上,再?gòu)谋粶y(cè)物體表面反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測(cè)物體在光路位置有關(guān).
7.1 概述
光電傳感器是一種小型電子設(shè)備,它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化.早期的用來(lái)檢測(cè)物體有無(wú)的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備,發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上.在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈作為光源.這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形.
LED(發(fā)光二極管)最早出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代,現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二極管作為指示燈來(lái)用.LED就是一種半導(dǎo)體元件,其電氣性能與普通二極管相同,不同之處在于當(dāng)給LED通電流時(shí),它會(huì)發(fā)光.由于LED是固態(tài)的,所以它能延長(zhǎng)傳感器的使用壽命.因而使用LED的光電傳感器能被做得更小,且比白熾燈傳感器更可靠.不像白熾燈那樣,LED抗震動(dòng)抗沖擊,并且沒(méi)有燈絲.另外,LED所發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分.(激光二極管除外,它與普通LED的原理相同,但能產(chǎn)生幾倍的光能,并能達(dá)到更遠(yuǎn)的檢測(cè)距離).LED能發(fā)射人眼看不到的紅外光,也能發(fā)射可見的綠光,黃光,紅光,藍(lán)光,藍(lán)綠光或白光.
1970年,人們發(fā)現(xiàn)LED還有一個(gè)比壽命長(zhǎng)更好的優(yōu)點(diǎn),就是它能夠以非?？斓乃俣葋?lái)開關(guān),開關(guān)速度可達(dá)到KHz.將接收器的放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻率,那么它就只能對(duì)以此頻率振動(dòng)的光信號(hào)進(jìn)行放大.

我們可以將光波的調(diào)制比喻成無(wú)線電波的傳送和接收.將收音機(jī)調(diào)到某臺(tái),就可以忽略其他的無(wú)線電波信號(hào).經(jīng)過(guò)調(diào)制的LED發(fā)射器就類似于無(wú)線電波發(fā)射器,其接收器就相當(dāng)于收音機(jī).
人們常常有一個(gè)誤解:認(rèn)為由于紅外光LED發(fā)出的紅外光是看不到的,那么紅外光的能量肯定會(huì)很強(qiáng).經(jīng)過(guò)調(diào)制的光電傳感器的能量的大小與LED光波的波長(zhǎng)無(wú)太大關(guān)系.一個(gè)LED發(fā)出的光能很少,經(jīng)過(guò)調(diào)制才將其變得能量很高.一個(gè)未經(jīng)調(diào)制的傳感器只有通過(guò)使用長(zhǎng)焦距鏡頭的機(jī)械屏蔽手段,使接收器只能接收到發(fā)射器發(fā)出的光,才能使其能量變得很高.相比之下,經(jīng)過(guò)調(diào)制的接收器能忽略周圍的光,只對(duì)自己的光或具有相同調(diào)制頻率的光做出響應(yīng).
未經(jīng)調(diào)制的傳感器用來(lái)檢測(cè)周圍的光線或紅外光的輻射,如剛出爐的紅熱瓶子,在這種應(yīng)用場(chǎng)合如果使用其它的傳感器,可能會(huì)有誤動(dòng)作.
如果一個(gè)金屬發(fā)射出的光比周圍的光強(qiáng)很多的話,那么它就可以被周圍光源接收器可靠檢測(cè)到.周圍光源接收器也可以用來(lái)檢測(cè)室外光.
但是并不是說(shuō)經(jīng)調(diào)制的傳感器就一定不受周圍光的干擾,當(dāng)使用在強(qiáng)光環(huán)境下時(shí)就會(huì)有問(wèn)題.例如,未經(jīng)過(guò)調(diào)制的光電傳感器,當(dāng)把它直接指向陽(yáng)光時(shí),它能正常動(dòng)作.我們每個(gè)人都知道,用一塊有放大作用的玻璃將陽(yáng)光聚集在一張紙上時(shí),很容易就會(huì)把紙點(diǎn)燃.設(shè)想將玻璃替換成傳感器的鏡頭,將紙?zhí)鎿Q成光電三極管,這樣我們就很容易理解為什么將調(diào)制的接收器指向陽(yáng)光時(shí)它就不能工作了,這是周圍光源使其飽和了.
調(diào)制的LED改進(jìn)了光電傳感器的設(shè)計(jì),增大了檢測(cè)距離,擴(kuò)展了光束的角度,人們逐漸接受了這種可靠易于對(duì)準(zhǔn)的光束.到1980年,非調(diào)制的光電傳感器逐步就退出了歷史舞臺(tái).
紅外光LED是效率最高的光束,同時(shí)也是在光譜上與光電三極管最匹配的光束.但是有些傳感器需要用來(lái)區(qū)分顏色(如色標(biāo)檢測(cè)),這就需要用可見光源.
在早期,色標(biāo)傳感器使用白熾燈做光源,使用光電池接收器,直到后來(lái)發(fā)明了高效的可見光LED.現(xiàn)在,多數(shù)的色標(biāo)傳感器都是使用經(jīng)調(diào)制的各種顏色的可見光LED發(fā)射器.經(jīng)調(diào)制的傳感器往往犧牲了響應(yīng)速度以獲取更長(zhǎng)的檢測(cè)距離,這是因?yàn)闄z測(cè)距離是一個(gè)非常重要的參數(shù).未經(jīng)調(diào)制的傳感器可以用來(lái)檢測(cè)小的物體或動(dòng)作非?？斓奈矬w,這些場(chǎng)合要求的響應(yīng)速度都非常快.但是,現(xiàn)在高速的調(diào)制傳感器也可以提供非?？斓捻憫?yīng)速度,能滿足大多數(shù)的檢測(cè)應(yīng)用.
安裝空間非常有限或使用環(huán)境非常惡劣的情況下,我們可以考慮使用光纖.光纖與傳感器配套使用,是無(wú)源元件,另外,光纖不受任何電磁信號(hào)的干擾,并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離.
光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一層金屬外皮.這層金屬外皮的密度比光芯要低,因而折射率低.光束照在這兩種材料的邊界處(入射角在一定范圍內(nèi),),被全部反射回來(lái).根據(jù)光學(xué)原理,所有光束都可以由光纖來(lái)傳輸.
兩條入射光束(入射角在接受角以內(nèi))沿光纖長(zhǎng)度方向經(jīng)多次反射后,從另一端射出.另一條入射角超出接受角范圍的入射光,損失在金屬外皮內(nèi).這個(gè)接受角比兩倍的最大入射角略大,這是因?yàn)楣饫w在從空氣射入密度較大的光纖材料中時(shí)會(huì)有輕微的折射.光在光纖內(nèi)部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響(彎曲半徑要大于最小彎曲半徑).大多數(shù)光纖是可彎曲的,很容易安裝在狹小的空間.
玻璃光纖由一束非常細(xì)(直徑約50μm)的玻璃纖維絲組成.典型的光纜由幾百根單獨(dú)的帶金屬外皮玻璃光纖組成,光纜外部有一層護(hù)套保護(hù).光纜的端部有各種尺寸和外形,并且澆注了堅(jiān)固的透明樹脂.檢測(cè)面經(jīng)過(guò)光學(xué)打磨,非常平滑.這道精心的打磨工藝能顯著提高光纖束之間的光耦合效率.
玻璃光纖內(nèi)的光纖束可以是緊湊布置的,也可隨意布置.緊湊布置的玻璃光纖通常用在醫(yī)療設(shè)備或管道鏡上.每一根光纖從一端到另一端都需要精心布置,這樣才能在另一端得到非常清晰的圖像.由于這種光纖費(fèi)用非常昂貴并且多數(shù)的光纖應(yīng)用場(chǎng)合并不需要得到一個(gè)非常清晰的圖像,所以多數(shù)的玻璃光纖其光纖束是隨意布置的,這種光纖就非常便宜了,當(dāng)然其所得到的圖像也只是一些光.
玻璃光纖外部的保護(hù)層通常是柔性的不銹鋼護(hù)套,也有的是PVC或其他柔性塑料材料.有些特殊的光纖可用于特殊的空間或環(huán)境,其檢測(cè)頭做成不同的形狀以適用于不同的檢測(cè)要求.玻璃光纖堅(jiān)固并且性能可靠,可使用在高溫和有化學(xué)成分的環(huán)境中,它可以傳輸可見光和紅外光.常見的問(wèn)題就是由于經(jīng)常彎曲或彎曲半徑過(guò)小而導(dǎo)致玻璃絲折斷,對(duì)于這種應(yīng)用場(chǎng)合,我們推薦使用塑料光纖.
塑料光纖由單根的光纖束(典型光束直徑為0.25到1.5mm)構(gòu)成,通常有PVC外皮.它能安裝在狹小的空間并且能彎成很小的角度.
多數(shù)的塑料光纖其檢測(cè)頭都做成探針形或帶螺紋的圓柱形,另一端未做加工以方便客戶根據(jù)使用將其剪短.不像玻璃光纖,塑料光纖具有較高的柔性,帶防護(hù)外皮的塑料光纖適于安裝在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上.塑料光纖吸收一定波長(zhǎng)的光波,包括紅外光,因而塑料光纖只能傳輸可見光.
對(duì)射式和直反式光纖玻璃光纖和塑料光纖既有"單根的"-對(duì)射式,也有"分叉的"-直反式.單根光纖可以將光從發(fā)射器傳輸?shù)綑z測(cè)區(qū)域,或從檢測(cè)區(qū)域傳輸?shù)浇邮掌?分叉式的光纖有兩個(gè)明顯的分支,可分別傳輸發(fā)射光和接收光,使傳感器既可以通過(guò)一個(gè)分支將發(fā)射光傳輸?shù)綑z測(cè)區(qū)域,同時(shí)又通過(guò)另一個(gè)分支將反射光傳輸回接收器
由于光纖受使用環(huán)境影響小并且抗電磁干擾,因而能被用在一些特殊的場(chǎng)合,如:適用于真空環(huán)境下的真空傳導(dǎo)光纖(VFT)和適用于爆炸環(huán)境下的光纖.
7.2 光電元件

光電元件是光電傳感器中最重要的部件,常見的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩大類.它們的工作原理都基于不同形式的光電效應(yīng).根據(jù)光的波粒二像性,我們可以認(rèn)為光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流,這種粒子稱為光子.每個(gè)光子具有的能量為
(7.1)
式中,為光波頻率;h為普朗克常數(shù),h=6.63
對(duì)不同頻率的光,其光子能量是不相同的,光波頻率越高,光子能量越大.用光照射某一物體,可以看作是一連串能量為Au的光子轟擊在這個(gè)物體上,此時(shí)光子能量就傳遞給電子,并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收,電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化,從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng),我們把這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng).通常把光電效應(yīng)分為三類:
1)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng),基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管,光電倍增管等.
2)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng).基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻,光敏晶體管等.
3)在光線作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng),基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等.
7.2.1 外光電效應(yīng)器件
7.2.1.1 工作原理
光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件,其外形和結(jié)構(gòu)如圖7.2.1所示,半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽(yáng)極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi),當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí),單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子,從而使自由電子的能量增加h.當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí),它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發(fā)射.這種電子稱為光電子,光電子逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為(1/2)m.
根據(jù)能量守恒定律有
(7.2)
式中,m為電子質(zhì)量;為電子逸出的初速度.
由上式可知,要使光電子逸出陰極表面的必要條件是h>A.由于不同材料具有不同的逸出功,因此對(duì)每一種陰極材料,入射光都有一個(gè)確定的頻率限,當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí),不論光強(qiáng)多大,都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射,此頻率限稱為"紅限".相應(yīng)的波長(zhǎng)λK為
(7.3)
式中,c為光速;A為逸出功.
光電管正常工作時(shí),陽(yáng)極電位高于陰極,如圖7.2.2所示.在人射光頻率大于"紅限"的前提下,從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引,在光電管內(nèi)形成空間電子流,稱為光電流.此時(shí)若光強(qiáng)增大,轟擊陰極的光子數(shù)增多,單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多,光電流變大.在圖7.2.2所示的電路中,電流IФ和電阻只RL上的電壓降U0就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.
圖7.2.1 光電管結(jié)構(gòu)示意圖 圖7.2.2 光電管測(cè)量電路圖
陰極材料不同的光電管,具有不同的紅限,因此適用于不同的光譜范圍.此外,即使入射光的頻率大于紅限,并保持其強(qiáng)度不變,但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會(huì)隨入射光頻率的變化而改變,即同一種光電管對(duì)不同頻率的入射光靈敏度并不相同.光電管的這種光譜特性,要求人們應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是紫外光,可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管,以便獲得滿意的靈敏度.
由于真空光電管的靈敏度低,因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管.圖7.2.3是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖.
光電倍增管主要由光陰極K,倍增極D和陽(yáng)極A組成,并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝.依據(jù)分裝方法,可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類.端窗式光電倍增管的陰極通常為透射式陰極,通過(guò)管殼的端面接受入射光.側(cè)窗式陰極則是通過(guò)管殼的側(cè)面接收入射光,它的陰極通常為反射式陰極.
圖7.2.3 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖
光陰極的量子效率是一個(gè)重要的參數(shù).波長(zhǎng)為λ的光輻射入射到光陰極時(shí),一個(gè)入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù),定義為光陰極的量子效率.光陰極有很多種,常用的有雙堿,S11及S20三種.光陰極通常由脫出功較小的銻銫或鈉鉀銻銫的薄膜組成,光陰極接負(fù)高壓,各倍增極的加速電壓由直流高壓電源經(jīng)分壓電阻分壓供給,靈敏檢流計(jì)或負(fù)載電阻接在陽(yáng)極A處,當(dāng)有光子入射到光陰極K上,只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功,就會(huì)有電子從陰極的表面逸出而成為光電子.在K和D1之間的電場(chǎng)作用下,光電子被加速后轟擊第一倍增極D1,從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射.每一個(gè)電子的轟擊約可產(chǎn)生3～5個(gè)二次電子,這樣就實(shí)現(xiàn)了電子數(shù)目的放大.D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場(chǎng)加速后轟擊D2,…….這樣的過(guò)程一直持續(xù)到最后一級(jí)倍增極Dn,每經(jīng)過(guò)一級(jí)倍增極,電子數(shù)目便被放大一次,倍增極的數(shù)目有8～13個(gè),最后一級(jí)倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽(yáng)極A收集.若倍增電極有n級(jí),各級(jí)的倍增率為б,則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是бn,因此,光電倍增管有極高的靈敏度.在輸出電流小于1mA的情況下,它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系.光電倍增管的這個(gè)特點(diǎn),使它多用于微光測(cè)量.若將靈敏檢流計(jì)串接在陽(yáng)極回路中,則可直接測(cè)量陽(yáng)極輸出電流.若在陽(yáng)極串接電阻RL作為負(fù)載,則可測(cè)量RL兩端的電壓,此電壓正比于陽(yáng)極電流.
圖7.2.4 光電倍增管的基本電路 圖7.2.5 光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)
圖7.2.4所示為光電倍增管的基本電路.各倍增極的電壓是用分壓電阻R1,R2,……Rn獲得的,陽(yáng)極電流流經(jīng)負(fù)載電阻RL得到輸出電壓U0.當(dāng)用于測(cè)量穩(wěn)定的輻射通量時(shí),圖中虛線連接的電容C1,C2,…,Cn和輸出隔離電容C0都可以省去.這時(shí)電路往往將電源正端接地,并且輸出可以直接與放大器輸入端連接,從而使它能夠響應(yīng)變化緩慢的入射光通量.但當(dāng)入射光通量為脈沖通量時(shí),則應(yīng)將電源的負(fù)端接地,因?yàn)楣怆姳对龉艿年帢O接地比陽(yáng)極接地有更低的噪聲,此時(shí)輸出端應(yīng)接人隔離電容,同時(shí)各倍增極的并聯(lián)電容亦應(yīng)接人,以穩(wěn)定脈沖工作時(shí)的各級(jí)工作電壓,穩(wěn)定增益并防止飽和.
7.2.1.2 與測(cè)量有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)
(1) 暗電流
光電倍增管接上工作電壓后,在沒(méi)有光照的情況下陽(yáng)極仍會(huì)有一個(gè)很小的電流輸出,此電流即稱為暗電流.光電倍增管在工作時(shí),其陽(yáng)極輸出電流由暗電流和信號(hào)電流兩部分組成.當(dāng)信號(hào)電流比較大時(shí),暗電流的影響可以忽略,但是當(dāng)光信號(hào)非常弱,以至于陽(yáng)極信號(hào)電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級(jí)時(shí),暗電流將嚴(yán)重影響對(duì)光信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性.所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測(cè)量光信號(hào)的最小值.一只好的光電倍增管,要求其暗電流小并且穩(wěn)定.
(2) 光譜響應(yīng)特征
光電倍增管對(duì)不同波長(zhǎng)的光入射的響應(yīng)能力是不相同的,這一特性可用光譜響應(yīng)率表示.在給定波長(zhǎng)的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽(yáng)極電流大小稱為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)率,表示為
(7.4)
式中,P(λ)為入射到光陰極上的單色輻射功率;I(λ)是在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽(yáng)極電流;S(λ)是波長(zhǎng)的函數(shù),它與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)曲線.
測(cè)量S(λ)十分復(fù)雜,因此在一般測(cè)量中都是測(cè)量它的相對(duì)值.為此,可以把S(λ)中的最大值當(dāng)作一個(gè)單位對(duì)所有S(λ)值進(jìn)行歸一化,這時(shí)就得到
(7.5)
s(λ)稱為光電倍增管的相對(duì)光譜響應(yīng)率,它與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線.s(λ)≤1,是一個(gè)無(wú)量綱的量,只表示光電倍增管的光譜響應(yīng)特征.
7.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)器件
7.2.2.1 工作原理
光敏電阻是一種光電效應(yīng)半導(dǎo)體器件,應(yīng)用于光存在與否的感應(yīng)(數(shù)字量)以及光強(qiáng)度的測(cè)量(模擬量)等領(lǐng)域.它的體電阻系數(shù)隨照明強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小,容許更多的光電流流過(guò).這種阻性特征使得它具有很好的品質(zhì):通過(guò)調(diào)節(jié)供應(yīng)電源就可以從探測(cè)器上獲得信號(hào)流,且有著很寬的范圍.
光敏電阻是薄膜元件,它是由在陶瓷底襯上覆一層光電半導(dǎo)體材料.金屬接觸點(diǎn)蓋在光電半導(dǎo)體面下部.這種光電半導(dǎo)體材料薄膜元件有很高的電阻.所以在兩個(gè)接觸點(diǎn)之間,做的狹小,交叉,使得在適度的光線時(shí)產(chǎn)生較低的阻值.
光敏電阻的檢測(cè):
A 用一黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住,此時(shí)萬(wàn)用表的指針基本保持不動(dòng),阻值接近無(wú)窮大.此值越大說(shuō)明光敏電阻性能越好.若此值很小或接近為零,說(shuō)明光敏電阻已燒穿損壞,不能再繼續(xù)使用.
B 將一光源對(duì)準(zhǔn)光敏電阻的透光窗口,此時(shí)萬(wàn)用表的指針應(yīng)有較大幅度的擺動(dòng),阻值明顯減小,此值越小說(shuō)明光敏電阻性能越好.若此值很大甚至無(wú)窮大,表明光敏電阻內(nèi)部電路損壞,也不能再繼續(xù)使用.
C 將光敏電阻透光窗口對(duì)準(zhǔn)入射光線,用小黑紙片在光敏電阻的遮光窗上部晃動(dòng),使其間斷受光,此時(shí)萬(wàn)用表指針應(yīng)隨黑紙片的晃動(dòng)而左右擺動(dòng).如果萬(wàn)用表指針始終停在某一位置不隨紙片晃動(dòng)而擺動(dòng),說(shuō)明光敏電阻的光敏材料已經(jīng)損壞.
光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管,它們的工作原理也是基于內(nèi)光電效應(yīng),和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上,PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過(guò)程.
光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似,只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部,光線通過(guò)透鏡制成的窗口,可以集中照射在PN結(jié)上,圖7.2.6a是其結(jié)構(gòu)示意圖.光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài),如圖7.2.6b所示.
我們知道,PN結(jié)加反向電壓時(shí),反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度,無(wú)光照時(shí)P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少,因此反向電流很小.但是當(dāng)光照PN結(jié)時(shí),只要光子能量h大于材料的禁帶寬度,就會(huì)在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子.空穴對(duì),從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加,它們?cè)谕饧臃聪螂妷汉蚉N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng),分別在兩個(gè)方向上渡越PN結(jié),使反向電流明顯增大.如果入射光的照度變化,光生電子.空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng),通過(guò)外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng),光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào).
圖7.2.6 光敏二極管 圖7.2.7 光敏三極管
光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié),因而可以獲得電流增益,它比光敏二極管具有更高的靈敏度.其結(jié)構(gòu)如圖7.2.7a所示.
當(dāng)光敏三極管按圖7.2.7b所示的電路連接時(shí),它的集電結(jié)反向偏置,發(fā)射結(jié)正向偏置.無(wú)光照時(shí)僅有很小的穿透電流流過(guò),當(dāng)光線通過(guò)透明窗口照射集電結(jié)時(shí),和光敏二極管的情況相似,將使流過(guò)集電結(jié)的反向電流增大,這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累,發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子(電子)將大量注人基區(qū),由于基區(qū)很薄,只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復(fù)合,而大部分電子將穿過(guò)基區(qū)流向與電源正極相接的集電極,形成集電極電流IC.這個(gè)過(guò)程與普通三極管的電流放大作用相似,它使集電極電流IC是原始光電流的(l+β)倍.這樣集電極電流IC將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化.
7.2.2.2 基本特性
1)光譜特性
在入射光照度一定時(shí),光敏晶體管的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化,一種光敏晶體管只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感,這就是光敏晶體管的光譜特性,見圖7.2.8.
由曲線可以看出,當(dāng)入射光波長(zhǎng)增加時(shí),相對(duì)靈敏度要下降,這是因?yàn)楣庾幽芰刻?不足以激發(fā)電子—空穴對(duì).當(dāng)人射光波長(zhǎng)太短時(shí),光波穿透能力下降,光子只在半導(dǎo)體表面附近激發(fā)電子—空穴對(duì),卻不能達(dá)到PN結(jié),因此相對(duì)靈敏度也下降.
從曲線還可以看出,不同材料的光敏晶體管,光譜峰值波長(zhǎng)不同.硅管的峰值波長(zhǎng)為0.9μm左右,鍺管的峰值波長(zhǎng)為1.5μm左右.由于鍺管的暗電流比硅管大,因此鍺管性能較差.因此在探測(cè)可見光或赤熱物體時(shí),多采用硅管.但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí),采用鍺管較為合適.
2)伏安特性
光敏三極管在不同照度下的伏安特性,就象普通三極管在不同基極電流下的輸出特性一樣,如圖7.2.9所示.在這里改變光照就相當(dāng)于改變一般三極管的基極電流,從而得到這樣一簇曲線.
3)光電特性
它指外加偏置電壓一定時(shí),光敏晶體管的輸出電流和光照度的關(guān)系.一般說(shuō)來(lái),光敏二極管光電特性的線性較好,而光敏三極管在照度小時(shí),光電流隨照度增加較小,并且在光照足夠大時(shí),輸出電流有飽和現(xiàn)象.這是由于光敏三極管的電流放大倍數(shù)在小電流和大電流時(shí)都下降的緣故.
4)溫度特性
溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流影響較小,但是對(duì)暗電流的影響卻十分顯著,如圖7.2.10所示.因此,光敏晶體管在高照度下工作時(shí),由于亮電流比暗電流大得多,溫度的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小.但在低照度下工作時(shí),因?yàn)榱岭娏鬏^小,暗電流隨溫度變化就會(huì)嚴(yán)重影響輸出信號(hào)的溫度穩(wěn)定性.在這種情況下,應(yīng)當(dāng)選用硅光敏管,這是因?yàn)楣韫艿陌惦娏饕孺N管小幾個(gè)數(shù)量級(jí).同時(shí)還可以在電路中采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施,或者將光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,對(duì)輸出的電信號(hào)采用交流放大,利用電路中隔直電容的作用,就可以隔斷暗電流,消除溫度的影響.
5)頻率特性
光敏晶體管受調(diào)制光照射時(shí),相對(duì)靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特性.如圖7.2.11所示.減少負(fù)載電阻能提高響應(yīng)頻率,但輸出降低.一般來(lái)說(shuō),光敏三極管的頻響比光敏二極管差得多,鍺光敏三極管的頻響比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí).
圖7.2.8 光敏晶體管的光譜特性 圖7.2.9 光敏三極管的伏安特性
圖7.2.10 光敏晶體管的溫度特性 圖7.2.11 光敏晶體管的頻率特性
7.2.3 光生伏特效應(yīng)器件
光電池是一種自發(fā)電式的光電元件,它受到光照時(shí)自身能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì),在不加電源的情況下,只要接通外電路,便有電流通過(guò).光電池的種類很多,有硒,氧化亞銅,硫化鉈,硫化鎘,鍺,硅,砷化鎵光電池等,其中應(yīng)用最廣泛的是硅光電池,因?yàn)樗幸幌盗袃?yōu)點(diǎn),例如性能穩(wěn)定,光譜范圍寬,頻率特性好,轉(zhuǎn)換效率高,能耐高溫輻射等.另外,由于硒光電池的光譜峰值位于人眼的視覺(jué)范圍,所以很多分析儀器,測(cè)量?jī)x表也常用到它.下面著重介紹硅光電池.
7.2.3.1 工作原理
硅光電池的工作原理基于光生伏特效應(yīng),它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻人一些P型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積PN結(jié),見圖7.2.12a.當(dāng)光照射P區(qū)表面時(shí),若光子能量大于硅的禁帶寬度,則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子.空穴對(duì),P區(qū)表面吸收的光子最多,激發(fā)的電子空穴最多,越向內(nèi)部越少.這種濃度差便形成從表面向體內(nèi)擴(kuò)散的自然趨勢(shì).由于PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的,它使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子—空穴對(duì)分離,光生電子被推向N區(qū),光生空穴被留在P區(qū).從而使N區(qū)帶負(fù)電,P區(qū)帶正電,形成光生電動(dòng)勢(shì).若用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū),電路中就有光電流流過(guò).
7.2.3.2 基本特性
1)光譜特性
光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光,靈敏度是不同的.圖7.2.13是硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線.從圖中可知,不同材料的光電池適用的入射光波長(zhǎng)范圍也不相同.硅光電池的適用范圍寬,對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)可在0.45~1.1之間,而硒光電池只能在0.34～0.57波長(zhǎng)范圍,它適用于可見光檢測(cè).
圖7.2.12 光電池 圖7.2.13 光電池的光譜特性
在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)來(lái)選擇光電池,當(dāng)然也可根據(jù)現(xiàn)有的光電池來(lái)選擇光源,但是要注意光電池的光譜峰值位置不僅和制造光電池的材料有關(guān),同時(shí),也和制造工藝有關(guān),而且隨著使用溫度的不同會(huì)有所移動(dòng).
2)光電特性
光電池在不同的光照度下,光生電動(dòng)勢(shì)和光電流是不相同的.硅光電池的光電特性如圖7.2.14所示.其中曲線1是負(fù)載電阻無(wú)窮大時(shí)的開路電壓特性曲線,曲線2是負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的短路電流特性曲線.開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的,而且在光照度為20001x時(shí)就趨于飽和,而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系,負(fù)載電阻越小,這種線性關(guān)系越好,而且線性范圍越寬.因此檢測(cè)連續(xù)變化的光照度時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量減小負(fù)載電阻,使光電池在接近短路的狀態(tài)工作,也就是把光電池作為電流源來(lái)使用.在光信號(hào)斷續(xù)變化的場(chǎng)合,也可以把光電池作為電壓源使用.
圖7.2.14 硅光電池的光電特性 圖7.2.14 硅光電池的溫度特性
3)溫度特性
光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況.由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移,影響測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo),因此溫度特性是光電池的重要特性之一.從圖7.2.15中可以看出硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降,溫度上升1℃,開路電壓約降低3mV.短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的.因此,光電池作為檢測(cè)元件時(shí),應(yīng)考慮溫度漂移的影響,并采用相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償.
4)頻率特性
光電池的頻率特性是指輸出電流與入射光調(diào)制頻率的關(guān)系.
當(dāng)入射光照度變化時(shí),由于光生電子.空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合都需要一定時(shí)間,因此入射光調(diào)制頻率太高時(shí),光電池輸出電流的變化幅度將下降.硅光電池的頻率特性較好,工作頻率的上限約為數(shù)萬(wàn)赫茲,而硒光電池的頻率特性較差.在調(diào)制頻率較高的場(chǎng)合,應(yīng)采用硅光電池,并選擇面積較小的硅光電池和較小的負(fù)載電阻,進(jìn)一步減小響應(yīng)時(shí)間,改善頻率特性.
7.3 光電傳感器

光電傳感器通常由光源,光學(xué)通路和光電元件三部分組成,如圖7.3.1所示.圖中,Ф1是光源發(fā)出的光信號(hào),Ф2是光電器件接受的光信號(hào),被測(cè)量可以是x1或者x2,它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化,從而影響傳感器輸出的電信號(hào)I.光電傳感器設(shè)計(jì)靈活,形式多樣,在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用.
光電傳感器的敏感范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電感,電容,磁力,超聲波傳感器的敏感范圍.此外,光電傳感器的體積很小,而敏感范圍很寬,加上機(jī)殼有很多樣式,幾乎可以到處使用.最后,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,光電傳感器在價(jià)錢方面可以同用其他技術(shù)制造的傳感器競(jìng)爭(zhēng).7.3.1 光電傳感器的類型
這種傳感器中光電元件接受的光通量隨被測(cè)量連續(xù)變化,因此,輸出的光電流也是連續(xù)變化的,并與被測(cè)量呈確定的函數(shù)關(guān)系,這類傳感器通常有以下四種形式.
1)光源本身是被測(cè)物,它發(fā)出的光投射到光電元件上,光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù),如圖7.3.2a所示.這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計(jì)和照度計(jì).
2)恒定光源發(fā)射的光通量穿過(guò)被測(cè)物,其中一部分被吸收,剩余的部分投射到光電元件上,吸收量取決于被測(cè)物的某些參數(shù).如圖7.3.2b所示.可用于測(cè)量透明度,混濁度.
3)恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測(cè)物上,由被測(cè)物表面反射后再投射到光電元件上,如圖7.3.2c所示.反射光的強(qiáng)弱取決于被測(cè)物表面的性質(zhì)和狀態(tài),因此可用于測(cè)量工件表面粗糙度,紙張的白度等.
4)從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達(dá)光電元件的途中受到被測(cè)物的遮擋,使投射到光電元件上的光通量減弱,光電元件的輸出反映了被測(cè)物的尺寸或位置.如圖7.3.2d所示.這種傳感器可用于工件尺寸測(cè)量,振動(dòng)測(cè)量等場(chǎng)合.
7.3.1.2 脈沖式光電傳感器
在這種傳感器中,光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的,因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài),它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號(hào),多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量等場(chǎng)合.
7.3.1.1 模擬式光電傳感器
圖7.3.1 光電傳感器原理框圖 圖7.3.2 模擬式光電傳感器的常見形式
7.3.2 光電傳感器的常用光源

光源是許多光電傳感器的重要組成部分,要使光電傳感器很好地工作,除了合理選用光電元件外,還必須配備合適的光源.常用光源有以下幾種.
7.3.2.1 發(fā)光二極管
發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件.它具有體積小,功耗低,壽命長(zhǎng),響應(yīng)快,機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),并能和集成電路相匹配.因此,廣泛地用于計(jì)算機(jī),儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中.
7.3.2.2 鎢絲燈泡
這是一種最常用的光源,它具有豐富的紅外線.如果選用的光電元件對(duì)紅外光敏感,構(gòu)成傳感器時(shí)可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除,而僅用它的紅外線做光源,這樣,可有效防止其他光線的干擾.
7.3.2.3 激光
激光與普通光線相比具有能量高度集中,方向性好,頻率單純,相干性好等優(yōu)點(diǎn),是很理想的光源.
7.3.3 光電轉(zhuǎn)換電路
由光源,光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測(cè)時(shí),還必須配備適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路.測(cè)量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流.不同的光電元件,所要求的測(cè)量電路也不相同.下面介紹幾種半導(dǎo)體光電元件常用的測(cè)量電路.
半導(dǎo)體光敏電阻可以通過(guò)較大的電流,所以在一般情況下,無(wú)需配備放大器.在要求較大的輸出功率時(shí),可用圖7.3.3所示的電路.
圖7.3.4a給出帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饷舳O管橋式測(cè)量電路.當(dāng)入射光強(qiáng)度緩慢變化時(shí),光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的,溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移,必須進(jìn)行補(bǔ)償.圖中一個(gè)光敏二極管作為檢測(cè)元件,另一個(gè)裝在暗盒里,置于相鄰橋臂中,溫度的變化對(duì)兩只光敏二極管的影響相同,因此,可消除橋路輸出隨溫度的漂移.
光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí),或者希望得到較大的輸出功率時(shí),也可以配以放大電路,如圖7.3.4b所示.
由于光敏電池即使在強(qiáng)光照射下,最大輸出電壓也僅0.6V,還不能使下一級(jí)晶體管有較大的電流輸出,故必須加正向偏壓,如圖7.3.5a所示.為了減小晶體管基極電路阻抗變化,盡量降低光電池在無(wú)光照時(shí)承受的反向偏壓,可在光電池兩端并聯(lián)一個(gè)電阻.或者像圖7.3.5b所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時(shí)產(chǎn)生的電壓疊加,使硅管e,b極間電壓大于0.7V,而導(dǎo)通工作.這種情況下也可以使用硅光電池組,如圖7.3.5c所示.
圖7.3.3 光敏電阻測(cè)量電路 圖7.3.4 光敏晶體管測(cè)量電路
圖7.3.5 光電池測(cè)量電路
半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器.硅光敏二極管通過(guò)集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度,如圖7.3.6a所示.當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為IФ時(shí),輸出電壓U0=IФRF為了保證光敏二極管處于反向偏置,在它的正極要加一個(gè)負(fù)電壓.圖7.3.6b給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路,由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系,因此將它接在運(yùn)放的正,反相輸入端之間,利用這兩端電位差接近于零的特點(diǎn),可以得到較好的效果.在圖中所示條件下,輸出電壓U0=2IФRF.
圖7.3.6 使用運(yùn)放的光敏元件放大電路
7.3.4 常見光電傳感器及應(yīng)用
7.3.4.1 透射式光電傳感器及在煙塵濁度監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用
透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等,以相對(duì)的方向裝在中間帶槽的支架上.當(dāng)槽內(nèi)無(wú)物體時(shí),發(fā)光管發(fā)出的光直接照在光敏三極管的窗口上,從而產(chǎn)生一定大的電流輸出,當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)槽內(nèi)時(shí)則擋住光線,光敏管無(wú)輸出,以此可識(shí)別物體的有無(wú).適用于光電控制,光電計(jì)量等電路中,可檢測(cè)物體的有無(wú),運(yùn)動(dòng)方向,轉(zhuǎn)速等方面.
防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一.為了消除工業(yè)煙塵污染,首先要知道煙塵排放量,因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè),自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警.
圖7.3.7 透射型BYD3M.TDT光電傳感器使用示意圖
圖7.3.8 吸收式煙塵濁度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖
煙道里的煙塵濁度是通過(guò)光在煙道在傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的.如果煙道濁度增加,光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加,到達(dá)光檢測(cè)器的光減少.因此光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化.本應(yīng)中應(yīng)用奧托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光電傳感器,其光源(發(fā)光器)與接收器不在同一個(gè)機(jī)殼內(nèi),見圖7.3.7使用示意圖:先將發(fā)射器和接收器對(duì)準(zhǔn)并固定好后才可以通電(12.24)VDC;接著在ON狀態(tài)設(shè)定好發(fā)射器的中心位置,然后左右上下方向調(diào)節(jié)接收器和發(fā)射器的位置;最后檢測(cè)目標(biāo)穩(wěn)定后固定好發(fā)射器和接收器.
_ 圖7.3.8是吸收式煙塵濁度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成框圖:為了檢測(cè)出煙塵中對(duì)人體危害性最大的亞微米顆粒的濁度和避免水蒸氣與二氧二碳對(duì)光源衰減的影響,選取可見光作光源(400.700nm波長(zhǎng)的白熾光).光檢測(cè)器光譜響應(yīng)范圍為400.600nm的光電管,獲取隨濁度變化的相應(yīng)電信號(hào).為了提高檢測(cè)靈敏度,采用具有高增閃,高輸入阻抗,低零漂,高共模抑制比的運(yùn)算放大器,對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大.刻度校正被用來(lái)進(jìn)行調(diào)零與調(diào)滿刻度,以保證測(cè)試準(zhǔn)確性.顯示器可顯示濁度瞬時(shí)值.報(bào)警電路由多諧振蕩器組成,當(dāng)運(yùn)算放大器輸出濁度信號(hào)超過(guò)規(guī)定時(shí),多諧振蕩器工作,輸出信號(hào)經(jīng)放大后推動(dòng)喇叭發(fā)出報(bào)警信號(hào).
7.3.4.2 漫反射型光電傳感器
漫射型光電傳感器有時(shí)也稱作接近傳感器.在這種傳感器中,發(fā)光器和接收器裝在同一個(gè)機(jī)殼中.發(fā)光器發(fā)出的光線射到目標(biāo)物體上,目標(biāo)物體光線反射回來(lái),什么角度的反射光都有.反射光中有一部分送回到接收器,于是便把目標(biāo)物體檢測(cè)出來(lái)了.由于目標(biāo)物體的角度以及反射性能,發(fā)光器產(chǎn)生的能量大部分是損失掉,所以與鏡面反射(回射)型和光束阻檔型光電傳感器相比,漫射型光電傳感器的敏感范圍比較小.
雖然該類傳感器裝簡(jiǎn)單置,即它不需要其他的元器件,例如反射鏡或者單獨(dú)的接收器.但敏感范圍及接收器的能力受目標(biāo)物體的顏色,尺寸,表面光潔度等因素的影響較大,故此著重研究其漫射.聚焦型傳感器.
_7.3.4.2 .1 漫射.聚焦型傳感器
漫射.聚焦型傳感器是效率較高的一種漫射型光電傳感器.發(fā)光器透鏡聚焦在傳感器前面固定的一點(diǎn)上.接收器透鏡也是聚焦在同一點(diǎn)上.敏感的范圍是固定的,取決于聚焦點(diǎn)的位置.這種傳感器能夠檢測(cè)在焦點(diǎn)上的物體,允許物體前后偏離焦點(diǎn)一定距離,這個(gè)距離稱作"敏感窗口".當(dāng)物體在敏感窗口以外,在焦點(diǎn)之前或者之后時(shí)便檢測(cè)不到.敏感窗口取決于目標(biāo)的反射性能和靈敏度的調(diào)節(jié)狀況.因?yàn)樗涑鰜?lái)的光能是聚焦在一個(gè)點(diǎn)上面,增益增大了很多,于是傳感器很容易地就檢測(cè)到窄小的物體或者反射性能差的物體,其原理示意圖見7.3.9所示.
具有背景光抑制功能的漫射型光電傳感器只能檢測(cè)一定距離的目標(biāo)物體,在這個(gè)距離以外的物體它便檢測(cè)不到.在各種漫射型光電傳感器中,這種類型的傳感器敏感目標(biāo)物體顏色的靈敏度是最低的.這種傳感器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是,它不會(huì)檢測(cè)背景物體.而普通的漫射型光電傳感器往往會(huì)把背景物體誤認(rèn)為是目標(biāo)物體.
對(duì)于具有機(jī)械式背景光抑制功能的漫射型光電傳感器,它里面有兩個(gè)接收元件:一個(gè)接收來(lái)自目標(biāo)物體的光,另一個(gè)接收背景光.目標(biāo)接收器E1上的反射光的強(qiáng)度超過(guò)背景光接收器E2上的反射光時(shí),便把目標(biāo)檢測(cè)出來(lái),產(chǎn)生輸出信號(hào).當(dāng)背景光接收器上的反射光的強(qiáng)度超過(guò)目標(biāo)接收器上的反射光時(shí),不檢測(cè)目標(biāo),輸出狀態(tài)不發(fā)生變化.在距離可變的傳感器中,焦點(diǎn)可以用機(jī)械的方法進(jìn)行調(diào)節(jié).
_ 對(duì)于具有電子式背景光抑制功能的漫射型傳感器,在傳感器中使用一只位置敏感元件(PSD)而不是使用機(jī)械元件.發(fā)光器發(fā)出一束光線,光束反射回來(lái),從目標(biāo)物體反射回來(lái)的光線和從背景物體反射回來(lái)的光線到達(dá)位置敏感元件的兩個(gè)不同位置.傳感器對(duì)到達(dá)位置敏感元件這兩點(diǎn)的光進(jìn)行比較,并將這個(gè)信號(hào)與事先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較,從而決定輸出的狀見圖7.3.10所示.
圖7.3.9漫射光聚焦型光電傳感器應(yīng)用原理圖 圖7.3.10 電子方法抑制背景光
7.3.4.2 .2 實(shí)用背景抑制漫反射光電傳感器
這種傳感器發(fā)光器和接收器裝在同一個(gè)機(jī)殼中,采用背景抑制技術(shù),將由目標(biāo)之外的物體反射光引起假切換的危險(xiǎn)降低到最小.反射光通過(guò)傳感器內(nèi)一系列接收元件收集,并給出一個(gè)輸出.如果目標(biāo)移動(dòng)并且從離預(yù)設(shè)距離更遠(yuǎn)的物體上得到反射時(shí),接收的光線角度將改變.反過(guò)來(lái)將影響接收元件的輸出,并且傳感器不響應(yīng).該背景抑制漫射光電傳感器控制(NPN)輸出線路圖如7.3.11所示.
圖7.3.11 鏡面反射(回射)式傳感器
圖7.3.12 鏡面反射式光電傳感器工作原理圖
鏡面反射式光電傳感器,它的發(fā)光器和接收器裝在同一個(gè)機(jī)殼中,這與漫射型傳感器是一樣的.但是它使用一只反射鏡把發(fā)光器產(chǎn)生的光線反射到接收器上.當(dāng)目標(biāo)物體阻擋了光電傳感器送往反射鏡的光線時(shí),便把目標(biāo)物體檢測(cè)出來(lái),見圖7.3.12所示鏡面反射式光電傳感器工作原理圖.一般地講,與漫射型傳感器相比,鏡面反射式傳感器的敏感距離比較大,這是因?yàn)?與大多數(shù)目標(biāo)物體的反射率相比,反射鏡的反射效率很高.在鏡面反射式傳感器中,目標(biāo)物體的顏色和表面光潔度不會(huì)影響敏感距離,然而在漫射型傳感器中,目標(biāo)物體的顏色和表面光潔度會(huì)影響敏感距離.
圖7.3.13 鏡面反射式光電傳感器使用示意圖
圖7.3.13為鏡面反射式光電傳感器使用示意圖:應(yīng)先將傳感器和反射鏡面對(duì)面安裝后,連接電源;后再調(diào)節(jié)傳感器或反射鏡面的上下左右位置,使傳感器的指示燈變亮;最后可靠安裝兩者后,并校對(duì)使其檢測(cè)到目標(biāo);如果被測(cè)物的反射率比發(fā)射鏡面高,它會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作,因此,在傳感器和被測(cè)物留有足夠的空間,或把被測(cè)物和光軸成30.45度的角度.
7.3.4.3遮光式光電傳感器
遮光式光電傳感器是第三種也是最后一種用光電方法進(jìn)行檢測(cè)的光電傳感器.這種傳感器需要兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)殼,一個(gè)機(jī)殼中安裝發(fā)光器,另一個(gè)機(jī)殼中安裝接收器.發(fā)光器射出來(lái)的光線對(duì)準(zhǔn)接收器,當(dāng)有目標(biāo)物體把光線擋住時(shí),接收器的輸出便發(fā)生變化.在三種光電檢測(cè)技術(shù)中,光束阻擋型傳感器的效率最高,能夠進(jìn)行檢測(cè)的范圍也是最大的.
遮光式光電傳感器有很多類型.最常見的是用一只發(fā)光器,一只接收器,在發(fā)光器與接收器之間只有一束光線.另一種是"槽式"或"叉式"光電傳感器,這時(shí),發(fā)光器和接收器都裝在同一個(gè)機(jī)殼中,不存在對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題.光柵是由很多不同的發(fā)光器和不同的接收器排列起來(lái)組成的,發(fā)光器裝在一個(gè)機(jī)殼中,接收器裝在另一個(gè)機(jī)殼中,當(dāng)它們互相對(duì)準(zhǔn)時(shí),便形成一片光束.
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7.4 光電傳感器的應(yīng)用
光電檢測(cè)方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測(cè)參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,體積小.近年來(lái),隨著光電技術(shù)的發(fā)展,光電傳感器已成為系列產(chǎn)品,其品種及產(chǎn)量日益增加,用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格產(chǎn)品,在各種輕工自動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用.
7.4.1 光電式帶材跑偏檢測(cè)器
帶材跑偏檢測(cè)器用來(lái)檢測(cè)帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向,從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào),主要用于印染,送紙,膠片,磁帶生產(chǎn)過(guò)程中.光電式帶材跑偏檢測(cè)器原理如圖7.4.1所示.光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)透鏡1會(huì)聚為平行光束,投向透鏡2,隨后被會(huì)聚到光敏電阻上.在平行光束到達(dá)透鏡2的途中,有部分光線受到被測(cè)帶材的遮擋,使傳到光敏電阻的光通量減少.
圖7.4.1 帶材跑偏檢測(cè)器工作原理 圖7.4.2 測(cè)量電路
圖7.4.2為測(cè)量電路簡(jiǎn)圖.R1,R2是同型號(hào)的光敏電阻.R1作為測(cè)量元件裝在帶材下方,R2用遮光罩罩住,起溫度補(bǔ)償作用.當(dāng)帶材處于正確位置(中間位)時(shí),由R1,R2,R3,R4組成的電橋平衡,使放大器輸出電壓uo為0.當(dāng)帶材左偏時(shí),遮光面積減少,光敏電阻R1阻值減少,電橋失去平衡.差動(dòng)放大器將這一不平衡電壓加以放大,輸出電壓為負(fù)值,它反映了帶材跑偏的方向及大小.反之,當(dāng)帶材右偏時(shí),uo為正值.輸出信號(hào)uo一方面由顯示器顯示出來(lái),另一方面被送到執(zhí)行機(jī)構(gòu),為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號(hào).
7.4.2 包裝充填物高度檢測(cè)
用容積法計(jì)量包裝的成品,除了對(duì)重量有一定誤差范圍要求外,一般還對(duì)充填高度有一定的要求,以保證商品的外觀質(zhì)量,不符合充填高度的成品將不許出廠.圖7.4.3所示為借助光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度的原理.當(dāng)充填高度h偏差太大時(shí),光電接頭沒(méi)有電信號(hào),即由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將包裝物品推出進(jìn)行處理.
圖7.4.3 利用光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度
利用光電開關(guān)還可以進(jìn)行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì),對(duì)裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),例如灌裝時(shí)瓶蓋是否壓上,商標(biāo)是否漏貼,以及送料機(jī)構(gòu)是否斷料等