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1 光電式傳感器 2 光電傳感器的構(gòu)成 光源 光學(xué)通路 光電元件 應(yīng)用 1 光量變化的非電量 2 能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量 特點(diǎn) 非接觸 響應(yīng)快 性能可靠 被測量的變化 光信號的變化 電信號的變化 3 光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式 即輻射式 直射式 吸收式 遮光式 反射式 4 5 6 7 1概述 1 1光的特性 光波是波長為10 106nm的電磁波 1000 000nm 10nm 780nm 380nm 可見光 紅外光 紫外光 性質(zhì) 光都具有反射 折射 散射 衍射 干涉和吸收等性質(zhì) 8 1905年 愛因斯坦提出了光子假設(shè) 光在空間傳播時(shí) 是不連續(xù)的 也具有粒子性 即一束光是一束以光速運(yùn)動的粒子流 愛因斯坦把這些不連續(xù)的量子稱為 光量子 1926年 美國物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱為 光子 并沿用至今 每個(gè)光子的能量為E h 可見 光的頻率愈高 光子的能量愈大 9 2 2光源 發(fā)光器件 1 白熾光源 最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源 一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的 發(fā)光范圍 320nm 2500nm 所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號 特點(diǎn) 壽命短而且發(fā)熱大 效率低 動態(tài)特性差 但對接收光敏元件的光譜特性要求不高 是可取之處 10 2 氣體放電光源 利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈即氣體放電燈 它的光譜是不連續(xù)的 光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān) 改變氣體的成分 壓力 陰極材料和放電電流大小 可得到主要在某一光譜范圍的輻射 11 汞燈 氫燈 鈉燈 鎘燈 氦燈是光譜儀器中常用的光源 統(tǒng)稱為光譜燈 例如低壓汞燈的輻射波長為254nm 鈉燈的輻射波長為589nm 可被用作單色光源 如果光譜燈涂以熒光劑 由于光線與涂層材料的作用 熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長 通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長 如照明日光燈 氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1 2 1 3 12 構(gòu)成 由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成 特點(diǎn) 工作電壓低 響應(yīng)速度快 壽命長 體積小 重量輕 因此獲得了廣泛的應(yīng)用 3 發(fā)光二極管 LED LightEmittingDiode 13 N P 原理 當(dāng)加正向電壓時(shí) 勢壘降低 電子由N區(qū)注入到P區(qū) 和P區(qū)里的空穴復(fù)合 空穴則由P區(qū)注入到N區(qū) 和N區(qū)里的電子復(fù)合 這種電子空穴對的復(fù)合同時(shí)伴隨著光子的放出 因而發(fā)光 14 15 4 激光器激光 Laser Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation 是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一 具有高方向性 高單色性 高亮度和高的相干性四個(gè)重要特性 激光波長一般從0 15 m到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍 X 射線激光器 16 激光器種類繁多 按工作物質(zhì)分類 固體激光器 如紅寶石激光器 氣體激光器 如氦 氖氣體激光器 二氧化碳激光器 液體激光器 染料激光器 半導(dǎo)體激光器 如砷化鎵激光器 17 2 1外光電效應(yīng) 在光的作用下 物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng) 2光電效應(yīng) 兩類 外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng) 18 1887年 首先是赫茲 M Hertz 在證明波動理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的 1902年 勒納 Lenard 也對其進(jìn)行了研究 指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象 但無法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋 1905年 愛因斯坦提出了光子假設(shè) 19 20 2 2內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照在物體上 使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化 或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象 分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng) 光伏效應(yīng) 1 光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下 電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài) 而引起材料電導(dǎo)率的變化 21 22 基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻 23 光生伏特效應(yīng) 在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象 基于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏二極管 三極管 24 3 1光電管及其基本特性 結(jié)構(gòu)與工作原理 3外光電效應(yīng)器件 25 26 將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方 27 光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件 由于它可把太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?因此又稱為太陽能電池 它有較大面積的PN結(jié) 當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí) 在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢 故光電池是有源元件 28 29 光電傳感器的應(yīng)用 1燈光亮度自動控制器 圖7 29燈光亮度自動控制器原理圖 30 燈光亮度自動控制器的電路框圖如圖7 29所示 它主要由環(huán)境光照檢測電橋 放大器 積分器 比較器 過零比較器 鋸齒波形發(fā)生器 雙向晶閘管等組成 過零比較器對50Hz市電電壓的每次過零點(diǎn)進(jìn)行檢測 并控制鋸齒波發(fā)生器使其產(chǎn)生與市電同步的鋸齒波電壓 加在比較器的同相輸入端 由光敏電阻與電阻構(gòu)成的電橋?qū)h(huán)境光照的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓的變化 該電壓經(jīng)放大并由積分電路積分后加到比較器的反相端 其數(shù)值隨環(huán)境光照的變化而緩慢地成比例的變化 上述兩個(gè)電壓經(jīng)比較器比較后 由比較器輸出端得到脈沖寬度隨環(huán)境光照度變化而變化的與市電頻率不同步的控制信號 利用這個(gè)控制信號 其脈沖寬度反比于環(huán)境光照度 觸發(fā)晶閘管 改變晶閘管的導(dǎo)通角 便可使燈光的亮度隨光照度作相反的變化 從而達(dá)到按照環(huán)境光照度自動調(diào)節(jié)照明燈亮度的目的 使室內(nèi)照明自動保持在最佳狀態(tài) 避免人們產(chǎn)生視覺疲勞 31 2工件計(jì)數(shù)裝置 圖7 30工件計(jì)數(shù)裝置 32 3郵政信函過戳裝置 圖7 31郵政信函過戳裝置 33 郵政信函過戳裝置是利用光敏三極管控制過戳機(jī)構(gòu)的通斷來自動實(shí)現(xiàn)信函過戳 其電路原理圖如圖7 31所示 當(dāng)信函未到來時(shí) 光源的光線照在光電三極管上 光電流增大 使三極管VT1導(dǎo)通飽和 三極管VT2截止 繼電器釋放 過戳機(jī)構(gòu)不動作 當(dāng)信函到來把光線擋住 光電三極管的電流為暗電流 由于暗電流很小 使三極管VT1截止 三極管VT2導(dǎo)通 繼電器吸合使常開觸點(diǎn)閉合 過戳機(jī)構(gòu)動作 所以每當(dāng)信函來到 均把繼電器吸合使信函過戳 34 4條形碼掃描筆 圖7 33掃描筆輸出序列圖7 32條形碼掃描筆結(jié)構(gòu) 35 5煙塵濁度監(jiān)測儀防止工業(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 因此必須對煙塵源進(jìn)行監(jiān)測 自動顯示和超標(biāo)報(bào)警 煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的 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)光檢測器的光減少 因而光檢測器輸出信號的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化 36 平行光源 光電探測 放大 顯示 刻度校正 報(bào)警器 吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖 煙道 37 6光電轉(zhuǎn)速傳感器 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖 圖 a 是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤 在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(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 經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號 轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定 在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤 它們具有不同的反射率 當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(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 轉(zhuǎn)換為電脈沖信號 38 7光電池應(yīng)用光電池主要有兩大類型的應(yīng)用 將光電池作光伏器件使用 利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能 即太陽能電池 這是人們探索新能源的一個(gè)重要研究課題 太陽能電池已在宇宙開發(fā) 航空 通信設(shè)施 太陽電池地面發(fā)電站 日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展 成本會逐漸下降 太陽電池將獲得更廣泛的應(yīng)用 將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用 需要光電池具有靈敏度高 響應(yīng)時(shí)間短等特性 但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率 這一類光電池需要特殊的制造工藝 主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中 光電池應(yīng)用舉例如下 39 2 光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用光電池作為光電探測使用時(shí) 其基本原理與光敏二極管相同 但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同 由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓 光電轉(zhuǎn)換效率高 光譜范圍寬 頻率特性好 噪聲低等 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 40 a 光電追蹤電路 12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 圖 a 為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路 用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件 當(dāng)入射光通量相同時(shí) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤 當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí) 電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正 以此達(dá)到跟蹤的目的 光電池在檢測和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路 41 紅外傳感器 一 紅外輻射 紅外輻俗稱紅外線 它是一種不可見光 由于是位于可見光中紅色光以外的光線 故稱紅外線 它的波長范圍大致在0 76 1000 m 紅外線在電磁波譜中的位置如圖8 15所示 工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分 即近紅外 中紅外 遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外 42 電磁波譜圖 43 物體輻射總能量及能量按波長分布決定于溫度 固體在溫度升高時(shí)顏色的變化 例子 低溫火爐輻射能集中在紅光 高溫物體輻射能集中在綠 藍(lán)色 爐火純青 44 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng) 探測器 信號調(diào)理電路及顯示單元等組成 紅外探測器是紅外傳感器的核心 紅外探測器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測紅外輻射的 紅外探測器的種類很多 按探測機(jī)理的不同 分為熱探測器和光子探測器兩大類 二 紅外探測器 45 熱探測器的工作機(jī)理是 利用紅外輻射的熱效應(yīng) 探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高 進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化 通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射 與光子探測器相比 熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低 響應(yīng)時(shí)間長 但熱探測器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬 響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域 可以在常溫下工作 使用方便 應(yīng)用相當(dāng)廣泛 1 熱探測器 46 光子探測器的工作機(jī)理是 利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用 從而改變電子的能量狀態(tài) 引起各種電學(xué)現(xiàn)象 這種現(xiàn)象稱為光子效應(yīng) 根據(jù)所產(chǎn)生的不同電學(xué)現(xiàn)象 可制成各種不同的光子探測器 光子探測器有內(nèi)光電和外光電探測器兩種 后者又分為光電導(dǎo) 光生伏特和光磁電探測器等三種 光子探測器的主要特點(diǎn)是靈敏度高 響應(yīng)速度快 具有較高的響應(yīng)頻率 但探測波段較窄 一般需在低溫下工作 2 光子探測器 47 一 紅外測溫儀紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的 當(dāng)物體的溫度低于1000 時(shí) 它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了 可用紅外探測器檢測其溫度 如采用分離出所需波段的濾光片 可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段 應(yīng)用舉例 48 圖8 17是目前常見的紅外測溫儀方框圖 它是一個(gè)包括光 機(jī) 電一體化的紅外測溫系統(tǒng) 圖中的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)固定焦距的透射系統(tǒng) 濾光片一般采用只允許8 14 m的紅外輻射能通過的材料 步進(jìn)電機(jī)帶動調(diào)制盤轉(zhuǎn)動 將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線 紅外探測器一般為 鉭酸鋰 熱釋電探測器 透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏面上 被測目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上 紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出 49 圖紅外測溫儀方框圖 50 紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性的吸收的特性來對氣體成分進(jìn)行分析的 不同氣體其吸收波段 吸收帶 不同 圖18給出了幾種氣體對紅外線的透射光譜 從圖中可以看出 CO氣體對波長為4 65 m附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力 CO2氣體則發(fā)生在2 78 m和4 26 m附近以及波長大于13 m的范圍對紅外線有較強(qiáng)的吸收能力 如分析CO氣體 則可以利用4 26 m附近的吸收波段進(jìn)行分析 二 紅外線氣體分析儀 51 圖18幾種氣體對紅外線的透射光譜 52 圖19是工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖 該分析儀由紅外線輻射光源 氣室 紅外檢測器及電路等部分組成 光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出3 10 m的紅外線 切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線 以便于紅外線檢測器信號的檢測 測量氣室中通入被分析氣體 參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體 如N2等 紅外檢測器是薄膜電容型 它有兩個(gè)吸收氣室 充以被測氣體 當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后 氣體溫度升高 導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大 53 圖19紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖 54 三 火焰探測報(bào)警器 55 四 燃?xì)鉄崴髦忻}沖點(diǎn)火控制器 56 本章小結(jié) 1 光電效應(yīng) 57 2 光敏電阻 光敏電阻純粹是個(gè)電阻 沒有極性 光敏電阻可以在交流 直流電路中工作 它的參數(shù)有暗電阻 亮電阻 光電流 它的特性有光電特性 光譜特性 伏安特性 頻率特性 光敏電阻的光電特性為非線性 58 3 光敏二極管 光敏二極管的管芯是一個(gè)具有光敏特性的PN結(jié) 在反向電壓下工作 無光照時(shí)只有很小的暗電流 管截止 有光照時(shí)有光電流 管導(dǎo)通 光電流隨光強(qiáng)的增加線性地增加 59 4 光敏三極管 光敏三極管可以看成普通三極管的集電極用光敏二極管替代的結(jié)果 基極通常不引出 只有兩個(gè)電極 無光照射時(shí)的暗電流相當(dāng)于普通三極管的穿透電流 有光照射集電結(jié)附近的基區(qū)時(shí) 激發(fā)出新的電子 空穴時(shí) 經(jīng)放大形成光電流 60 5 光敏晶體管 光敏晶體管的基本特性有光譜特性 伏安特性 光電特性 頻率特性等 光敏電阻 光敏二極管和三極管具有很多共性 不同的半導(dǎo)體材料具有不同的光譜特性 每種半導(dǎo)體產(chǎn)生光電效應(yīng)都有一個(gè)最大波長的限制 也都有最高靈敏度的光波長 61 6 紅外線 紅外線的特點(diǎn) 1 在整個(gè)電磁波段中 紅外線波段的熱功率最大 2 紅外輻射被物體吸收后 很快轉(zhuǎn)換成熱量 使物體的溫度升高 3 物體加熱后可以向外輻射紅外電磁波