光電傳感器51977

1、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元件的傳感器.它首先把被測量的變化轉(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.光電檢測方法具有精度高反應(yīng)快非接觸等優(yōu)點(diǎn)而且可測參數(shù)多傳感器的結(jié)構(gòu)簡單形式靈活多樣因此光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛.由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng))輸出量性

2、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量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(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物體放在光路中恒光源發(fā)出的光能量穿過被測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)出的光投射到被測物上再從被測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

3、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)備它可以檢測出其接收到的光強(qiáng)的變化.早期的用來檢測物體有無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

4、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

5、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)比壽命長更好的優(yōu)點(diǎn)就是它能夠以非?？斓乃俣葋黹_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線電波信號(hào).經(jīng)過調(diào)制的LED發(fā)射器就類似于無線電波發(fā)射器其接收器就相當(dāng)于收音機(jī).人們常常有一

6、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)過調(diào)制的光電傳感器的能量的大小與LED光波的波長無太大關(guān)系.一個(gè)LED發(fā)出的光能很少經(jīng)過調(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使用長焦距鏡頭的機(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)過調(diào)制的接收器能忽略周圍的光只對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)制的傳感器用來檢測周圍的光線或紅外光的輻射如剛出爐

7、的紅熱瓶子在這種應(yīng)用場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到.周圍光源接收器也可以用來檢測室外光.但是并不是說經(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)有問題.例如未經(jīng)過調(diào)制的光電傳感器當(dāng)把它直接指向陽光時(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

8、三極管這樣我們就很容易理解為什么將調(diào)制的接收器指向陽光時(shí)它就不能工作了這是周圍光源使其飽和了.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

9、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

10、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(12)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

11、式可知要使光電子逸出陰極表面的必要條件是hA.由于不同材料具有不同的逸出功因此對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

12、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)

13、當(dāng)根據(jù)檢測對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管殼的端面接受入射光.側(cè)窗式陰極則是通過管殼的側(cè)面接收入射光它的陰極通常為反射