光電式傳感器工作原理與應用

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)換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多,傳感器的結(jié)構簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛.
由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(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)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系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)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;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,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.
7.1 概述
光電傳感器是一種小型電子設備,它可以檢測出其接收到的光強的變化.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備,發(fā)射器帶一個校準鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上.在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈作為光源.這些小而堅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60年代,現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設備上看到這些二極管作為指示燈來用.LED就是一種半導體元件,其電氣性能與普通二極管相同,不同之處在于當給LED通電流時,它會發(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抗震動抗沖擊,并且沒有燈絲.另外,LED所發(fā)出的光能只相當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,并能達到更遠的檢測距離).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,藍光,藍綠光或白光.
1970年,人們發(fā)現(xiàn)LED還有一個比壽命長更好的優(yōu)點,就是它能夠以非?？斓乃俣葋黹_關,開關速度可達到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的光信號進行放大.

我們可以將光波的調(diào)制比喻成無線電波的傳送和接收.將收音機調(diào)到某臺,就可以忽略其他的無線電波信號.經(jīng)過調(diào)制的LED發(fā)射器就類似于無線電波發(fā)射器,其接收器就相當于收音機.
人們常常有一個誤解:認為由于紅外光LED發(fā)出的紅外光是看不到的,那么紅外光的能量肯定會很強.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系.一個LED發(fā)出的光能很少,經(jīng)過調(diào)制才將其變得能量很高.一個未經(jīng)調(diào)制的傳感器只有通過使用長焦距鏡頭的機械屏蔽手段,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.
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,如剛出爐的紅熱瓶子,在這種應用場合如果使用其它的傳感器,可能會有誤動作.
如果一個金屬發(fā)射出的光比周圍的光強很多的話,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,當使用在強光環(huán)境下時就會有問題.例如,未經(jīng)過調(diào)制的光電傳感器,當把它直接指向陽光時,它能正常動作.我們每個人都知道,用一塊有放大作用的玻璃將陽光聚集在一張紙上時,很容易就會把紙點燃.設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)制的接收器指向陽光時它就不能工作了,這是周圍光源使其飽和了.
調(diào)制的LED改進了光電傳感器的設計,增大了檢測距離,擴展了光束的角度,人們逐漸接受了這種可靠易于對準的光束.到1980年,非調(diào)制的光電傳感器逐步就退出了歷史舞臺.
紅外光LED是效率最高的光束,同時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區(qū)分顏色(如色標檢測),這就需要用可見光源.
在早期,色標傳感器使用白熾燈做光源,使用光電池接收器,直到后來發(fā)明了高效的可見光LED.現(xiàn)在,多數(shù)的色標傳感器都是使用經(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速度以獲取更長的檢測距離,這是因為檢測距離是一個非常重要的參數(shù).未經(jīng)調(diào)制的傳感器可以用來檢測小的物體或動作非常快的物體,這些場合要求的響應速度都非?？?但是,現(xiàn)在高速的調(diào)制傳感器也可以提供非常快的響應速度,能滿足大多數(shù)的檢測應用.
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,是無源元件,另外,光纖不受任何電磁信號的干擾,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.根據(jù)光學原理,所有光束都可以由光纖來傳輸.
兩條入射光束(入射角在接受角以內(nèi))沿光纖長度方向經(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).這個接受角比兩倍的最大入射角略大,這是因為光纖在從空氣射入密度較大的光纖材料中時會有輕微的折射.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(直徑約50μm)的玻璃纖維絲組成.典型的光纜由幾百根單獨的帶金屬外皮玻璃光纖組成,光纜外部有一層護套保護.光纜的端部有各種尺寸和外形,并且澆注了堅固的透明樹脂.檢測面經(jīng)過光學打磨,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.由于這種光纖費用非常昂貴并且多數(shù)的光纖應用場合并不需要得到一個非常清晰的圖像,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,當然其所得到的圖像也只是一些光.
玻璃光纖外部的保護層通常是柔性的不銹鋼護套,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,其檢測頭做成不同的形狀以適用于不同的檢測要求.玻璃光纖堅固并且性能可靠,可使用在高溫和有化學成分的環(huán)境中,它可以傳輸可見光和紅外光.常見的問題就是由于經(jīng)常彎曲或彎曲半徑過小而導致玻璃絲折斷,對于這種應用場合,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,帶防護外皮的塑料光纖適于安裝在往復運動的機械結(jié)構上.塑料光纖吸收一定波長的光波,包括紅外光,因而塑料光纖只能傳輸可見光.
對射式和直反式光纖玻璃光纖和塑料光纖既有"單根的"-對射式,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測區(qū)域,或從檢測區(qū)域傳輸?shù)浇邮掌?分叉式的光纖有兩個明顯的分支,可分別傳輸發(fā)射光和接收光,使傳感器既可以通過一個分支將發(fā)射光傳輸?shù)綑z測區(qū)域,同時又通過另一個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合,如:適用于真空環(huán)境下的真空傳導光纖(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.根據(jù)光的波粒二像性,我們可以認為光是一種以光速運動的粒子流,這種粒子稱為光子.每個光子具有的能量為
(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的光子轟擊在這個物體上,此時光子能量就傳遞給電子,并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收,電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化,從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應的電效應,我們把這種物理現(xiàn)象稱為光電效應.通常把光電效應分為三類:
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,基于外光電效應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.基于內(nèi)光電效應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)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應,基于光生伏特效應的光電元件有光電池等.
7.2.1 外光電效應器件
7.2.1.1 工作原理
光電管是利用外光電效應制成的光電元件,其外形和結(jié)構如圖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),當入射光照射在陰極上時,單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子,從而使自由電子的能量增加h.當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時,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,因此對每一種陰極材料,入射光都有一個確定的頻率限,當入射光的頻率低于此頻率限時,不論光強多大,都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射,此頻率限稱為"紅限".相應的波長λK為
(7.3)
式中,c為光速;A為逸出功.
光電管正常工作時,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.此時若光強增大,轟擊陰極的光子數(shù)增多,單位時間內(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就和光強成函數(shù)關系,從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.
圖7.2.1 光電管結(jié)構示意圖 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,并保持其強度不變,但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會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,要求人們應當根據(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式陰極.
圖7.2.3 光電倍增管結(jié)構示意圖
光陰極的量子效率是一個重要的參數(shù).波長為λ的光輻射入射到光陰極時,一個入射光子產(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,靈敏檢流計或負載電阻接在陽極A處,當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.每一個電子的轟擊約可產(chǎn)生3～5個二次電子,這樣就實現(xiàn)了電子數(shù)目的放大.D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場加速后轟擊D2,…….這樣的過程一直持續(xù)到最后一級倍增極Dn,每經(jīng)過一級倍增極,電子數(shù)目便被放大一次,倍增極的數(shù)目有8～13個,最后一級倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽極A收集.若倍增電極有n級,各級的倍增率為б,則光電倍增管的倍增率可以認為是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)具有良好的線性關系.光電倍增管的這個特點,使它多用于微光測量.若將靈敏檢流計串接在陽極回路中,則可直接測量陽極輸出電流.若在陽極串接電阻RL作為負載,則可測量RL兩端的電壓,此電壓正比于陽極電流.
圖7.2.4 光電倍增管的基本電路 圖7.2.5 光敏電阻結(jié)構示意圖及符號
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,陽極電流流經(jīng)負載電阻RL得到輸出電壓U0.當用于測量穩(wěn)定的輻射通量時,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,從而使它能夠響應變化緩慢的入射光通量.但當入射光通量為脈沖通量時,則應將電源的負端接地,因為光電倍增管的陰極接地比陽極接地有更低的噪聲,此時輸出端應接人隔離電容,同時各倍增極的并聯(lián)電容亦應接人,以穩(wěn)定脈沖工作時的各級工作電壓,穩(wěn)定增益并防止飽和.
7.2.1.2 與測量有關的兩個參數(shù)
(1) 暗電流
光電倍增管接上工作電壓后,在沒有光照的情況下陽極仍會有一個很小的電流輸出,此電流即稱為暗電流.光電倍增管在工作時,其陽極輸出電流由暗電流和信號電流兩部分組成.當信號電流比較大時,暗電流的影響可以忽略,但是當光信號非常弱,以至于陽極信號電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級時,暗電流將嚴重影響對光信號測量的準確性.所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測量光信號的最小值.一只好的光電倍增管,要求其暗電流小并且穩(wěn)定.
(2) 光譜響應特征
光電倍增管對不同波長的光入射的響應能力是不相同的,這一特性可用光譜響應率表示.在給定波長的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電倍增管的絕對光譜響應率,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)生的陽極電流;S(λ)是波長的函數(shù),它與波長的關系曲線稱為光電倍增管的絕對光譜響應曲線.
測量S(λ)十分復雜,因此在一般測量中都是測量它的相對值.為此,可以把S(λ)中的最大值當作一個單位對所有S(λ)值進行歸一化,這時就得到
(7.5)
s(λ)稱為光電倍增管的相對光譜響應率,它與波長的關系曲線稱為光電倍增管的相對光譜響應曲線.s(λ)≤1,是一個無量綱的量,只表示光電倍增管的光譜響應特征.
7.2.2 內(nèi)光電效應器件
7.2.2.1 工作原理
光敏電阻是一種光電效應半導體器件,應用于光存在與否的感應(數(shù)字量)以及光強度的測量(模擬量)等領域.它的體電阻系數(shù)隨照明強度的增強而減小,容許更多的光電流流過.這種阻性特征使得它具有很好的品質(zhì):通過調(diào)節(jié)供應電源就可以從探測器上獲得信號流,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體材料.金屬接觸點蓋在光電半導體面下部.這種光電半導體材料薄膜元件有很高的電阻.所以在兩個接觸點之間,做的狹小,交叉,使得在適度的光線時產(chǎn)生較低的阻值.
光敏電阻的檢測:
A 用一黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住,此時萬用表的指針基本保持不動,阻值接近無窮大.此值越大說明光敏電阻性能越好.若此值很小或接近為零,說明光敏電阻已燒穿損壞,不能再繼續(xù)使用.
B 將一光源對準光敏電阻的透光窗口,此時萬用表的指針應有較大幅度的擺動,阻值明顯減小,此值越小說明光敏電阻性能越好.若此值很大甚至無窮大,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準入射光線,用小黑紙片在光敏電阻的遮光窗上部晃動,使其間斷受光,此時萬用表指針應隨黑紙片的晃動而左右擺動.如果萬用表指針始終停在某一位置不隨紙片晃動而擺動,說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,和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導體PN結(jié)上,PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過程.
光敏二極管的結(jié)構和普通二極管相似,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,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,無光照時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.但是當光照PN結(jié)時,只要光子能量h大于材料的禁帶寬度,就會在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子.空穴對,從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加,它們在外加反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場作用下定向運動,分別在兩個方向上渡越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.空穴對的濃度將相應變動,通過外電路的光電流強度也會隨之變動,光敏二極管就把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號.
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)構如圖7.2.7a所示.
當光敏三極管按圖7.2.7b所示的電路連接時,它的集電結(jié)反向偏置,發(fā)射結(jié)正向偏置.無光照時僅有很小的穿透電流流過,當光線通過透明窗口照射集電結(jié)時,和光敏二極管的情況相似,將使流過集電結(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)的空穴復合,而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的集電極,形成集電極電流IC.這個過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,光敏晶體管的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化,一種光敏晶體管只對一定波長范圍的人射光敏感,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,當入射光波長增加時,相對靈敏度要下降,這是因為光子能量太小,不足以激發(fā)電子—空穴對.當人射光波長太短時,光波穿透能力下降,光子只在半導體表面附近激發(fā)電子—空穴對,卻不能達到PN結(jié),因此相對靈敏度也下降.
從曲線還可以看出,不同材料的光敏晶體管,光譜峰值波長不同.硅管的峰值波長為0.9μm左右,鍺管的峰值波長為1.5μm左右.由于鍺管的暗電流比硅管大,因此鍺管性能較差.因此在探測可見光或赤熱物體時,多采用硅管.但對紅外光進行探測時,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,光敏晶體管的輸出電流和光照度的關系.一般說來,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,光電流隨照度增加較小,并且在光照足夠大時,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都下降的緣故.
4)溫度特性
溫度的變化對光敏晶體管的亮電流影響較小,但是對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,由于亮電流比暗電流大得多,溫度的影響相對來說比較小.但在低照度下工作時,因為亮電流較小,暗電流隨溫度變化就會嚴重影響輸出信號的溫度穩(wěn)定性.在這種情況下,應當選用硅光敏管,這是因為硅管的暗電流要比鍺管小幾個數(shù)量級.同時還可以在電路中采取適當?shù)臏囟妊a償措施,或者將光信號進行調(diào)制,對輸出的電信號采用交流放大,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,相對靈敏度與調(diào)制頻率的關系稱為頻率特性.如圖7.2.11所示.減少負載電阻能提高響應頻率,但輸出降低.一般來說,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數(shù)量級.
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 光生伏特效應器件
光電池是一種自發(fā)電式的光電元件,它受到光照時自身能產(chǎn)生一定方向的電動勢,在不加電源的情況下,只要接通外電路,便有電流通過.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,其中應用最廣泛的是硅光電池,因為它有一系列優(yōu)點,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范圍,所以很多分析儀器,測量儀表也常用到它.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,它是在一塊N型硅片上用擴散的方法摻人一些P型雜質(zhì)而形成的一個大面積PN結(jié),見圖7.2.12a.當光照射P區(qū)表面時,若光子能量大于硅的禁帶寬度,則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子.空穴對,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)擴散的自然趨勢.由于PN結(jié)內(nèi)電場的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的,它使擴散到PN結(jié)附近的電子—空穴對分離,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)帶負電,P區(qū)帶正電,形成光生電動勢.若用導線連接P區(qū)和N區(qū),電路中就有光電流流過.
7.2.3.2 基本特性
1)光譜特性
光電池對不同波長的光,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范圍也不相同.硅光電池的適用范圍寬,對應的入射光波長可在0.45~1.1之間,而硒光電池只能在0.34～0.57波長范圍,它適用于可見光檢測.
圖7.2.12 光電池 圖7.2.13 光電池的光譜特性
在實際使用中應根據(jù)光源的性質(zhì)來選擇光電池,當然也可根據(jù)現(xiàn)有的光電池來選擇光源,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,同時,也和制造工藝有關,而且隨著使用溫度的不同會有所移動.
2)光電特性
光電池在不同的光照度下,光生電動勢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是負載電阻無窮大時的開路電壓特性曲線,曲線2是負載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時的短路電流特性曲線.開路電壓與光照度的關系是非線性的,而且在光照度為20001x時就趨于飽和,而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關系,負載電阻越小,這種線性關系越好,而且線性范圍越寬.因此檢測連續(xù)變化的光照度時,應當盡量減小負載電阻,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使用.在光信號斷續(xù)變化的場合,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.由于它關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移,影響測量精度或控制精度等重要指標,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,光電池作為檢測元件時,應考慮溫度漂移的影響,并采用相應的措施進行補償.
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)制頻率的關系.
當入射光照度變化時,由于光生電子.空穴對的產(chǎn)生和復合都需要一定時間,因此入射光調(diào)制頻率太高時,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)萬赫茲,而硒光電池的頻率特性較差.在調(diào)制頻率較高的場合,應采用硅光電池,并選擇面積較小的硅光電池和較小的負載電阻,進一步減小響應時間,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,Ф2是光電器件接受的光信號,被測量可以是x1或者x2,它們能夠分別造成光源本身或光學通路的變化,從而影響傳感器輸出的電信號I.光電傳感器設計靈活,形式多樣,在越來越多的領域內(nèi)得到廣泛的應用.
光電傳感器的敏感范圍遠遠超過了電感,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,加上機殼有很多樣式,幾乎可以到處使用.最后,隨著技術的不斷發(fā)展,光電傳感器在價錢方面可以同用其他技術制造的傳感器競爭.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,并與被測量呈確定的函數(shù)關系,這類傳感器通常有以下四種形式.
1)光源本身是被測物,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和照度計.
2)恒定光源發(fā)射的光通量穿過被測物,其中一部分被吸收,剩余的部分投射到光電元件上,吸收量取決于被測物的某些參數(shù).如圖7.3.2b所示.可用于測量透明度,混濁度.
3)恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測物上,由被測物表面反射后再投射到光電元件上,如圖7.3.2c所示.反射光的強弱取決于被測物表面的性質(zhì)和狀態(tài),因此可用于測量工件表面粗糙度,紙張的白度等.
4)從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達光電元件的途中受到被測物的遮擋,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量,振動測量等場合.
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是斷續(xù)變化的,因此光電元件處于開關工作狀態(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,多用于光電計數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合.
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)變成光能的半導體器件.它具有體積小,功耗低,壽命長,響應快,機械強度高等優(yōu)點,并能和集成電路相匹配.因此,廣泛地用于計算機,儀器儀表和自動控制設備中.
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紅外光敏感,構成傳感器時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,是很理想的光源.
7.3.3 光電轉(zhuǎn)換電路
由光源,光學通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時,還必須配備適當?shù)臏y量電路.測量電路能夠把光電效應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,所要求的測量電路也不相同.下面介紹幾種半導體光電元件常用的測量電路.
半導體光敏電阻可以通過較大的電流,所以在一般情況下,無需配備放大器.在要求較大的輸出功率時,可用圖7.3.3所示的電路.
圖7.3.4a給出帶有溫度補償?shù)墓饷舳O管橋式測量電路.當入射光強度緩慢變化時,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,必須進行補償.圖中一個光敏二極管作為檢測元件,另一個裝在暗盒里,置于相鄰橋臂中,溫度的變化對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,或者希望得到較大的輸出功率時,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光照射下,最大輸出電壓也僅0.6V,還不能使下一級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光照時承受的反向偏壓,可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻.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產(chǎn)生的電壓疊加,使硅管e,b極間電壓大于0.7V,而導通工作.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 光敏電阻測量電路 圖7.3.4 光敏晶體管測量電路
圖7.3.5 光電池測量電路
半導體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運算放大器.硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度,如圖7.3.6a所示.當光照產(chǎn)生的光電流為IФ時,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負電壓.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系,因此將它接在運放的正,反相輸入端之間,利用這兩端電位差接近于零的特點,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 使用運放的光敏元件放大電路
7.3.4 常見光電傳感器及應用
7.3.4.1 透射式光電傳感器及在煙塵濁度監(jiān)測上的應用
透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等,以相對的方向裝在中間帶槽的支架上.當槽內(nèi)無物體時,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,當有物體經(jīng)過槽內(nèi)時則擋住光線,光敏管無輸出,以此可識別物體的有無.適用于光電控制,光電計量等電路中,可檢測物體的有無,運動方向,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行監(jiān)測,自動顯示和超標報警.
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)測系統(tǒng)組成框圖
煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道在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,到達光檢測器的光減少.因此光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化.本應中應用奧托尼克斯(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機殼內(nèi),見圖7.3.7使用示意圖:先將發(fā)射器和接收器對準并固定好后才可以通電(12.24)VDC;接著在ON狀態(tài)設定好發(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;最后檢測目標穩(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)測系統(tǒng)的組成框圖:為了檢測出煙塵中對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光源衰減的影響,選取可見光作光源(400.700nm波長的白熾光).光檢測器光譜響應范圍為400.600nm的光電管,獲取隨濁度變化的相應電信號.為了提高檢測靈敏度,采用具有高增閃,高輸入阻抗,低零漂,高共模抑制比的運算放大器,對信號進行放大.刻度校正被用來進行調(diào)零與調(diào)滿刻度,以保證測試準確性.顯示器可顯示濁度瞬時值.報警電路由多諧振蕩器組成,當運算放大器輸出濁度信號超過規(guī)定時,多諧振蕩器工作,輸出信號經(jīng)放大后推動喇叭發(fā)出報警信號.
7.3.4.2 漫反射型光電傳感器
漫射型光電傳感器有時也稱作接近傳感器.在這種傳感器中,發(fā)光器和接收器裝在同一個機殼中.發(fā)光器發(fā)出的光線射到目標物體上,目標物體光線反射回來,什么角度的反射光都有.反射光中有一部分送回到接收器,于是便把目標物體檢測出來了.由于目標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單置,即它不需要其他的元器件,例如反射鏡或者單獨的接收器.但敏感范圍及接收器的能力受目標物體的顏色,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上.接收器透鏡也是聚焦在同一點上.敏感的范圍是固定的,取決于聚焦點的位置.這種傳感器能夠檢測在焦點上的物體,允許物體前后偏離焦點一定距離,這個距離稱作"敏感窗口".當物體在敏感窗口以外,在焦點之前或者之后時便檢測不到.敏感窗口取決于目標的反射性能和靈敏度的調(diào)節(jié)狀況.因為所射出來的光能是聚焦在一個點上面,增益增大了很多,于是傳感器很容易地就檢測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一定距離的目標物體,在這個距離以外的物體它便檢測不到.在各種漫射型光電傳感器中,這種類型的傳感器敏感目標物體顏色的靈敏度是最低的.這種傳感器的一個主要優(yōu)點是,它不會檢測背景物體.而普通的漫射型光電傳感器往往會把背景物體誤認為是目標物體.
對于具有機械式背景光抑制功能的漫射型光電傳感器,它里面有兩個接收元件:一個接收來自目標物體的光,另一個接收背景光.目標接收器E1上的反射光的強度超過背景光接收器E2上的反射光時,便把目標檢測出來,產(chǎn)生輸出信號.當背景光接收器上的反射光的強度超過目標接收器上的反射光時,不檢測目標,輸出狀態(tài)不發(fā)生變化.在距離可變的傳感器中,焦點可以用機械的方法進行調(diào)節(jié).
_ 對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)而不是使用機械元件.發(fā)光器發(fā)出一束光線,光束反射回來,從目標物體反射回來的光線和從背景物體反射回來的光線到達位置敏感元件的兩個不同位置.傳感器對到達位置敏感元件這兩點的光進行比較,并將這個信號與事先設定的數(shù)值進行比較,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用原理圖 圖7.3.10 電子方法抑制背景光
7.3.4.2 .2 實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機殼中,采用背景抑制技術,將由目標之外的物體反射光引起假切換的危險降低到最小.反射光通過傳感器內(nèi)一系列接收元件收集,并給出一個輸出.如果目標移動并且從離預設距離更遠的物體上得到反射時,接收的光線角度將改變.反過來將影響接收元件的輸出,并且傳感器不響應.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機殼中,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.當目標物體阻擋了光電傳感器送往反射鏡的光線時,便把目標物體檢測出來,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,這是因為,與大多數(shù)目標物體的反射率相比,反射鏡的反射效率很高.在鏡面反射式傳感器中,目標物體的顏色和表面光潔度不會影響敏感距離,然而在漫射型傳感器中,目標物體的顏色和表面光潔度會影響敏感距離.
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:應先將傳感器和反射鏡面對面安裝后,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,并校對使其檢測到目標;如果被測物的反射率比發(fā)射鏡面高,它會發(fā)生誤動作,因此,在傳感器和被測物留有足夠的空間,或把被測物和光軸成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行檢測的光電傳感器.這種傳感器需要兩個獨立的機殼,一個機殼中安裝發(fā)光器,另一個機殼中安裝接收器.發(fā)光器射出來的光線對準接收器,當有目標物體把光線擋住時,接收器的輸出便發(fā)生變化.在三種光電檢測技術中,光束阻擋型傳感器的效率最高,能夠進行檢測的范圍也是最大的.
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,發(fā)光器和接收器都裝在同一個機殼中,不存在對準的問題.光柵是由很多不同的發(fā)光器和不同的接收器排列起來組成的,發(fā)光器裝在一個機殼中,接收器裝在另一個機殼中,當它們互相對準時,便形成一片光束.
_
7.4 光電傳感器的應用
光電檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多,傳感器的結(jié)構簡單,形式靈活多樣,體積小.近年來,隨著光電技術的發(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,在各種輕工自動機上獲得廣泛的應用.
7.4.1 光電式帶材跑偏檢測器
帶材跑偏檢測器用來檢測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,主要用于印染,送紙,膠片,磁帶生產(chǎn)過程中.光電式帶材跑偏檢測器原理如圖7.4.1所示.光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡1會聚為平行光束,投向透鏡2,隨后被會聚到光敏電阻上.在平行光束到達透鏡2的途中,有部分光線受到被測帶材的遮擋,使傳到光敏電阻的光通量減少.
圖7.4.1 帶材跑偏檢測器工作原理 圖7.4.2 測量電路
圖7.4.2為測量電路簡圖.R1,R2是同型號的光敏電阻.R1作為測量元件裝在帶材下方,R2用遮光罩罩住,起溫度補償作用.當帶材處于正確位置(中間位)時,由R1,R2,R3,R4組成的電橋平衡,使放大器輸出電壓uo為0.當帶材左偏時,遮光面積減少,光敏電阻R1阻值減少,電橋失去平衡.差動放大器將這一不平衡電壓加以放大,輸出電壓為負值,它反映了帶材跑偏的方向及大小.反之,當帶材右偏時,uo為正值.輸出信號uo一方面由顯示器顯示出來,另一方面被送到執(zhí)行機構,為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號.
7.4.2 包裝充填物高度檢測
用容積法計量包裝的成品,除了對重量有一定誤差范圍要求外,一般還對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技術控制充填高度的原理.當充填高度h偏差太大時,光電接頭沒有電信號,即由執(zhí)行機構將包裝物品推出進行處理.
圖7.4.3 利用光電檢測技術控制充填高度
利用光電開關還可以進行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計,對裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進行檢測,例如灌裝時瓶蓋是否壓上,商標是否漏貼,以及送料機構是否斷料等