光电传感器工作原理与应用

光电式传感器工作原理与应用

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D2,…….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
光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的情况.由于它关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移,影响测量精度或控制精度等重要指标,因此温度特性是光电池的重要特性之一.从图7.2.15中可以看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降,温度上升1℃,开路电压约降低3mV.短路电流随温度上升却是缓慢增加的.因此,光电池作为检测元件时,应考虑温度漂移的影响,并采用相应的措施进行补偿.
4)频率特性
光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系.
当入射光照度变化时,由于光生电子.空穴对的产生和复合都需要一定时间,因此入射光调制频率太高时,光电池输出电流的变化幅度将下降.硅光电池的频率特性较好,工作频率的上限约为数万赫兹,而硒光电池的频率特性较差.在调制频率较高的场合,应采用硅光电池,并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻,进一步减小响应时间,改善频率特性.
7.3 光电传感器

光电传感器通常由光源,光学通路和光电元件三部分组成,如图7.3.1所示.图中,Ф1是光源发出的光信号,Ф2是光电器件接受的光信号,被测量可以是x1或者x2,它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化,从而影响传感器输出的电信号I.光电传感器设计灵活,形式多样,在越来越多的领域内得到广泛的应用.
光电传感器的敏感范围远远超过了电感,电容,磁力,超声波传感器的敏感范围.此外,光电传感器的体积很小,而敏感范围很宽,加上机壳有很多样式,几乎可以到处使用.最后,随着技术的不断发展,光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争.7.3.1 光电传感器的类型
这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化,因此,输出的光电流也是连续变化的,并与被测量呈确定的函数关系,这类传感器通常有以下四种形式.
1)光源本身是被测物,它发出的光投射到光电元件上,光电元件的输出反映了光源的某些物理参数,如图7.3.2a所示.这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计.
2)恒定光源发射的光通量穿过被测物,其中一部分被吸收,剩余的部分投射到光电元件上,吸收量取决于被测物的某些参数.如图7.3.2b所示.可用于测量透明度,混浊度.
3)恒定光源发射的光通量投射到被测物上,由被测物表面反射后再投射到光电元件上,如图7.3.2c所示.反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态,因此可用于测量工件表面粗糙度,纸张的白度等.
4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡,使投射到光电元件上的光通量减弱,光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置.如图7.3.2d所示.这种传感器可用于工件尺寸测量,振动测量等场合.
7.3.1.2 脉冲式光电传感器
在这种传感器中,光电元件接受的光信号是断续变化的,因此光电元件处于开关工作状态,它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号,多用于光电计数和光电式转速测量等场合.
7.3.1.1 模拟式光电传感器
图7.3.1 光电传感器原理框图 图7.3.2 模拟式光电传感器的常见形式
7.3.2 光电传感器的常用光源

光源是许多光电传感器的重要组成部分,要使光电传感器很好地工作,除了合理选用光电元件外,还必须配备合适的光源.常用光源有以下几种.
7.3.2.1 发光二极管
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.
7.3.2.2 钨丝灯泡
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.
7.3.2.3 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.
7.3.3 光电转换电路
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7.3.3所示的电路.
图7.3.4a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作为检测元件,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7.3.4b所示.
由于光敏电池即使在强光照射下,最大输出电压也仅0.6V,还不能使下一级晶体管有较大的电流输出,故必须加正向偏压,如图7.3.5a所示.为了减小晶体管基极电路阻抗变化,尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压,可在光电池两端并联一个电阻.或者像图7.3.5b所示的那样利用锗二极管产生的正向压降和光电池受到光照时产生的电压叠加,使硅管e,b极间电压大于0.7V,而导通工作.这种情况下也可以使用硅光电池组,如图7.3.5c所示.
图7.3.3 光敏电阻测量电路 图7.3.4 光敏晶体管测量电路
图7.3.5 光电池测量电路
半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器.硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度,如图7.3.6a所示.当光照产生的光电流为IФ时,输出电压U0=IФRF为了保证光敏二极管处于反向偏置,在它的正极要加一个负电压.图7.3.6b给出硅光电池的光电转换电路,由于光电池的短路电流和光照成线性关系,因此将它接在运放的正,反相输入端之间,利用这两端电位差接近于零的特点,可以得到较好的效果.在图中所示条件下,输出电压U0=2IФRF.
图7.3.6 使用运放的光敏元件放大电路
7.3.4 常见光电传感器及应用
7.3.4.1 透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用
透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等,以相对的方向装在中间带槽的支架上.当槽内无物体时,发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上,从而产生一定大的电流输出,当有物体经过槽内时则挡住光线,光敏管无输出,以此可识别物体的有无.适用于光电控制,光电计量等电路中,可检测物体的有无,运动方向,转速等方面.
防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一.为了消除工业烟尘污染,首先要知道烟尘排放量,因此必须对烟尘源进行监测,自动显示和超标报警.
图7.3.7 透射型BYD3M.TDT光电传感器使用示意图
图7.3.8 吸收式烟尘浊度监测系统组成框图
烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的.如果烟道浊度增加,光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加,到达光检测器的光减少.因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化.本应中应用奥托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光电传感器,其光源(发光器)与接收器不在同一个机壳内,见图7.3.7使用示意图:先将发射器和接收器对准并固定好后才可以通电(12.24)VDC;接着在ON状态设定好发射器的中心位置,然后左右上下方向调节接收器和发射器的位置;最后检测目标稳定后固定好发射器和接收器.
_ 图7.3.8是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图:为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气与二氧二碳对光源衰减的影响,选取可见光作光源(400.700nm波长的白炽光).光检测器光谱响应范围为400.600nm的光电管,获取随浊度变化的相应电信号.为了提高检测灵敏度,采用具有高增闪,高输入阻抗,低零漂,高共模抑制比的运算放大器,对信号进行放大.刻度校正被用来进行调零与调满刻度,以保证测试准确性.显示器可显示浊度瞬时值.报警电路由多谐振荡器组成,当运算放大器输出浊度信号超过规定时,多谐振荡器工作,输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号.
7.3.4.2 漫反射型光电传感器
漫射型光电传感器有时也称作接近传感器.在这种传感器中,发光器和接收器装在同一个机壳中.发光器发出的光线射到目标物体上,目标物体光线反射回来,什么角度的反射光都有.反射光中有一部分送回到接收器,于是便把目标物体检测出来了.由于目标物体的角度以及反射性能,发光器产生的能量大部分是损失掉,所以与镜面反射(回射)型和光束阻档型光电传感器相比,漫射型光电传感器的敏感范围比较小.
虽然该类传感器装简单置,即它不需要其他的元器件,例如反射镜或者单独的接收器.但敏感范围及接收器的能力受目标物体的颜色,尺寸,表面光洁度等因素的影响较大,故此着重研究其漫射.聚焦型传感器.
_7.3.4.2 .1 漫射.聚焦型传感器
漫射.聚焦型传感器是效率较高的一种漫射型光电传感器.发光器透镜聚焦在传感器前面固定的一点上.接收器透镜也是聚焦在同一点上.敏感的范围是固定的,取决于聚焦点的位置.这种传感器能够检测在焦点上的物体,允许物体前后偏离焦点一定距离,这个距离称作"敏感窗口".当物体在敏感窗口以外,在焦点之前或者之后时便检测不到.敏感窗口取决于目标的反射性能和灵敏度的调节状况.因为所射出来的光能是聚焦在一个点上面,增益增大了很多,于是传感器很容易地就检测到窄小的物体或者反射性能差的物体,其原理示意图见7.3.9所示.
具有背景光抑制功能的漫射型光电传感器只能检测一定距离的目标物体,在这个距离以外的物体它便检测不到.在各种漫射型光电传感器中,这种类型的传感器敏感目标物体颜色的灵敏度是最低的.这种传感器的一个主要优点是,它不会检测背景物体.而普通的漫射型光电传感器往往会把背景物体误认为是目标物体.
对于具有机械式背景光抑制功能的漫射型光电传感器,它里面有两个接收元件:一个接收来自目标物体的光,另一个接收背景光.目标接收器E1上的反射光的强度超过背景光接收器E2上的反射光时,便把目标检测出来,产生输出信号.当背景光接收器上的反射光的强度超过目标接收器上的反射光时,不检测目标,输出状态不发生变化.在距离可变的传感器中,焦点可以用机械的方法进行调节.
_ 对于具有电子式背景光抑制功能的漫射型传感器,在传感器中使用一只位置敏感元件(PSD)而不是使用机械元件.发光器发出一束光线,光束反射回来,从目标物体反射回来的光线和从背景物体反射回来的光线到达位置敏感元件的两个不同位置.传感器对到达位置敏感元件这两点的光进行比较,并将这个信号与事先设定的数值进行比较,从而决定输出的状见图7.3.10所示.
图7.3.9漫射光聚焦型光电传感器应用原理图 图7.3.10 电子方法抑制背景光
7.3.4.2 .2 实用背景抑制漫反射光电传感器
这种传感器发光器和接收器装在同一个机壳中,采用背景抑制技术,将由目标之外的物体反射光引起假切换的危险降低到最小.反射光通过传感器内一系列接收元件收集,并给出一个输出.如果目标移动并且从离预设距离更远的物体上得到反射时,接收的光线角度将改变.反过来将影响接收元件的输出,并且传感器不响应.该背景抑制漫射光电传感器控制(NPN)输出线路图如7.3.11所示.
图7.3.11 镜面反射(回射)式传感器
图7.3.12 镜面反射式光电传感器工作原理图
镜面反射式光电传感器,它的发光器和接收器装在同一个机壳中,这与漫射型传感器是一样的.但是它使用一只反射镜把发光器产生的光线反射到接收器上.当目标物体阻挡了光电传感器送往反射镜的光线时,便把目标物体检测出来,见图7.3.12所示镜面反射式光电传感器工作原理图.一般地讲,与漫射型传感器相比,镜面反射式传感器的敏感距离比较大,这是因为,与大多数目标物体的反射率相比,反射镜的反射效率很高.在镜面反射式传感器中,目标物体的颜色和表面光洁度不会影响敏感距离,然而在漫射型传感器中,目标物体的颜色和表面光洁度会影响敏感距离.
图7.3.13 镜面反射式光电传感器使用示意图
图7.3.13为镜面反射式光电传感器使用示意图:应先将传感器和反射镜面对面安装后,连接电源;后再调节传感器或反射镜面的上下左右位置,使传感器的指示灯变亮;最后可靠安装两者后,并校对使其检测到目标;如果被测物的反射率比发射镜面高,它会发生误动作,因此,在传感器和被测物留有足够的空间,或把被测物和光轴成30.45度的角度.
7.3.4.3遮光式光电传感器
遮光式光电传感器是第三种也是最后一种用光电方法进行检测的光电传感器.这种传感器需要两个独立的机壳,一个机壳中安装发光器,另一个机壳中安装接收器.发光器射出来的光线对准接收器,当有目标物体把光线挡住时,接收器的输出便发生变化.在三种光电检测技术中,光束阻挡型传感器的效率最高,能够进行检测的范围也是最大的.
遮光式光电传感器有很多类型.最常见的是用一只发光器,一只接收器,在发光器与接收器之间只有一束光线.另一种是"槽式"或"叉式"光电传感器,这时,发光器和接收器都装在同一个机壳中,不存在对准的问题.光栅是由很多不同的发光器和不同的接收器排列起来组成的,发光器装在一个机壳中,接收器装在另一个机壳中,当它们互相对准时,便形成一片光束.
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7.4 光电传感器的应用
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.近年来,随着光电技术的发展,光电传感器已成为系列产品,其品种及产量日益增加,用户可根据需要选用各种规格产品,在各种轻工自动机上获得广泛的应用.
7.4.1 光电式带材跑偏检测器
带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工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,主要用于印染,送纸,胶片,磁带生产过程中.光电式带材跑偏检测器原理如图7.4.1所示.光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束,投向透镜2,随后被会聚到光敏电阻上.在平行光束到达透镜2的途中,有部分光线受到被测带材的遮挡,使传到光敏电阻的光通量减少.
图7.4.1 带材跑偏检测器工作原理 图7.4.2 测量电路
图7.4.2为测量电路简图.R1,R2是同型号的光敏电阻.R1作为测量元件装在带材下方,R2用遮光罩罩住,起温度补偿作用.当带材处于正确位置(中间位)时,由R1,R2,R3,R4组成的电桥平衡,使放大器输出电压uo为0.当带材左偏时,遮光面积减少,光敏电阻R1阻值减少,电桥失去平衡.差动放大器将这一不平衡电压加以放大,输出电压为负值,它反映了带材跑偏的方向及大小.反之,当带材右偏时,uo为正值.输出信号uo一方面由显示器显示出来,另一方面被送到执行机构,为纠偏控制系统提供纠偏信号.
7.4.2 包装充填物高度检测
用容积法计量包装的成品,除了对重量有一定误差范围要求外,一般还对充填高度有一定的要求,以保证商品的外观质量,不符合充填高度的成品将不许出厂.图7.4.3所示为借助光电检测技术控制充填高度的原理.当充填高度h偏差太大时,光电接头没有电信号,即由执行机构将包装物品推出进行处理.
图7.4.3 利用光电检测技术控制充填高度
利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计,对装配件是否到位及装配质量进行检测,例如灌装时瓶盖是否压上,商标是否漏贴,以及送料机构是否断料等