电气检测技术4.9.ppt

4 9光电式传感器 电气检测技术 2 光电传感器是一种将光能量转化成电信号的传感器 基本结构如下图 物理基础是光电效应 电气检测技术 3 一 光电效应及其器件 光电效应 光照射在某些物质上 物质的电子吸收光子的能量而释放电子的现象 称为光电效应 被释放的电子叫光电子 能产生光电效应的物质称为光电材料 根据光电效应制造的转换元器件称为光电元件或光敏元件 光电效应的分类 外光电效应 光导效应 光生伏特效应三种 电气检测技术 4 一 外光电效应及器件 光照射在光电材料上 材料表面的电子吸收光能量 当电子吸收的能量足够大时 电子克服正离子的束缚而向外发射进入外界空间 同时也改变了光电材料的导电性能 这种现象称为外光电效应 对于外光电效应 有光电效应方程成立 式中 为普朗克常数为光电子的频率为电子的质量为电子的运动速度为电子的逸出功 电气检测技术 5 结论 1 电子吸收能量大于逸出功A才能产生外光电效应 临界条件下 光子能量等于逸出功 此时光子的频率为产生外光电效应的固有频率 不同光电材料具有不同的固有频率 当光子的频率大于光电材料的固有频率时 才可能产生外光电效应 2 光电材料电子逸出功A为常数 光电子初始动能取决于光子频率 与光强无关 对外光电效应器件 没有阳极电压也产生光电流 为使光电流为零 须加反向截止电压 且该截止电压应与入射光的频率成正比 电气检测技术 6 3 入射光频谱成分不变时 光电流与光强度成正比 4 电子一次性吸收光子的全部能量 光电子发射极为迅速 无需能量存储时间 根据外光电效应的特性制成的光电元件有光电管 光电倍增管等 电气检测技术 7 1 光电管 真空光电管 真空玻璃管内密封有光电阳极A和光电阴极K K上涂有逸出功较小的光电发射材料 光照射在K上时 电子从阴极表面逸出 在外加电场的作用下 在外电路产生光电流I 在负载电阻RL上产生的压降为输出电压U0 电气检测技术 8 充气光电管 真空管内充入少量惰性气体 构成充气光电管 光电子在飞向阳极过程中 和惰性气体原子碰撞使气体电离 增加光电流 光电管灵敏度增加 不过这导致充气光电管的光电流和入射光的强度不成比例 同时充气光电管的稳定性较真空光电管要差 惰性大 受温度影响大 容易衰老等 电气检测技术 9 真空光电管稳定性好 惰性小 温度系数小 随着光电技术发展 灵敏度也不断提高 由于放大技术的提高 对灵敏度要求也不再特别严格 在一般的自动检测过程中 都要求检测元件受温度影响要小 灵敏度稳定 大部分自动检测中 都采用真空光电管 电气检测技术 10 2 光电倍增管 光电倍增管具有电流放大作用 工作原理图如图 电气检测技术 11 光电倍增管由光电阴极 光电阳极及倍增极组成 倍增极成为 次阴极 阴极发出光电子在电场加速下 打到第一倍增极 引起第二次电子发射 上一倍增极的光电子打到下一个倍增极上时 激发出的光电子为原来光电子数目的3 6倍 电气检测技术 12 倍增极数目一般为12 14级 多的30级 最后光电阳极所能接收到的光电子为阴极发射电子的105 106倍 光电倍增管放大倍数可以达到几万倍至几十万倍 即使很微弱的光照也可以产生很大的光电流 电气检测技术 13 主要参数 1 倍整系数式中 为各次阴极电子收集率为总的电子收集率为各次阴极的电子倍增系数 电气检测技术 14 2 阴极灵敏度和总灵敏度 每一个光子在阴极上能激发的平均光电子数 称为阴极灵敏度 每一个光子激发阴极后 在阳极上能收到光电子的平均数 称为光电倍增管的总灵敏度 光电倍增管的灵敏度很高 最高灵敏度可达到10A lm lm 流明 光通量单位 不能受强光 否则易损坏 电气检测技术 15 3 暗电流 使用光电倍增管时 必须把管子放在暗室里避光使用 使其只对入射光起作用 但是由于环境温度 热辐射和其他因素的影响 即使没有光信号输入 在加上电压后 阳极仍有电流 这种电流被称为暗电流 暗电流随环境温度的升高而增大 不过这种暗电流通常可以采用补偿电路加以消除 电气检测技术 16 二 光导效应及器件 高电阻率的半导体 受光照时 吸收光子能量 其电阻率降低的现象 被称为光导效应 多数绝缘体和半导体都有光导效应 其中 半导体的光导效应更为明显 根据光导效应制成的光电元件有光电阻和光导管 以光电阻应用较广泛 当光照射在光电阻上时 光电阻电阻值下降 导电性能增加 光强度愈强 其阻值越小 停止光照 光电阻的阻值就恢复到原始值 电气检测技术 17 光电阻的主要参数 1 暗电阻和亮电阻一定温度下 无光照时的零功率电阻 无外加电压 称为暗电阻 一定温度下 受光照时的零功率电阻 无外加电压 称为亮电阻 光电阻的暗电阻的阻值在兆欧数量级上 而亮电阻的阻值在千欧以下 通常 暗电阻越大 亮电阻越小 光电阻的灵敏度越高 电气检测技术 18 2 暗电流与亮电流在一定的外加电压下流过暗电阻的电流称为暗电流 相应的 流过亮电阻的电流称为亮电流 通常亮电流较之于暗电流要大 3 光电流在相同的外部条件下 指外加电压 亮电流与暗电流之差称为光电流 4 灵敏度无光照时的电阻与有光照时的阻值的相对变化量称为光电阻灵敏度 电气检测技术 19 三 光生伏特效应 半导体受光照射时产生电动势的现象称为光生伏特效应 根据光生伏特效应制成的光电器件 1 光电池2 光电二级管3 光电三极管4 光控晶闸管5 光电耦合器 电气检测技术 20 1 光电池 工作原理如图 N型半导体上扩散一个P区 交接处形成一个PN结 光照射在P区 如光子能量足够大 P区激发电子 空穴对 向PN结扩散中 在内电场作用下 电子迅速流向N区 空穴留在P区 P区缺电子带正电 N区得电子带负电 形成电动势 光电池种类 硅光电池 硒光电池 砷化镓光电池和锗光电池 电气检测技术 21 2 光电二极管结构和工作原理与光电池类似 光电二极管的受光点在PN结处 3 光电三极管光电三极管有两个PN结 受光点在基 集电极的PN结光电三极管的灵敏度要比光电二极管的灵敏度高 电气检测技术 22 4 光耦合器 利用发光二极管单向导电性 在发光二极管VD上加正电压后 PN结内电场降低 载流子的扩散大与漂移运动 P区的空穴注入N区 N区的电子注入P区 电子与空穴相复合而产生能量 释放的能量以单色光的形式出现 该单色光被光敏三极管接收 能量足够大时 光敏三极管V导通 使得电流增加 电流在负载上的压降即为输出电压 电气检测技术 23 二 光电器件的特性 1 光照特性2 光谱特性3 伏安特性4 频率特性5 温度特性 电气检测技术 24 1 光照特性 当光电器件的外加电压一定时 入射的光照度与所产生的光电流之间的关系 电气检测技术 25 2 伏安特性 在一定的光通量或光照度下 所产生的光电流与外加电压之间的关系 即各种典型光电元件的伏安特性曲线如下图 图中 a 真空光电管b 光电倍增管c 光电阻d 光电池e 光电三极管 电气检测技术 26 电气检测技术 27 说明 1 真空光电管 光电倍增管和光电三极管的伏安特性与晶体三极管的伏安特性相似 仅以入射光的强度代替晶体三极管的基极电流而已 2 从光电阻的特性曲线看 有无光照伏安特性曲线有较大区别 且在一定光照下 外加电压升高到一定程度时 光电阻会产生 击穿 现象 3 对于光电池 伏安特性的线性度跟负载电阻的大小有关 负载电阻越小 其伏安特性的线性度也越好 当负载电阻增加时 线性度变差 电气检测技术 28 三 温度特性 光电元件为半导体器件 其特性受温度的影响很大 如图为硅光电池的温度特性曲线 可看出光电池的开路电压随着温度的升高而下降的速度较快 而短路电流随温度增加而缓慢增加 因此当光电池用作测量元件时 在系统电路设计时应要考虑到温度的漂移 采取必要的补偿措施来进行温度补偿 电气检测技术 29 光电阻温度特性 随着温度的增加 光电阻的暗电阻与灵敏度都有所下降 同时温度也影响着它的光谱温度特性 从图中可以看出 它的峰值随着温度的上升向短波方向移动 因此 有时为提高元件的灵敏度 或者为能接受较长波段的红外线辐射而采取一些制冷措施 电气检测技术 30 光电三极管温度特性 暗电流随温度的升高而增加很快 这是由于热激发的缘故 而光电流随温度的升高而增加很少 电路中一般要对暗电流进行温度补偿 否则将会产生输出误差 电气检测技术 31 结论 总的来看 光电元件的特性受温度的影响比较严重 在实际的使用中必须采取温度补偿或恒温措施 以保证足够的精度 电气检测技术 32 四 光谱特性和频率特性 一般而言 某种材料制造的光电元件只对某一波长的入射光具有最高的灵敏度 在选择光电元件时 要考虑光源的波长 较好的灵敏度 不同的光电器件有着不同的频率响应 因此在选用光电器件时 也必须要考虑光电元件的频率特性与调制光的频率要适合 否则将会引起较大的动态误差 电气检测技术 33 三 光电元件信号检测的方法 1 透射式恒光源发出光通量为 光源与接收装置间为待测物体 发出光经被测物体时会被物体吸收一部分能量 最后光敏元件接受的光通量为 满足 为被测物体的吸收系数 为被测物体的厚度 电气检测技术 34 2 反射式恒光源的光通量经被测对象反射后损失部分光通量 达到光敏元件并被接受的光通量为 这种方法可检测物体的表面粗糙度 反射率以及转速 物体转动时 受光面积会有周期性变化 根据此变化就可以测出转速 等 电气检测技术 35 3 遮挡式恒光源发出的光通量被被测对象遮挡住一部分 达到光敏元件的光通量为 光敏元件根据接收到的光通量大小进行测量 这种方法可以用来测量物体的尺寸 振动 位移 膨胀系数 膨胀前后物体尺寸有所变化 等 电气检测技术 36 4 开关式原理如遮挡式 不过连续光源在经过被测物体时被调制成脉冲光照射到光敏元件上 然后转换成电流过电压脉冲进行测量 5 辐射式被测对象辐射的光通量被光敏元件接收 完成有关测量 可测量温度及与温度有关的参数 电气检测技术 37 特点 前四种测量方法 需要有作为光源的恒定的光照 对于辐射式测量方法 被测对象自身作为辐射光的光源 电气检测技术 38 四 光电传感器的应用 测量机械量 热工量及成分量等 1 光电转速测量电路如图光电数字式转速表工作原理图 在待测转速轴上固定一带孔调置盘 恒定光源2产生恒定光 透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上 转换成相应的电脉冲信号 经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号 转速由该脉冲频率的大小获得 电气检测技术 39 在待测转速轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘 它们具有不同反射率 转轴转动时 反光与不反光交替出现 光电敏感器件间断地接收光的反射信号 转换成电脉冲信号 每分钟转速n与脉冲频率f的关系如下 N为孔数或黑白条纹数目 电气检测技术 40 光电脉冲转换电路 电气检测技术 41 电路说明 BG1为光敏三极管 光照射在BG1时 产生光电流 R1上压降增大 BG2导通 触发由BG3和BG4组成的射极耦合触发器 使输出电压U0为高电位 反之U0为低电位 在输出端获得一个脉冲系列信号 该脉冲信号可送到计数电路进行计数 电气检测技术 42 2 光电池应用 光电池至今主要有两大类型的应用 1 作光伏器件使用 利用光生伏特作用直接将太阳能转换成电能 即太阳能电池 2 作光电转换器件应用 需光电池具有灵敏度高 响应时间短等特性 但不要像太阳电池那样的光电转换效率 这类光电池需要特殊的制造工艺 主要用于光电检测和自动控制系统中 电气检测技术 43 光电池作光电探测器件使用时 基本原理与光敏二极管相同 基本结构和制造工艺不完全相同 光电池工作时不需要外加偏压 光电转换效率高 光谱范围宽 频率特性好 噪声低等 因此它已广泛地用于光电读出 光电耦合 光栅测距 激光准直 电影还音 紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等 电气检测技术 44 光电池在检测和控制应用中的基本电路 1 光电跟踪电路 电气检测技术 45 2 光电开关 电气检测技术 46 1