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第九章光电式传感器 光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器 其基础是光电转换元件的光电效应 光电式传感器具有结构简单 非接触 高可靠性 高精度和高分辨率 反应快等特点 故光电式传感器广泛应用于自动检测技术中 9 1光电效应 由于物体吸收了光子的能量而产生电效应的这一现象 称为光电效应 可分为三类 外光电效应 内光电效应 光电导效应 和光生伏特效应 一 外光电效应 1 定义 在光的照射下 物体内的电子逸出表面 向外发射的现象 基于外光电效应的光电器件有 光电管 光电倍增管等 2 原理 一个电子要从物体中逸出表面 必须使光子能量大于表面逸出功 此时逸出表面的电子就具有动能 二 内光电效应 1 定义 在光的照射下 材料的电阻率发生改变的现象 基于内光电效应的光电器件有 光敏电阻 2 原理 光照射到半导体材料上时 价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击 使其由价带越过禁带跃入导带 使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增大 从而使电阻率减小 电导率增大 三 光生伏特效应在光的照射下 物体内部产生电势的现象 利用光势垒效应 基于该效应的光电器件有 光电池 光敏晶体管等 9 2光电器件及其特征一 光电管与光电倍增管1 构造 如图9 1为光电管的典型结构 它是在真空玻璃管内装入两个电极 光阴极和光阳极 光电管的阴极受到光照射后便发射电子 这些电子被具有一定电位的阳极吸引 在光电管内形成空间电子流 如果在外电路中串入一电阻 则在此电阻上将有正比于光电管中空间电流的电压降 如图9 2为光电倍增管的典型结构 它是一个除在玻璃泡内装入光电阴极和光电阳极外 还装有若干个光电倍增极 且在光电倍增极上涂以在电子轰击下可发射更多次级电子的材料 倍增极的形状及位置要正好能使轰击进行下去 在每个倍增极间均依次增大加速电压 设每级的倍增率为 若有n级 则光电倍增管的光电流倍增率将为 n 倍增级数n可在4 14之间 的范围一般是3 6 2 特性光电管的基本特性主要有以下几个方面 1 光电特性光电特性表示当阳极电压一定时 阳极电流I与入射在阴极上光通量 之间的关系 如图9 3 a 为真空光电管的光电特性 图9 3 b 为充气光电管的光电特性 2 伏安特性当入射光的频谱及光通量一定时 阳极与阴极之间的电压同光电流的关系 如图9 4 c 所示 3 光谱特性由于光阴极对光谱有选择性 因此光电管对光谱也有选择性 保持光通量和阳极电压不变 阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性 如图9 4 d 所示 9 4 a 真空光电管的伏安特性 b 充气光电管的伏安特性 光电倍增管的基本特性参数主要有以下几个方面 1 倍增系数M 其中c为收集系数 它反映倍增极收集电子的效率 2 光电阴极的灵敏度及光电倍增管的灵敏度光电阴极的灵敏度是指一个光子照射在阴极上所能激发的电子数 而光电倍增管的灵敏度是指一个光子照射后 在阳极上得到的总电子数 3 光电倍增管的暗电流及本底电流当管子不受光照 但极间加入电压时在阳极上会收集到电子 这时的电流称为暗电流 如果光电倍增管与闪烁体放在一处 在完全蔽光情况下 出现的电流称为本底电流 4 飞行时间及其涨落飞行时间是指从光电阴极发射处电子开始 到收集阳极接受电子为止所经过的时间 一般为10 8s数量级 飞行时间不恒定 其波动值用时间涨落来表示 二 光敏电阻1 光敏电阻的结构光敏电阻的结构很简单 如图9 5所示 它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质 半导体的两端装有金属电极 金属电极与半导体层保持着可靠的电接触 再将涂有半导体物质的玻璃板压入塑料盒内 金属电极与引出线相连接 光敏电阻就通过引出线接入电路 2 光敏电阻的主要参数和基本特性 1 光电流光敏电阻在无光照时的电阻叫 暗电阻 此时的电流叫 暗电流 有光照时的电阻叫 亮电阻 此时的电流叫 亮电流 亮电流与暗电流之差即为 光电流 一般地 光敏电阻的暗电阻是兆欧数量级 亮电阻则在几千欧姆以下 2 光敏电阻的伏安特性在一定照度下 光敏电阻两端所加电压与流过光敏电阻的光电流的关系 如图9 6所示 3 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光电流I和光通量 之间的关系 不同的光敏电阻的光照特性是不同的 但在大多数情况下 曲线的形状类似图9 7所示 4 光敏电阻的光谱特性光敏电阻对于不同波长的入射光 其相对灵敏度Kr是不同的 各种不同材料的光谱特性曲线如图9 8所示 从图中可以看出 硫化镉的峰值在可见光区域 而硫化铅的峰值在红外光区域 因此在选择光敏电阻时 应当把元件和电源结合起来考虑 才能获得满意的结果 5 光敏电阻的频率特性在使用光敏电阻时 应当注意它的光电流并不是随光强改变而立刻作相应的变化 而是具有一定的惰性 图9 9为两种不同材料的光敏电阻的频率特性 即相对灵敏度Kr与光强度变化频率间的关系曲线 6 光敏电阻的光谱温度特性如图9 10所示 三 光电池1 光电池的结构与原理 1 结构硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质形成一个大面积的PN结 如图9 11所示 2 原理当光照射到PN结附近时 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度 则每吸收一个光子能量 将产生一个电子空穴对 光照越强 产生的电子空穴对越多 P区的光生电子可以在结电场的作用下进入N区 这样光照射所产生的电子空穴对就被结电场分离开来 从而使P型区带正电 N型区带负电 形成光生电动势 2 光电池的基本特性 1 光电池的光谱特性如图9 12为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线 即相对灵敏度Kr与入射光波长 间的关系曲线 从曲线上可看出 不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的 因此不同的光电池应在不同的光波长范围内使用 2 光电池的光照特性如图9 13为硅光电池的光照特性 光生电动势U与照度Ee间的特性曲线称为开路电压曲线 光电流密度je与照度Ee间的特性曲线称为短路电流曲线 3 光电池的频率特性图9 14为光的调制频率和光电池输出电流Ir的关系曲线 可以看出 硅光电池具有较高的频率响应 而硒光电池则较差 因此在高速计数器 有声电影以及其他方面多采用硅光电池 4 光电池的温度特性它是描述光电池的开路电压U 短路电流I随温度变化的关系曲线 从图9 15可以看出 开路电压随温度增加而下降的速度较快 而短路电流随温度上升却增加缓慢 因此当光电池作为检测元件时 在仪器设计时就应该考虑到温度的漂移 需采取相应措施进行补偿 四 光敏晶体管1 光敏二极管和光敏三极管的结构和工作原理图9 16为光敏二极管的结构 符号及基本接线图 为便于接受光照 光敏二极管的PN结装在管的顶部 上面有一个用透镜制成的窗口 以便使入射光集中照在PN结上 光敏三极管和光敏二极管相似 不过它具有两个PN结 大多数光敏三极管的基极无引出线 其结构 符号及基本接线图如图9 17所示 五 光电转换器光电耦合器件是由发光元件 如发光二极管 和光电接收元件合并使用 以光作为媒介传递信号的光电器件 光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管 光电接收元件有光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管或光可控硅等 根据其结构和用途不同 又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关 1 光电耦合器光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内 一般有金属封装和塑料封装两种 耦合器常见的组合形式如图9 18所示 2 光电开关 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收 并进行光电转换 同时加以某种形式的放大和控制 从而获得最终的控制输出 开 关 信号的器件 图9 19为典型的光电开关结构图 图 a 是一种透射式的光电开关 它的发光元件和接收元件的光轴是重合的 当不透明的物体位于或经过它们之间时 会阻断光路 使接收元件接收不到来自发光元件的光 这样起到检测作用 图 b 是一种反射式的光电开关 它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交 交点一般即为待测物所在处 当有物体经过时 接收元件将接收到从物体表面反射的光 没有物体时则接收不到 光电开关的特点是小型 高速 非接触 而且与TTL MOS等电路容易结合 用光电开关检测物体时 大部分只要求其输出信号有 高 低 1 0 之分即可 图9 20是基本电路的示例 a b 表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况 c 表示用晶体管放大光电流的情况 光电开关广泛应用于工业控制 自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置 可在自控系统中用作物体检测 产品计数 料位检测 尺寸控制 安全报警及计算机输入接口等用途 11 3光电式传感器的测量电路 要使光电式传感器能很好地工作 除了合理选用光电转换元件外 还必须配备合适的光源和测量电路 一 光源1 发光二极管发光二极管是一种把电能转换成光能的半导体器件 广泛地应用于计算机 仪器仪表和自动控制等设备中 2 钨丝灯泡3 电弧灯或石英灯4 激光与一般光源相比 激光是很有规律而频率单纯的光波 具有很多优点 能量高度集中 方向性好 相干性好 二 测量电路1 光电管的测量电路光电管所通过的电流通常都很小 因此它的有效功率甚微 不能直接推动记录仪表或继电器 所以通常要与某种放大器相连接 如图9 21所示是两个光电管的差接电路 V1 V2为放大管 其示值可在指示仪表P上读得 在平衡工作状态时 指示仪表处在零位 2 光电倍增管的测量电路常见的光电倍增管电路如图9 22所示 各倍增极的电压由分压电阻链R1 R2 Rn获得 被放大的电流流经负载电阻就得到了所需的输出电压 如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源 则图中的Cn Cn 2可以省略 使用中往往把电源正极接地 使阳极可以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca 这样系统将能响应变化很慢的光强 如果将稳定的光源加以调制 那么就可以用电容器耦合 当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地 这样噪声将更低 这时应接入隔离电容Ca 同时用电容器Cn Cn 2稳定最后几个倍增极在脉冲期间的电压 这些电容器有助于稳定增益和防止饱和 它们通过电源去耦电容器C将脉冲电压接地 选取阻值R1时应使阴极和第一倍增极之间的电压不超过允许的最大值 但能有效地收集阴极所发射的电子 有时也可用稳压二极管代替R1 从而使阴极与第一倍增极间保持最佳电压值 因为总电压的变化将使增益迅速改变 通常要求供电电压稳定度优于 0 1 三 光敏电阻的测量电路图9 23所示为光敏电阻开关电路 晶体管VT1 VT2构成施密特触发电路 当减少入射到光敏电阻上的光通量时 VT1的基极电压上升 直到管子导电为止 然后VT2由于反馈而变为截止状态 因此其集电极电压上升 直至达到12 7V左右为止 在12V时 稳压二极管VDWl便导电 通过VDW1的电流使得VT3导通 于是继电器被接通 二极管VD2阻尼继电器线圈振荡 因而对VT3起保护作用 50k 的电位器可以对灵敏度进行调整 图9 23光敏电阻开关电路 四 光敏晶体管的测量电路图9 24所示为光敏三极管的开关电路 VT1为光敏三极管 当有光照时 光电流增加咀导通 作用到V 和VT4组成的射极藕合放大器 使输出电压U就为高电平 反之输出电压低电平 这样输出脉冲可送至计数器 以便进行一些开关量如转速 时间间隔等量的测量 图9 25为使用光敏二极管进行温度补偿时的桥式电路 当光电信号是缓变信号时 由于它产生的电信号也是缓变的 这时极间直接藕合 如温度变化等将产生零漂 必须进行补偿 图中一个光敏二极管为检测元件 另一个装在相邻桥臂上的暗盒中 当温度变化时两只光敏管同时受相同温度影响 对桥路输出的影响可相互抵消 图9 24光敏三极管开关电路 图9 25具有温度补偿的光敏二极管测量电路 五 光电池的测量电路图9 26所示的光电池开关电路 由光电池控制施密特电路 该电路在输入信号变化十分缓慢的时候 也能确保迅速转换 由于光电池即使在强光照射下最大输出电压也仅为0 6V 不足以使VT1管有较大的电流输出 故将硅光电池接在VT1管基极上 用二极管2AP产生正向压降0 3V 这样当光电池受到光照时所产生的电压与2AP正向压降叠加 便使VT1管的e b极间的电压大于0 7V 从而使VT2管导通 继电器便动作 为了减小晶体管基极电路的阻抗变化 同时为了尽量降低光电池在未受光照时所承受的反压 所以在电路中给光电池并联一个电阻 图9 26光电池开关电路 11 4光电传感器及其应用 一 模拟式光电传感器模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性 其光通量是随被测量而变 光电流就成为被测量的函数 故称为光电传感器的函数运用状态 这种形式通常有如图9 27所示的几种情况 1 吸收式被测物放在光学通路中 光源的部分光通量由被测物吸收 剩余的投射到光电元件上 被吸收的光通量与被测物的透明度有关 如图9 27 a 所示 所以常用来作混浊度计等 图9 27光电元件的测量方式 2 反射式光源发出的光投射到被测物上 被测物把部分光通量反射到光电元件上 如图9 27 b 所示 反射光通量取决于反射表面的性质 状态和与光源之间的距离 利用这个原理可制成表面租糙度测试仪等 3 遮光式光源发出的光通量经被测物遮去其一部分 使作用在光电元件上的光通量减弱 减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关 如图9 27 c 所示 利用这个原理可以制成测量位移的位移计 也可制成光电测微计 图9 28为光电测微计装置的示意图 它主要用于零件尺寸的检测 图11 28光电测微装置示意图 4 辐射式图9 27 d 中被测物体就是光辐射源 它可以直接照射在光电元件上 也可以经过一定光路后作用到光电元件上 图9 29就是利用这种原理制成的WDS型光电比色高温计 WDS型光电比色高温计是非接触式高温测量仪表 目前它可测量的温度范围为800 2000 其精度可达0 5 它是以辐射体在两个不同波长的辐射能量之比来测量温度的 被测对象经物镜成像于光栏 通过光导混合均匀后 投射在分光镜上 分光镜使长波 红外 部分透射 而使短波 可见光 部分反射 透过分光镜的辐射线再经滤光片将其短波部分滤掉 被作为红外接收元件的硅光电池接收 转换成电信号输出 反射出来的短波部分经滤光片将长波部分滤掉 被作为可见光接收元件的硅光电池接收 同样转换成电信号输出 同时记录下两个光电信号 进行比较得出两个光电信号比 从而求出相应的辐射温度 图9 29WDS型光电比色高温计原理图 二 脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态 即 通 与 断 的开关状态 1 光电式转速计光电式转速计示意图如图9 30所示 被测转轴上涂有黑白相间的标志 光源1发射的光经过透镜2 半透明膜3和透镜4照射到被测的旋转物体5上 被测转轴旋转时 明 白条 暗 黑条 变化一次 反射的光信息通过透镜6 3和4入射到光电元件7上 光电元件7由导通变为不导通 因而对应输出一个光电脉冲 通过光电脉冲输入频率计计数 即可得到其转速 图9 30光电转速计 2 天幕靶天幕靶主要用于对飞行器 如弹丸 飞行速度的测定 天幕靶是利用天空自然光 通过光学镜头和光学狭缝来给出一个限定的光幕 天幕以外的天空自然光是无法人射到光电元件上 其结构示意图如图9 31 a 所示 天幕靶由两个靶组成 因而在弹道上两点P1 P2处形成两个楔形天幕如图9 31 b 所示 光学镜头把天幕入射光聚集后 投射到光电元件上 平时天空背景亮度变化不大 光电管上接收的光通量变化也不大 光电管无突变信号输出 当弹丸通过天幕时 天幕入射光通量产生突变 经过光学镜头聚焦在光电管上的光照也发生突变 使光电管有一脉冲信号输出 经过放大整形通过引出线给计时器一个启停信号 即可测出弹丸通过P1 P2间所需的时间 t 由于P1 P2间距离是给定的 因而可算出这段距离内弹丸的平均速度 天幕靶特别适用于高角测速 但不能在夜间使用 若加防护可在雨天和雪天使用 11 5光纤传感器 光纤传感器的发展已经日趋成熟 这一新技术的影响目前已十分明显 光纤传感器与常规传感器相比具有许多优点 抗电磁干扰能力强 灵敏度较高 几何形状具有多方面的适应性 可以制成任意形状的光纤传感器 可以制造传感各种不同物理信息 声 磁 温度 旋转等 的器件 光纤传感器可以用于高压 电气噪声 高温 腐蚀或其他的恶劣环境 而且具有与光纤遥测技术的内在相容性 光纤传感器的迅猛发展可始于1977年 至今已研制成多种光纤传感器 被测量遍及位移 速度 加速度 液位 压力 流量 振动 水声 温度 电流 电压 磁场和核辐射等 一 光导纤维1 光导纤维的结构和传输原理光导纤维 简称光纤 是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的 每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和色层组成 而且纤芯的折射率n1略大于色层的折射率n2 它们的相对折射率差用 表示通常 为0 005 0 14 光纤的结构示于图9 32中 众所周知 真空中光是直线传播的 光纤工作的基础是光的全内反射 图9 32所示的圆柱形光纤 它的两个端面均为光滑的平面 当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成角时 根据斯奈尔定律 在光纤内折射成角 然后以角入射至纤芯与色层的界面 当角大于纤芯与色层间的临界角时 则射入的光线在光纤的界面上产生全内反射 并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射 直至传播到另一端面 图9 32光纤的结构及传输原理 2 光导纤维的种类光导纤维按其折射变化情况分为 阶跃型阶跃型光导纤维的纤芯与色层间的折射率是突变的 如图9 33中的 a 和 b 所示 渐变型这类光纤在横截面中心处折射率最大 其值n1由中心向外逐渐变小 到纤芯边界时变为色层折射率n2 通常折射率变化呈抛物线形式 即在中心轴附近有更陡的折射率梯度 而在接近边缘处折射减少得非常缓慢 保证传递的光束集中在光纤轴线附近前进 因为这类光纤有聚焦作用 所以也称自聚焦光纤 如图9 33 c 所示 图9 33光导纤维的种类 光导纤维如按其传输模式多少来分类 则有单模和多模两种 单模光导纤维通常是指跃变型光纤中纤芯尺寸很小 通常仅几微米 光纤传输的模式很少 原则上只能传送一种模式的光纤 这类光纤传输性能好 频带很宽 制成的单模传感器较多模传感器有更好的线性 灵敏度和动态测量范围 但单模光纤由于芯径太小 制造连接和耦合都很困难 多模光导纤维通常是指跃变型光纤中纤芯尺寸较大 大部分为几十微米 传输模式很多的光纤 这类光纤性能较差 带宽较窄 但由于纤芯的截面积大 容易制造 连接藕合也比较方便 二 光纤传感器按工作原理分光纤传感器按其工作原理来分有功能型 或称物性型 传感型 与非功能型 或称结构型 两大类 功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能 它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度 相位 偏振态或波长 从而对外界因素进行测量和数据传输 非功能型光纤传感器其光纤只是作为传光的媒介 还需加上其他敏感元件才能组成传感器 1 功能型光纤传感器功能型光纤传感器可分为振幅调制型 相位调制型及偏振态调制型 利用光纠量作用下光强的变化来进行探测的传感器称为振幅调制型传感器 利用外界因素对于光纤中光波相位的影响来探测各种物理量的传感器 称为相位调制型传感器 外界因素使光纤中横向偏振态发生变化 对之检测的传感器 称为偏振态调制型传感器 1 振幅调制型传感器它是利用被测物理量直接或间接对光纤中传输的光进行强度调制 微弯光纤传感器可构成声传感器或应变传感器 在这类传感器中 传感元件由可使光纤发生微弯曲变形器件组成 比如是一对锯齿板 如图9 34所示 相邻齿之间的距离l决定着变形器的空间频率 当锯齿板受到压力F作用时 产生位移 使得夹在其中的光纤微弯曲 从而引起光强调制 因为这时在纤芯中传输的光有部分耦合到色层中 如图9 34 b 所示 原来光束以大于临界角的角度在纤芯中传输为全内反射 但在微弯处 光束以小于临界角的角度入射到界面 便不满足全反射的条件 部分光逸出散射入色层 因此通过检测纤芯或色层模的光功率 就能测得力 位移或声压等物理量 图9 34微弯光纤传感器 锯齿板位移小时 光强与位移的关系是线性的 否则是非线性的 这类传感器由于其光路是完全密封的 因此不受环境因素的影响 且成本低 精度高 可望达到每微米位移的光功率变化5 检测位移分辨力为0 01 m 2 光相位调制型利用一些被测量引起光纤中光相位变化的原理组成的传感器 具有灵敏