项目6_光电传感器及其应用

1 光电传感器及其应用 1光电效应及光电器件2红外传感器3激光传感器4光纤传感器5光电传感器应用实例 2 光电效应及光电器件 将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件 光电式传感器的工作原理是 首先把被测量的变化转换成光信号的变化 然后通过光电转换元件变换成电信号 光电传感器的工作基础是光电效应 3 光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件 光电器件 光电管 光电倍增管 4 光电管的结构示意图 光 阳极 光电阴极 光窗 1 光电管 光电管有真空光电管和充气光电管 或称电子光电管和离子光电管两类 两者结构相似 如图 它们由一个阴极和一个阳极构成 并且密封在一只真空玻璃管内 阴极装在玻璃管内壁上 其上涂有光电发射材料 阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形 置于玻璃管的中央 5 普通光电管 在一个真空泡内装有两个电极 光电阴极和光电阳极 光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成 其感光面对准光的照射孔 当光线照射到光敏材料上 便有电子逸出 这些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 在外电路就产生电流 6 光电管的结构和电路 7 光电倍增管 1 结构与原理由于真空光电管的灵敏度较低 因此人们便研制了光电倍增管 其工作原理如图 8 光电倍增管的工作原理 光电倍增管由光阴极 次阴极 倍增电极 以及阳极三部分组成 光阴极是由半导体光电材料锑铯做成 次阴极是在镍或铜 铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的 次阴极多的可达30级 阳极是最后用来收集电子的 收集到的电子数是阴极发射电子数的105 108倍 即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍 光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍 因此在很微弱的光照时 它就能产生很大的光电流 9 光敏电阻 光敏电阻又称光导管 为纯电阻元件 其工作原理是基于光电导效应 其阻值随光照增强而减小 优点 灵敏度高 光谱响应范围宽 体积小 重量轻 机械强度高 耐冲击 耐振动 抗过载能力强和寿命长等 不足 需要外部电源 有电流时会发热 10 当光照射到光电导体上时 若光电导体为本征半导体材料 而且光辐射能量又足够强 光导材料价带上的电子将激发到导带上去 从而使导带的电子和价带的空穴增加 致使光导体的电导率变大 光敏电阻的工作原理 11 如图所示 管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体 光导体吸收光子而产生的光电效应 只限于光照的表面薄层 虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去 但扩散深度有限 因此光电导体一般都做成薄层 为了获得高的灵敏度 光敏电阻的电极一般采用硫状图案 光敏电阻的结构 12 光敏二极管和光敏三极管 13 光敏二极管符号如图 锗光敏二极管有A B C D四类 硅光敏二极管有2CU1A D系列 2DU1 4系列 光敏二极管的结构与一般二极管相似 它装在透明玻璃外壳中 其PN结装在管顶 可直接受到光照射 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态 如图所示 P N 光 光敏二极管符号 RL 光 P N 光敏二极管接线 1 光敏二极管 14 光敏三极管有PNP型和NPN型两种 如图 其结构与一般三极管很相似 具有电流增益 只是它的发射极一边做的很大 以扩大光的照射面积 且其基极不接引线 当集电极加上正电压 基极开路时 集电极处于反向偏置状态 P P N N N P e b b c RL E e c 2 光敏三极管 15 光敏三极管的结构和电路 16 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件 由于它可把太阳能直接变电能 又称为太阳能电池 它是发电式有源元件 它有较大面积的PN结 当光照射在PN结上时 在结的两端出现电动势 命名方式 把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之前 如 硒光电池 砷化镓光电池 硅光电池等 目前 应用最广 最有发展前途的是硅光电池 光电池 光 P N SiO2 RL I 光 P N 17 硅光电池的结构如图所示 它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质 如硼 形成PN结 当光照到PN结区时 如果光子能量足够大 将在结区附近激发出电子 空穴对 在N区聚积负电荷 P区聚积正电荷 这样N区和P区之间出现电位差 若将PN结两端用导线连起来 电路中有电流流过 电流的方向由P区流经外电路至N区 若将外电路断开 就可测出光生电动势 1 工作原理 光 P N SiO2 RL a 光电池的结构图 I 光 b 光电池的工作原理示意图 P N 18 光电耦合器件 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 发光元件为发光二极管 受光元件为光敏二极管 光敏三极管或光敏可控硅 它以光为媒介 实现输入电信号耦合到输出端 19 1 光电耦合器件特点 强弱电隔离输入输出极之间绝缘电阻很高 耐压达2000V以上 对系统内部噪声有很强的抑制作用能避免输出端对输入端地线等的干扰 发光二极管为电流驱动元件 动态电阻很小 对系统内部的噪声有旁路作用 滤除噪声 光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离 20 绝缘玻璃 发光二极管 透明绝缘体 光敏三极管 塑料 发光二极管 光敏三极管 透明树脂 采用金属外壳和玻璃绝缘的结构 在其中部对接 采用环焊以保证发光二极管和光敏三极管对准 以此来提高灵敏度 a 金属密封型 b 塑料密封型 采用双列直插式用塑料封装的结构 管心先装于管脚上 中间再用透明树脂固定 具有集光作用 故此种结构灵敏度较高 2 光电耦合器的结构 21 3 光电耦合器典型结构 22 a b c d 光电耦合器的组合形式 4 光电耦合器的组合形式光电耦合器的组合形式有多种 如图所示 该形式结构简单 成本低 通常用于50kHz以下工作频率的装置内 该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器 适用于较高频率的装置中 该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器 适用于直接驱动和较低频率的装置中 该形式采用功能器件构成的高速 高传输效率的光电耦合器 23 红外线传感器 24 6 2 1红外线传感器概述 凡是存在于自然界的物体 例如人体 火焰甚至于冰都会放射出红外线 只是其发射的红外线的波长不同而已 人体的温度为36 37 所放射的红外线波长为9 lO m 属于远红外线区 加热到400 700 的物体 其放射出的红外线波长为3 5 m 属于中红外线区 红外线传感器可以检测到这些物体发射出的红外线 用于测量 成像或控制 用红外线作为检测媒介 来测量某些非电量 比可见光作为媒介的检测方法要好 25 红外线及其特性 红外线也称红外光或红外辐射 它是一种电磁波 其波长范围在电磁波谱中的位置如图所示 由图可见 它是波长位于可见光和微波之间的一种不可见光 红外光的最大特点是具有光热效应 能辐射热量 它是光谱中最大光热效应区 26 色彩传感器 E3MC A112M色彩传感器 27 色彩测量的原理 28 激光传感器 激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一 具有高方向性 高单色性和高亮度三个重要特性 激光波长从0 24 m到远红外整个光频波段范围 激光器种类繁多 按工作物质分类为 固体激光器 如红宝石激光器 气体激光器 如氦 氖气体激光器 二氧化碳激光器 半导体激光器 如砷化镓激光器 液体激光器 29 激光式位移传感器 由激光器 光学元件 光电转换元件构成的激光测量系统 将被测位移量转换成电信号 激光检测有精度高 测量范围大 测试时间短 非接触 易数字化 效率高等优点 激光干涉测长技术 目前已广泛地应用于精密长度测量 如磁尺 感应同步器 光栅的检定 精密机床位移检测与校正 集成电路制作中的精密定位等 常用的激光干涉测长传感器分为单频激光干涉传感器和双频激光干涉传感器 30 光纤传感原理 将光源入射的光束经由光纤送入调制区 在调制区内 外界被测参数与进入调制区的光相互作用使光的性质如强度 波长 频率 相位 偏振态等发生变化成为被调制的信号光 再经过光纤送入光敏器件 解调器而获得被测参数 31 手 热风机 继电器KM 延时电路 红外光接收 红外光发射 信号处理 交流电源 红外自动干手器电路原理框图 红外光 红外光 热风 电信号 红外自动干手器 32 条形码扫描笔 33 扫描笔输出的脉冲 34 烟尘浊度监测仪 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