任务10-光电式测速传感器课件

任务10光电式测速传感器的应用

10.1基础知识：光电式测速传感器结构原理光电式测速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。10.1.1光电传感器的原理及类型1、原理光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件，原理如下图。2、光电传感器的分类按光电元件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。（1）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，因此又称之为吸收式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。

10.1.2光电效应1、定义：对不同频率的光，其光子能量E=hV是不相同的，光波频率V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，这种物理现象称为光电效应。2、光电效应的分类：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。

10.1.3光敏电阻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。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。

10.1.4光敏二极管和三极管1.基本原理其结构如下图所示，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，有光照时反向导通。

2.主要特性

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。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，在这里改变光照就相当于改变一般三极管的基极电流，从而得到一簇输出曲线。

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。光敏二极管的线性较好，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。4)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。减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。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。

10.1.5光电池1.工作原理

它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成一个大面积PN结，当光照射P区时，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，这种浓度差便形成内部电场。2.主要特性1)光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的。右图是硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从中可知，不同材料的光电池适用的入射光波长范围也不相同。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。

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。如图所示，从中可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。10.1.6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。光电传感器在越来越多的领域内得到广泛的应用。1.

光电传感器的类型1）模拟式光电传感器

这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化的，通常有以下四种结构形式。

(1)光源本身是被测物，如右图所示。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，如右图所示。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，如左图所示。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。如右图所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。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。

10.1.7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。1.发光二极管

这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。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，可有效防止其他光线的干扰。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。10.1.8光电转换电路

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，可用右图所示的电路。右图a为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。

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，如下左图所示。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，如下右图所示。

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，如下左图所示。下右图b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。

10.2任务实施：光电转速测量电路的设计与制作采用透射型光电传感器及微型电机设计一个光电式转速测量装置，输出计数脉冲信号，通过对计数脉冲进行计量就可以得到电机转速。10.2.1光电转速传感器结构原理光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的电子器件，主要包含调制光源、光敏元件等组成的光学系统，放大器、开关或模拟量输出装置。有反射型和透射型两大类。其外形及工作原理如下图所示。四个接线柱分别为黑线、黄线接电源输入线，使LED管发光，可根据需要制成各种频率的发光管；红线为信号输出线，白线为共地线。中间凹槽可设挡光板，当一侧发光管发出的光被挡光板阻断时，另一侧光敏元件就接收不到光信号，此时传器感输出低电平；而挡光板不阻断时，光敏元件受到光照，传感器输出相应的电信号。

10.2.2光电转速传感器检测装置l）转速信号盘信号盘可用1mm厚薄钢板制成，也可用不透光塑料或其它材质薄板，便于手工切割，尺寸要与电机及传感器相配，直径一般用10cm左右，结构如下图所示，盘上共有6个齿，围绕盘中心有4个均匀分布的孔，两个大孔直径为20mm，另两个小孔直径为10mm，主要用于在发动机上定位。

盘中心还有一个与电机轴联接的中心孔，大小与电机轴一致。在这儿用微型电机作为被测速电机，将信号盘与电机轴装在一起，使其随电机转动；传感器固定在支架上，垂直于转速盘，当转速盘旋转时，光电传感器就输出矩形脉冲信号，每6个脉冲对应电机1个循环，精度有限，如要获得更高精度，可采用细分电路进行细分。

2）检测装置安装检测装置安装如下图所示，将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。光电转速传感器接有4根导线，其中黑线、黄线为电源输入线，红线为信号输出线，白线为共地线。测量头由光电转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。测量用器件封装后，固定装在贴近信号盘的位置，当信号盘转动时，光电元件即可输出正负交替的周期性脉冲信号。信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的齿数。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低。该装置的优点是输出信号的幅值与转速无关，精确度高。如果将此装置外接放大、A／D转换和数字显示单元，则可成为数字式转速表。3）信号处理电路的设计被测转速经过光电传感器转换后，成为微弱的电脉冲信号，需要进行放大分析、整形处理、显示和记录等处理，这就需要引入中间转换电路。根据所用传感器H42B6的相关参数和装置的有关资料进行电路设计，如下图所示。其中，R1、R4起限流作用，R2起分流作用，R3为输出电阻，CD4093是施密特触发器（四2输入与非门）。当信号盘上的齿槽旋转至与光电开关的透光位置重合时，触发器输出高电平；当齿形遮住传感器光电路时，触发器输出低电平，实现对信号盘齿数的计数。10.2.3转速测量原理这种测速法采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器发生的脉冲个数（即频率），从而算出实际转速。设固定的测量时间Tmin，计数器计取的脉冲个数N，则被测转速为：（r/min）10.3拓展学习：光电传感器的其它应用10.3.1透射式光电传感器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、转速等内容。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。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，如图所示。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，原理如下图。

下图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。光检测器光谱响应范围为400到600nm的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。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。10.3.2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。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。

1）漫射聚焦型传感器

这是效率较高的一种漫射型光电传感器，其原理如下图。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。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便检测不到。

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，如下图所示。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。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。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。该背景抑制漫射光电传感器控制输出线路如下图所示。

3）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