第二章：光电传感器及控制系统方案

./第二章光电传感器控制技术与系统光电传感器是以光敏器件作为检测元件,将光信号转换为电信号的装置。用这种传感器进行测控时,只需将其它的非电量转换为光信号即可。广泛用于物位、速度、位移、温度、白度、压力,以及一些机械量、几何量的测量与自动控制、电子计算机、智能机器人等,是目前应用最广泛的传感器之一。光敏器件是利用物质的光电效应,将光量转换为电量的一种变换器件。它的发展迅速,品种繁多,常见的有光敏电阻、光电二级管、光电三级管、光电耦合器、硅光电池和光控晶闸管等。§1光敏电阻控制技术与系统一、光敏电阻1．光电导效应半导体材料受光照射时,载流子数目增加,电阻率减少,这种现象称为光电导效应。当一束光照射到半导体时,如果光的频率足够高,光子的能量<h=6.626×10-34<J·S>为普朗克常数,f为频率>大于半导体材料的禁带宽度,就能产生出自由电子和"空穴",使半导体的载流子数目增加,电阻率减小。入射光的强度越大,激发出来的自由电子和空穴越多,半导体的电阻率减小得就越厉害。如果半导体是掺杂的,因为从杂质上释放一个电子〔或空穴所需的能量比本征半导体价电子所需的能量小,所以较长波长的光也能产生光电导。2．光敏电阻的结构光敏电阻是根据半导体光电导效应,用光导材料制成的光电元件,又称作光导管。其典型结构如图2–1所示。管芯是一块装于绝缘衬底上,带有两个欧姆接触电极的光电导体,半导体吸收光子而产生的光电导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部去,但深入的厚度有限,因此,光电导体一般都作成薄层。为了提高灵敏度,光敏电阻的电极一般采用梳状图案,如图2–2所示。壳体具有良好的密封性能,以保证光敏电阻灵敏度不受潮湿等影响。光敏电阻没有极性,是一个纯电阻元件。两极间既可加直流电压,也可加交流电压。光敏电阻在电路中的符号见图2–3。图2-1光敏电阻的典型结构图2-1光敏电阻的典型结构1–光电导体2–玻璃3–电极4–绝缘衬底5–金属壳6–引线图2-2光敏电阻的芯片结构1–电极2–光电导体图2-3光敏电阻的符号3．光敏电阻的特性〔1灵敏度a：电阻灵敏度光敏电阻在室温环境,处于全暗条件下,经过一定时间具有的电阻值称为暗电阻,一般在MΩ数量级,常用"olx"表示；受到一定光照时的电阻值称为亮电阻Rl,Rl一般为KΩ数量级,常用"100lx"表示。暗电阻与亮电阻阻值之差Rd–Rl与亮电阻Rl之比,称为光敏电阻的电阻灵敏度。即〔1b．积分灵敏度光敏电阻加上一定电压并受光照时所产生的电流称为亮电流,无光照射时流过光敏电阻上的电流称为暗电流。在同一电压下,亮电流与暗电流之差称为光电流IФ,光电流IФ和照在光敏电阻上的光通量之比称为光敏电阻的积分灵敏度。即K=eq\f<IФ,Ф>〔2〔2伏安特性在一定光照下,光敏电阻两端所加电压与电流之间的关系称为伏安特性。对于光敏元件来说,其光电流随外加电压增大而增大。图2–4所示硫化镉光敏电阻的伏安特性。硫化镉光敏电阻器在规定的极限电压下,它的伏安特性具有较好的线性,使用时注意不要超过允许功耗线。功耗线功耗线图2-4硫化镉光敏电阻伏安特性R〔kΩ500图2-5硫化镉光敏电阻的光照特性〔3光照特性是指光敏电阻输出的的电信号〔电阻、电压、电流随光照强度而变化的特性。光敏电阻的光照特性多数情况下是非线性的,只是在微小区域呈线性,这是光敏电阻的很大不足。硫化镉光敏电阻的光照特性如图2–5所示。〔4光谱特性是指光敏电阻在不同波长的单色光照下的灵敏度。光敏电阻对不同波长的光灵敏度不同,若绘成曲线就可得光谱灵敏度的分布图,如图2–6所示。因此,在选择光敏电阻时,必须结合光源进行考虑。图2图2-7硫化镉光敏电阻对脉冲光的响应特性tρ′Kr〔kA°图2–6光敏电阻的光谱特性Kr<%>〔5时间与频率特性光敏电阻突然受到光照时,光电流并不是立即升到最大值。光照突然消失时,光电流也不立刻下降到暗电流值。这表明,光电流的变化滞后于光的变化。常用上升时间tr,下降时间tf表示这种滞后现象。大多数光敏电阻的响应时间为几十毫秒到几百毫秒。硫化镉光敏电阻对脉冲光的响应特性如图2–7所示。不同材料的光敏电阻,响应时间不同,因此他们的频率特性也就不同。〔6温度特性光敏电阻同其它半导体器件一样,受温度影响较大,不少的光敏电阻在低温下的灵用电阻温度系数来描述光敏电阻的这一特性,它表示温度改变一度时,电阻值的相对变化。〔7额定功率〔也称功耗是指光敏电阻用于某电路中所允许加上的功率。这主要取决于光敏电阻器本身特性,环境温度及光敏电阻本身所产生的温度,当环境温度升高时,光敏电阻允许消耗的功率就降低。额定功率为W=I2RL〔3式中：W为光敏电阻的额定功率〔W；I为光电流〔A；RL为亮阻〔Ω。二、应用光敏电阻的控制电路1．用光敏电阻构成的光电开关电路用一光源与一个光敏电阻器可以构成光电开关电路。这种开关电路可用于各种物体检测、光电控制、自动报警等系统。该光电开关电路在使用中,应注意下列问题：应在规定的使用环境温度条件下,在额定功率下使用,以免烧坏；在电路中必须设置限流电阻,如图2–8中的R2,其阻值大小应根据光敏电阻器的额定功率和使用环境条件选择；对使用的光敏电阻应加装防光罩,以防止杂散光的干扰；在常温、干燥条件下贮存,并应避免强光照射。––+图2-8硫化镉光敏电阻构成的光电开关电路R1RwR2R3R42．光电触发器图2–9是用光敏电阻构成的光电触发电路。无光照射时,光敏电阻RG电阻值大,电流小,T1截止、T2饱和导通,输出为低电平。当光敏电阻RG受光照射时,电阻小,电流大,电路翻转,T1饱和导通,T2截止,变为高电平。即该触发器采用光作为触发信号,触发后面的电路。图2图2-9光电触发器U03．生产线运行自动监控装置在一些工厂里,各生产工序之间的制品或零件交换是由自动传输线来完成的。这里介绍的生产线运行自动监控装置,可以根据生产的需要,设置不同数量的光电传感器用于控制流水线上的零件或制品运行,并可集中显示和控制。当某一个传感器一旦"发现"故障,能自动发出报警信号或使下一个生产工序的设备停转。+12+12R0图2-10自动监控装置电路原理图图2–10是自动监控装置的电原理图,其中只给出了一个光电传感器控制电路的一个单元部分,可按实际需要增加。当自动线上的制品因故中断,或是传送带运行停止时,光敏电阻R0出现的受光状态为：光源始终照射到光敏电阻R0上,或光源被制品遮住,光敏电阻不受光的照射。这两种现象在电路的P点都会反映出一种结果,即R0上的光脉冲信号消失,P点的电脉冲信号也消失。电容C1无交变信号输入,二极管D1无整流电流输出,晶体管BG1截止,BG2、BG3饱和导通,使继电器K吸合。继电器的接触点接通报警电路及驱动中间继电器完成停机〔上一道工序或下一道工序停机。§2光敏晶体管控制技术与系统一、光敏晶体管1．结构及工作原理半导体光敏二极管与普通二极管类似,PN结装于管的顶部,光线可通过透明窗直接照射到PN结上。图2–11所示是光敏二极管的光电转换原理示意图及电路符号。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。无光照时,反向电阻很大,反向电流很小。有光照时,PN结附近产生电子和空穴,使少数载流子浓度大大增加,流过PN结的反向电流聚增。入射光强度变化时,光生电流的强度也随之改变,在负载电阻Rl上得到一个随入射光强度变化的电信号,即光敏二极管能把光信号转换为电信号输出。RRl图2-11光电二极管转换原理图图2-12光电三极管转换原理图光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。入射光在基区和集电区被吸收而产生电子—空穴对,由此而产生的光生电流由基极进入发射极,从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。所以光敏三极管是一种相当于将基极—集电极的光敏二极管的光电流加以放大的普通晶体管放大器。选择合适的负载,使Rl≤Rce,则输出电压为：式中：β—

晶体管电流放大倍数；Ιφ—

C-b结光敏二极管光电流；ω—

光调制角频率；rbe

—

基极发射极正向电阻；Сbe—

基极发射极电容；Сce

—

集电极发射极电容。恒定光照时：=βRl与光敏二极管相比,信号放大了β信。但不同的,有不同的β值,所以,光敏二极管的输出信号与输入信号没有很严格的线性关系,这是光敏三极管的不足之处,在选用时,我们应考虑到这一特点。2．基本特性①光谱特性所有光敏晶体管都具有光谱特性例如硅光敏晶体管的响应频率段约在0.4～1.1μm波长围；灵敏峰值在0.8μm附近。锗光敏晶体管的响应频段在0.5～1.8μm波长围,灵敏峰值在1.4μm附近。=2\*GB3②伏安特性伏安特性一般用伏安特性曲线表示,查硅光敏二、三极管和锗光敏晶体管的伏安特性曲线我们可以看到,在同样的照度下,光敏三极管的光电流远大于光敏二极管,即光敏三极管具有放大作用,照度越大,光电流也越大。=3\*GB3③光照特性一般光敏二极管的线性较好。光敏三极管在弱光时,光电流随照度增加减小,而在强光又有饱和现象,这是由于三极管的β值在小电流和大电流时都要下降的缘故。=4\*GB3④频率响应光敏晶体管的频率响应一般用上升时间tr和下降时间tf表示。它与器件的物理结构、工作状态、入射光波长等因素有关。为了获得较好的频率响应,在实际应用时,应根据频响选择最佳的负载电阻,最好选用高增益、低输入阻抗的放大电路与之配合。一般来说,光敏三极管的频响比同类二极管差,硅光敏三极管的频响比锗光敏三极管好。=5\*GB3⑤温度特性由于反向饱和电流对温度的依赖性,光敏晶体管的暗电流对温度非常敏感,在应用时,应采取温度补偿措施。二、光敏晶体管基本电路1．光电开关电路光电开关电路如图2–13、2–14所示。这类电路多用于自动控制。无光照射时,系统处于某一特定工作状态。如晶体管截止,继电器J失电,常闭触点闭合,被控设备处于某种状态。有光照时,系统的工作状态随之发生改变,如晶体管饱和导通,继电器J得电,被控设备处于另一种状态。图2-13图2-13光敏二极管开关电路图2-14光敏三极管开关电路JJ这类电路对光敏器件无线性要求,只要光信号满足某一阈值就可达到开关控制的目的。电路中的光敏二极管与光敏三极管一般可以互换。2．光电触发器图2–15所示的电路中,当无光照时,光敏三极管〔或光敏二极管不导通,T1、T2、T3均处于截止状态,可空硅SCR的控制极没有电流流过,不导通。图2-15光电触发电路图2-15光电触发电路图2-16光电跟踪器图2-16光电跟踪器3．光电跟踪器光电跟踪器的基本电路如图2–16所示。接受器为两只性能相似的同类型光敏器件。把它们接入差动放大器电路,由差动放大器的特性我们可知,当光敏器件受光照相同时,差动电路没有信号输出,执行机构将按预定的方式工作。当系统略有偏差时,光敏器件所受光照便会产生差异,差动电路便有信号输出,从而带动后继电路及执行机构,使之进行纠正偏差,达到自动跟踪的目的。4．光电放大电路当需要对光信号作定量检测时,尤其是当光信号特别微弱的场合,需要用到图2–17所示的光电放大电路。如光电编码器、光电计数器等；物体的色度、光亮度、照度、溶液的浓度、纸的灰度、白度等。用放大电路将光信号线性放大,然后带动仪器仪表或显示记录机构。+V+VC-VC图2-17光电放大基本电路三、应用实例1．暗通光控开关当外界光亮时,光敏晶体管导通,A点接近地电位,≈0。故BG1截止。BG2也截止。继电器不吸合。当外界光变暗时,光敏晶体管电阻变大。A点电位上升,上升,一旦达到BG1的导通电流,BG1、BG2导通,继电器吸合。2．亮通光控开关当有光照时,光敏器件的阻值减小,BG1的基极电流增大,使BG1导通,从而使BG2、BG3导通,继电器吸合。当光线变暗时,光敏器件的阻值增大,三极管截止,继电器不吸合,负载停止工作。图2-18图2-18暗通光控开关图2-19亮通光控开关3．亮通,暗通复合光控开关如果需要光亮时开动一套设备,光暗时开动另一套设备时,可使用图2–20所示的电路。该电路实际上是由两套电路组成,BG1、BG2是一个亮通电路,BG1、BG3是一个暗通电路。无光照时,光敏器件的反向电阻很大,BG1有足够的基极电流,使BG1导通,其集电极为低电位,使NPN管BG2截止,BG3<PNP>导通,继电器J1吸合,J2不吸合。有光照时,光敏器件的反向电阻很小,A点为低电位,BG1截止,其集电极B点为高电位,使BG3截止,而C点为高电位,使BG2导通,J2吸合,J1断开。BBBG1图2-20亮、暗复合光控开关图2-21报警电路原理图4．用光敏电阻和555构成的光电报警电路：图2–21中555接成多谐振荡器工作方式。与一般振荡器电路不同的是我们在555的复位端4脚与地之间接有一个光敏电阻GR。当光照到GR上时,GR的阻变小,4脚电位降低,555复位,这时3脚输出低电平,扬声器不发声。当照在GR上的光被遮挡时,光敏电阻阻值变大,4脚变为高电平,电路起振,扬声器发出报警声。该电路可用于工业上的物位、液位检测,安全保护等方面。5．用555构成的双光控开关图2-22双光控开关电路原理图图2-22双光控开关电路原理图Rw：100Ω,R1:50Ω,R2:47Ω,R3:10K,R4:1M,R5:20K,R6:20K,R7:510Ω,C1:22μ,C2:0.01μ,C3:470μD1:HG505或日产GL-5S。工作电流200mA光辐射功率50-70mw.最大控制距离10m.T1,T3:3DU31或3DU5T2,T4：CS9014或CS9013,D2-D5：1N4001B：3-5W小型变压器,VS：耐压值大于400V双向可控硅。双光控开关电路原理如图2–22所示。时基电路555与R4,C1构成单稳态电路,稳定时,555输出端3脚为低电平。当其触发端2脚有负脉冲作用或为低电平时,单稳态电路进入暂稳态,其输出端3脚输出高电平。经过一段时间,电路自动翻回初始状态,其3脚又为低电平,暂稳态结束。红外发光二极管D1与光敏三极管T1构成一路光控电路；光敏三极管T3与自然光构成另一路光控电路。白天,光照射强度较大,T3的c-e极间呈现低电阻,在T4有较大的偏流而导通,其集电极也就是555电路的强度复位端4为低电平,555处于复位状态,其3脚输出低电平,此时,双向可控硅Vs的控制极无触发电压而处于关断状态,灯泡HL不亮。到了夜晚,光照强度明显减弱,T3的c-e极间呈高电阻,使T4由导通变为截止,555强复位端4脚变为高电平,退出复位状态,其输出端3输出高电平。如果此时D1发出的红外光照在光敏晶体管T1上,则T1的c-e极间呈现低电阻,此时T2基极为低电平,T2截止,则555触发端2为高电平,由于2脚为低电平或负脉冲触发,所以此时555仍处初始稳定状态,即输出端3为低电平,因此SCR关断,灯泡HL仍不亮。当有人经过而挡住D1与T1之间的光路时,T1呈高阻状态,使T2基极为高电位,T2导通,555的2脚变为低电平,触发555进入暂稳态,其3脚输出高电平,触发SCR使其导通,灯泡HL点亮,经过一定的时间[TW=1.1R4C1<S>]后,电路暂稳态结束,555的3脚变为低电平。SCR关断,HL熄灭。6．红外光电数字转速测控红外光电数字转速测控装置是把旋转轴的转速变换成相应频率的脉冲,然后用测量电路测出脉冲频率,由频率值就可知道所测的转速值,这种方法具有结构简单、可靠、测量精度高等优点,因此目前应用很广。红外光电转换电路如图2–24所示,图中T1为光敏三极管3DU31,当有光照射时,电阻减小,光电流I增加,使T2导通,由T3和T4组成的射极耦合触发器的输出Vsc为高电位。反之,Vsc为低电位。将变换电路输出的脉冲信号Vsc送入计数电路进行计数和显示,便可得到转速。11–光敏元件2–缝隙板3–开孔圆盘4–光源图2-23直射式光电转速测控装置的结构原理图2-24红外光电转换电路原理图目前用于数字频率计,计数器的通用计数器系列有ICM7216〔5G7216D、5G7225等中小规模集成电路。倍图2-25红外数字转速测控原理框图我们知道,用计数器测量的结果是每秒钟所输入脉冲的个数,而物体的转速一般用r/min表示,在本测速装置中,假设每转一周,产生一个脉冲,如果再经过60倍频,即将一个脉冲细分为60个脉冲,相当于物体每转一周得到60个脉冲。这样,后面的计数器测量的结果就是每分钟的转速了。红外数字转速测控原理框图如图2–倍图2-25红外数字转速测控原理框图§3光电耦合器及在自动控制系统中的应用一、基本原理光电耦合器又称为光电隔离器,是近年发展起来的一种新型半导体光电元件。这是一种把发光元件与受光元件组合在一起的器件。使用这种器件可以有效的隔离噪声和抑制干扰,同时在电气上实现了绝缘耦合,避免了直接耦合而造成前、后级之间的反馈所产生的影响。我国生产的光电耦合器其发光元件一般采用砷化镓红外发光二极管,而采用的受光元件有很多种类,一般为硅光敏二极管、三极管、达林顿管所组成的器件。由于把发光元件和受光元件都密封在同一密闭的管壳,所以构成了一个四端器件。发光元件的两个引脚为输入端,受光元件的两个引出线为输出端。其原理是：当在输入端加一电信号时,发光元件就发出与输入信号强弱相应的光信号,受光元件受到此光的照射后便产生光电流输出,这样便实现了在电气上绝缘的以光耦合的电信号的传输过程。二、光电耦合器的结构、代号、电路符号光电耦合器的封装形式,常见的有管形封装、双列直插封装、金属壳封装和光导纤维连接等多种。图2–26为管形光电耦合器与双列直插式光电耦合器的部结构示意图和一般光电耦合器的电路符号。++–输入端〔发光二极管玻璃外壳空隙输入端〔光敏元件管脚黑色树脂透明树脂管脚输出端输入端输入输出<a>管形光电耦合器<b>双列直插式光电耦合器<c>一般光电耦合器的电路符号<a><b><a><b><d><c><a>发光二极管–光敏电阻器式<b>发光二极管–光敏二极管式<c>发光二极管–光敏三极管式<d>发光二极管–光电池式图2-27光电耦合器电路符号由于光电耦合器中的光敏元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池等,所组成的光电耦合器性能各异,所以电路符号也不尽相同,其电路图形符号如图2–27所示。三、主要特点1．实现了电气绝缘耦合。光电耦合器的输入端和输出端之间从电气上来说是绝缘的,绝缘电阻根据封装形式有些差异,一般都大于1010Ω,耐压值超过1KV,有的品种可高达10KV。2．单向性。因为光传输的单向性,信号只能从发光源单向传送到光敏元件,而不会反向传输,所以输出信号不会影响输入端。3．共模抑制比大。发光源通常是砷化镓红外发光二极管,它是一种低阻抗电流驱动性元件,元件共模抑制大,所以可抑制干扰,消除噪声。4．容易和逻辑电路配合。当使用几种不同类型的逻辑元件组成系统时,用光电耦合器可以很好地解决互相连接时的电平转换和隔离问题。5．响应速度快。时间常数约几微秒甚至几毫微秒。6．无触点,寿命长,体积小,耐冲击。四、光电耦合器的驱动电路和输出电路1．驱动电路图2-28光电耦合器驱动电路光电耦合器的驱动电路实际上就是如何为光电耦合器中的砷化镓红外发光二极管提供足够大的工作电流,使它发出一定强度的红外线。图2–28是简单而实用的驱动电路。图2–28〔a为普通驱动电路,在图2–28〔a中,Rs为限流电阻、调节它的大小可调节发光二极管的发光亮度,同时能限制发光二极管的工作电流,以免过大而烧坏发光二极管,UDC为直流电源电压。图2–28〔b是恒流驱动电路,驱动电流不受电源电压变化的影响。2．输出电路光电耦合器的输出电路,就是将光敏元件产生的光电流通过部或外接电路进行放大后输出,以达到信号传递的要求。下面介绍几种常用的输出电路。图2-29光电耦合器输出电路图2–29〔a为输入端有光照时输出"0"状态的电路,即输出低电平。当有光照时,光敏三极管GBG导通,输出端U0输出低电平。图2–29〔b为输入端有光照时输出"1"状态的电路,即有光照时,光敏三极度管GBG导通,输出端U0输出高电平。图2–29〔c为光敏三极管加引出线外接电位器W,可以调整对输入端的光照感应强度。图2–29〔d是一种能提高信噪比的电路。该电路采用了差分电路,其一侧为光电耦合器,另一侧用的是普通NPN型硅三极管,起到了补偿温度的变化和电源波动的作用,获得较高的信噪比。五、光电耦合器在自动控制系统中的应用1．光电耦合器电子开关用光电耦合器作电子开关,其电路如图2–30所示。图2–30〔a为常开式电子开关。输入端无信号时,Ui=0,三极管BG截止,G0输入端发光二极管无电流流过,不发光,G0输出端的光敏元件无信号输出,相当于开关常开。当输入端有信号输入,即Ui为高电平时,BG导通,G0的发光二极管被点亮,所产生的光照射到G0输出端的光敏元件上,G0便有信号输出。图2–30〔b为常闭式光电开关,当BG基极无信号输入时,即Ui=0,BG是截止的,电源Vcc通过电阻Rs为G0的输入端提供电流,发光二极管所发出的光使G0的输出端有信号输出,相当于开关的闭合状态。当在BG基极加一个高电位信号,则BG导通,此时,相当于将G0的输入端短路,从而G0输出端无信号输出。图2-30光电耦合器电子开关2．光电耦合器门电路所有类型的光电耦合器都可以组成门电路,这些门电路的主要优点是抗干扰能力强,而在转换速度,功率耗损等方面均不如晶体管门电路,更赶不上固体门