第8章-光电传感器

1、1,第八章 光电传感器,2,第一节 常用光电器件,是一种将光信号转换成电信号的装置。 具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点。 得到广泛应用。 光电效应通常可分为三类 （1）光电导效应：光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值变化的效应。 光敏电阻属于这类器件 （2）光生伏特效应：光照改变半导体PN结电场，从而引起结电势变化的效应，又叫做PN结光电效应。 光电池、光敏晶体管属于这类器件 （3）光电发射效应：某些物质在光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象，叫光电发射效应。 光电管、光电倍增管属于这类器件。,3,一、光敏电阻,1、光敏电阻的光电效应 无光照时，其阻值很大； 有光照时，

2、阻值下降，光照越强阻值越低 光照停止，又恢复高电阻状态。 光敏电阻是典型的光电导器件。,4,2. 光敏电阻分类,（1）紫外光敏感元件对紫外光敏感 紫外线波长10380nm，紫外光是指至外线的内侧光波，波长=300nm380nm （2）可见光敏感元件对可见光敏感 波长=380nm760nm。 这类敏感元件适用于光电计数、光电耦合、光电控制 （3）红外光敏感元件对红外光敏感 红外线波长：760nm1000000(106)nm，红外光是指红外线的内侧光波，波长=760nm6000nm 这类期间主要用于探测不可见目标。,5,基本结构和电路,如图,6,3、 光敏电阻的基本特性,（1） 光谱特性 是指光电

3、流对不同波长的单色光的相对灵敏度。 典型光谱特性如下：,7,（2）光照特性,是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。,光敏电阻具有较高的灵敏度 具有明显的非线性,8,（3）伏安特性,在一定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与其光电流之间的关系，称为伏安特性。,9,（4）响应时间与频率特性,光敏电阻在照射光强变化时，由于光电导的驰豫现象，其 电阻的变化在时间上有一定的滞后，通常用响应时间表示。 响应时间又分为上升时间t1和下降时间t2，,10,光敏电阻上升和下降时间的长短，表示其对动态光信号响应的快慢，即频率特性，如图所示。 光敏电阻的频率特性不仅与元件的材料有关，而且还与光照的强弱有关。

4、,11,（5）温度特性,在光照一定的条件下，光敏电阻的阻值随温度的升高而下降，即温度特性，用温度系数来表示。 温度不仅影响光敏电阻的灵敏度，而且还影响其光谱特性，温度升高，光谱特性向短波方向移动，如图8-12所示。,12,二、 光电池,光电池的光电效应 实质是一个大面积的PN结。 当光照射到PN结上时, 若光子能量足够大, 就在PN结附近激发大量的电子空穴对，如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出，最后建立一个与光照强度有关的电动势叫做光生电势。若存在电路，就有电流叫做光生电流。 光电池是典型的光生伏特效应器件。,光电池：硒光电池、硅光电池、锗光电池、砷化镓光电

5、池、氧化亚铜光电池等,13,2. 光电池的基本特性,（1）光谱特性 光电池对不同波长的光，其光电转换灵敏度是不同的，即光谱特性，如图所示。,硅光电池：光谱响应范围4001200nm，光谱响应峰值波长在800nm附近； 硒光电池：光谱响应范围380750nm，光谱响应峰值波长在500nm附近。,14,（2） 光照特性,光电池在不同光照强度下，有不同的光生电动势和光生电流。 硅光电池的光照特性如图所示。,短路电流（负载电阻很小时的电流）与光照度关系在很大范围是线性的，负载电阻越小，线性度约好。 因此，将光电池作为检测元件时，是利用其短路电流，作为电流源的形式来使用。,硅光电池开路电压为0.40.6

6、V 具有非线性 在2000lX以下趋于线性,15,（3）频率特性,光电池的频率特性是指其输出电流随照射光调制频率变 化的关系，如图所示。,硅光电池响应频率较高，适用于作高速计数的运算器电池； 硒光电池响应频率较低，不宜用做快速光电转换。,16,（4） 温度特性,一组硅光电池的温度特性是指其开路电压和短路电流随温度变化的关系。,硅光电池的开路电压随温度升高快速下降，短路电流缓慢上升,17,三、光敏二极管和光敏晶体管,1. 光敏二极管的光电效应,无光照时, 反向电阻很大, 反向电流很小（暗电流）。 有光照时, 光生电子和空穴在PN结电场和外加反向偏压的共同作用下，形成光电流I。光的照度越大, 光电

7、流越大。,18,2. 光敏晶体管的光电效应,无光照时, 相当于晶体管基极开路,只有很小的暗电流 有光照时, 光生电子和空穴形成基极电流，此电流在外加集电结反偏电压作用下，经放大而成为集电极电流。,19,3. 光敏管的基本特性,（1） 光谱特性 光敏管在恒定电压作用和恒定光通量照射下，光电流（用相对值或相对灵敏度）与入射光波长的关系，称为光敏管的光谱特性。,Si光敏管，光谱响应波段4001300nm，峰值响应波长约为900nm Ge光敏管，光谱响应波段5001800nm，峰值响应波长约为1500nm,20,（2） 光照特性,在端电压一定条件下，光敏管的光电流与光照度的关系，称为光敏管的光照特性。

8、,21,（3）伏安特性,光敏管在一定光照下，其端电压与器件中电流的关系，称为光敏管的伏安特性。,22,（4） 频率特性,光敏管的频率响应是指具有一定频率的调制光照射光敏管时，光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随调制频率的变化关系。,23,（5） 温度特性,在端电压和光照度一定条件下，光敏管的暗电流及光电流与温度的关系，称为光敏管的温度特性。,24,四、常用光电器件的应用,光电耦合器 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。

9、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。,25,用于实现电信号隔离传输的光耦: 使用注意事项： 隔离的两边不应该有电的任何联系。,26,例：光电耦合器件实现输入信号的隔离,输入信号,输入信号,光电耦合器件隔离，使输入开关电路与单片机电路之间无电的联系,27,8路光电隔离输入,28,例： 光电耦合器隔离输出,如果外部干扰强，或者电压高，为了保证单片机的可靠工作，一般使用光电耦合器件隔离输出。,单片机输出,光电隔离单片机与负载端无电的联系,接负载,29,8路光电隔离输出,30,2. 光电转速计,一种用于检测的光电耦合器,是一种透射式，一边为发光元件，另

10、一边为光敏元件。,31,3. 反射式固体表面粗糙度仪,教材P133页给出了一种利用光电池做检测元件的固体物表面粗糙度测量仪器的基本原理。 光源发射的光照射到被测固体物表面，一部分光被吸收，一部分光被反射。 表面粗造度不同对光的反射不同 表面光滑，反射的光多 反之少 用光电池接收反射的光,32,4. 透射式薄膜厚度计,同样用光电池做检测元件光源与光电池处于被测薄膜两边 光源的光一部分被吸收，一部分投射到达光电池 吸收的光的量与薄膜厚度有关也就是通过透射到达光电池的光与薄膜厚度有关。,33,5. 红外遥控器,发射管-接收管分别处于,34,6. 反射式红外收发,还有反射式红外收发器件，例如 红外控制

11、的洗手池的自动水龙头用到红外发射接收器件,红外遥控器发射器件、接受器件分开。,35,第二节 光栅传感器,有普通光栅、 莫尔条纹 两种。 普通光栅：,1光源 2柱面镜 3码盘 4狭缝 5元件,36,普通光栅,光透过槽（孔），接收器件输出脉冲,光栅的数量不能多槽（孔）不能太小太密 光检测元件有一定的尺寸，不能太小 故要求高的，一般用莫尔条纹制作光栅,37,一、莫尔条纹,光栅 又叫光栅尺，利用化学方法在玻璃上均匀刻线，形成规则排列的透光和不透光的明暗条纹透射式光栅尺,m-暗条纹宽度； n-亮条纹宽度； W=m+n 光栅栅距，又叫光栅常数,n,38,除了直光栅外，还有圆光栅 圆光栅：在圆周上均匀刻线,

12、39,除了以上透射式，还有反射式金属光栅。 利用激光和化学方法共同处理造出光反射条纹和光不反射（吸收）条纹 也同样有直光栅和圆光栅。,40,2. 莫尔条纹,把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。,由于很小，,41,3. 莫尔条纹的特性,（1） 莫尔条纹的间距BH对光栅常数W具有放大作用,是两光栅尺之间的夹角（用弧度表示）其值很小(1) 故BH比光栅的删距W大很多，容易用光电元件检测。 例如：W=0.02mm，一般光电元件难以检测，当=0.01 rad时，BH=2

13、mm，已经容易用一般的光电元件进行检测了。,（2）莫尔条纹可以消除光栅尺局部缺陷引起的误差 （3）莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动的大小和方向。,42,二、 光栅传感器的组成,光栅传感器的组成 （1）光源 （2）透镜将光源的光变为平行光 （3）主光栅尺又叫标尺光栅，一般较长，固定不动 （4）指示光栅尺较短 （5）光电元件接收光信号转换为电信号,43,2. 透射式光栅传感器原理 光透过光栅尺，由光电元件接收，转换为电信号。 例如使用半导体光源发光二级管 在光栅的另一端，用光电二极管或三级光接收，转换为电信号。 反射式光电传感器原理 与透射式相似，只是接收元件和光源在同一侧，接收反

14、射光。,44,三、辩向原理,使用两个光接收元件，这两个光接收元件相距 BH/4，这样，接收元件的输出电信号相位相差 2/4=/2,将其放大整形成方波,利用辩向电路可以识别方向。 教材上图8-34是一种辩向电路,45,四、光电编码器,1.增量式 编码器结构,46,顺时针旋转 逆时针旋转,增量编码器的输出信号是 2 个相位相差90o的脉冲信号，如图中的A、B信号。根据需要，可以将A信号用作记数信号， B信号用作方向信号，反之也可以。,可逆计数器,增量编码器的量程由计数器决定，而计数器是电子器件，量程几乎不受限制。 但也正是使用了电子计数器，增量编码器的抗干扰性能低于直接编码器。,47,2. 直接输

15、出光电编码器绝对式,明暗条纹直接按某种编码设置， 例如该图利用四个光栅圆环构成四位编码输出 每个光栅使用一个光电元件，这样四个光电元件的输出信号经整形为脉冲信号，就构成了四位编码 可以使用不同的编码方式 二进制、BCD、格雷码,48,五、细分,主要是用于增量式光栅传感器 增量式圆光栅传感器每一圈输出的脉冲数决定了角度分辨能力。 例如每转1000脉冲360/1000=0.36 有时需要提高分辨率可以选用更高分辨率的光栅传感器 也可以通过细分提高分辨率 细分光学细分 电路细分 我们主要讨论电路细分：经过电路处理，将一圈的脉冲数增加。,49,教材上介绍了2种细分方法 四倍频直接细分 每隔四分之一光栅栅距，安装一个光敏元件，这样就输出四路相差/2的脉冲信号，利用教材图8-34介绍的电路，每个栅距产生4个计数脉冲。 这需要在制作光栅时处理，细分数受安装光电元件个数限制,50,电阻桥路细分 教材P.139的图8-35介绍了一种方法。 实际上，对于应用者，光栅输出的是A、B两路脉冲信号，利用A、B脉冲信号也可以在外部用电路实现细分。,51,3. 一种细分