光電傳感器檢測技術(shù)

一、光電傳感器概述

　　1.定義 1.定義 通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量， 通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并 能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。 2.結(jié)構(gòu) 2.結(jié)構(gòu) 光源、 光源、光學(xué)元件和光電變換器三部分組成。 3.工作原理 3.工作原理 被測量使光源發(fā)射的光通量變化→ 被測量使光源發(fā)射的光通量變化→光電變換器接受到 的光通量相應(yīng)變化→輸出電量也作相應(yīng)地變化。 的光通量相應(yīng)變化→輸出電量也作相應(yīng)地變化。 4.優(yōu)點(diǎn) 4.優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)快，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)快，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。

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　　二、光電效應(yīng)

　　定義

　　光照射在物體上可看成一連串具有能量的光子對物 體的轟擊， 體的轟擊，物體吸收光子能量產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。

　　光子能量

　　E = h? f = h?

　　光的 頻率

　　C

　　光速

　　λ

　　光的 波長

　　式中h=6.626× 式中h=6.626×10-34 J·S，為普朗克常數(shù)。 h=6.626 S 為普朗克常數(shù)。

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　　三、光電效應(yīng)的分類

　　通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為 外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。

　　1.外光電效應(yīng) 1.外光電效應(yīng)

　　外光電效應(yīng)(1887/赫茲/德國)：光照射固體而從 外光電效應(yīng)(1887/赫茲/德國)：光照射固體而從 赫茲 )： 表面逸出電子的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)( 表面逸出電子的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)(光電發(fā)射效 應(yīng)); 基于外光電效應(yīng) 的光電器件屬于光電 發(fā)射型器件, 發(fā)射型器件,有光電 光電倍增管等。 管、光電倍增管等。

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　　光電倍增管工作原理圖

　　光電 陽極

　　K

　　光電 陰極

　　D1～D6光電 倍增極

　　(1)組成 光電陰極：由半導(dǎo)體材料銻-銫制造，入射光在它上面打出光電子。 光電陰極：由半導(dǎo)體材料銻-銫制造，入射光在它上面打出光電子。 光電倍增極：數(shù)目在4 14個不等 個不等。 光電倍增極：數(shù)目在4～14個不等。 光電陽極：收集電子，外電路形成電流輸出。 光電陽極：收集電子，外電路形成電流輸出。 在工作時(shí),這些電極的電位是

　　逐級增高的。 在工作時(shí),這些電極的電位是逐級增高的。

　　陰極K電位最低，陽極A電位最高。各電極之間保持上百伏的電壓差。 陰極 電位最低，陽極A電位最高。各電極之間保持上百伏的電壓差。 電位最低

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　　光電倍增管工作原理圖

　　(2)工作原理： 工作原理： 光電倍增極→ 光 → 陰極 → 光電倍增極→ 陽極 → 光電流 光線→光電陰極( 正電位作用)→ )→加速并打在第一倍增極 光線→光電陰極(D1正電位作用)→加速并打在第一倍增極D1上,產(chǎn)生二

　　次發(fā)射; 次發(fā)射; 的二次發(fā)射電子( 正電位作用)→ )→加速入射到電極 D1的二次發(fā)射電子(D2正電位作用)→加速入射到電極D2上; …這樣逐級前進(jìn),一直到達(dá)陽極A為止。由上述的工作過程可見,光電 這樣逐級前進(jìn), 為止。由上述的工作過程可見, 這樣逐級前進(jìn) 流是逐級遞增的,因此光電倍增管具有很高的靈敏度。 流是逐級遞增的,因此光電倍增管具有很高的靈敏度。

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　　特點(diǎn)：產(chǎn)生光電流，對光電流有放大作用。 特點(diǎn)：產(chǎn)生光電流，對光電流有放大作用。

　　如果在光電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個電子， 如果在光電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個電子，這個電子將被 第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極，設(shè)這時(shí)第一倍增極有σ 第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極，設(shè)這時(shí)第一倍增極有σ個 二次電子， 個電子又轟擊第二倍增極，而其產(chǎn)生的二次電子又增加σ 二次電子，這σ個電子又轟擊第二倍增極，而其產(chǎn)生的二次電子又增加σ 經(jīng)過n個倍增極后，原先的1個電子將變成σ 個電子， 倍，經(jīng)過n個倍增極后，原先的1個電子將變成σn個電子，這些電子最后被 陽極所收集而在光電陰極與陽極之間形成電流。 陽極所收集而在光電陰極與陽極之間形成電流。 構(gòu)成倍增極材料的σ>1， 構(gòu)成倍增極材料的σ>1，設(shè)σ=4，n=10，放大倍數(shù)為σ=410≈ 106 10，放大倍數(shù)為σ 可見，光電倍增管的放大倍數(shù)是很高的。 可見，光電倍增管的放大倍數(shù)是很高的。

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　　2、內(nèi)光電效應(yīng)

　　受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料) 受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn) 生光電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 生光電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種： 內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光 生伏特效應(yīng)。 生伏特效應(yīng)。

　　(1)光電導(dǎo)效應(yīng)

　　原理： 原理：光 → 半導(dǎo)體 → 電子吸收能 電子-空穴對→ 量 → 躍遷 → 電子-空穴對→導(dǎo)電 性能→電阻值。 性能→電阻值。 基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電 光電導(dǎo)型) 阻(光電導(dǎo)型)和反

　　向工作的光敏二極 光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型) 管、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型)。

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　　導(dǎo)帶 禁帶 價(jià)帶 半導(dǎo)體能帶圖

　　a.光敏電阻(光導(dǎo)管) a.光敏電阻(光導(dǎo)管) 光敏電阻

　　特點(diǎn)：靈敏度高,體積 特點(diǎn)：靈敏度高, 重量輕, 小,重量輕,光譜響應(yīng) 范圍寬,機(jī)械強(qiáng)度高, 范圍寬,機(jī)械強(qiáng)度高, 耐沖擊和振動, 耐沖擊和振動,壽命長 等優(yōu)點(diǎn)。 等優(yōu)點(diǎn)。

　　原理：電阻器件，加直流偏壓，無極性 原理：電阻器件，加直流偏壓， 無光照---電子-空穴對很少---電阻大(暗電阻)---暗電流很小 ---電子 ---電阻大 無光照---電子-空穴對很少---電阻大(暗電阻)---暗電流很小 有光照---電子-空穴對增多---電阻小(亮電阻)---亮電流很大 ---電子 ---電阻小 有光照---電子-空穴對增多---電阻小(亮電阻)---亮電流很大

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　　主要參數(shù)： 主要參數(shù)：

　　暗電流：光照時(shí)，通過光敏電阻的電流; 暗電流：光照時(shí)，通過光敏電阻的電流; 亮電流：有光照時(shí)，通過光敏電阻的電流; 亮電流：有光照時(shí)，通過光敏電阻的電流; 光電流=亮電流- 光電流=亮電流-暗電流

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　　4. 基本特性

　　部分光敏元件的光譜特性 光譜特性 光照特性 伏安特性 頻率特性 溫度特性

　　光敏電阻的光譜特性是指光電流對不同波 長單色光的相對靈敏度。 長單色光的相對靈敏度。

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　　部分光敏元件的光譜特性

　　光敏電阻的光譜特性是指光電流對不 同波長單色光的相對靈敏度。 同波長單色光的相對靈敏度。

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　　光敏電阻的光照特性

　　光敏電阻的光照特性是指在一定的電壓 光電流I與光照強(qiáng)度E 下，光電流I與光照強(qiáng)度E的關(guān)系 。

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　　光敏電阻的伏安特性

　　光敏電阻的伏安特性是指在一定強(qiáng)度的光 照下，光敏電阻的端電壓與光電流的關(guān)系。 照下，光敏電阻的端電壓與光電流的關(guān)系。

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　　光敏電阻的頻率特性

　　頻率特性系指光敏電阻上的光電流對入 射光調(diào)制頻率的響應(yīng)特性 。

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　　硫光鉛光譜溫度特性

　　溫度特性系指光敏電阻工作特性受溫度的影響。 溫度特性系指光敏電阻工作特性受溫度的影響。

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　　b.光敏二極管和光敏三極管 b.光敏二極管和光敏三極管

　　光敏管的工作原理與光敏電阻是相似的, 光敏管的工作原理與光敏電阻是相似的,其差別只是 光照在半導(dǎo)體結(jié)上而已。 光照在半導(dǎo)體結(jié)上而已。

　　(a)光敏二極管

　　(b)光敏三極管

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　　2.光生伏特效應(yīng) 2.光生伏特效應(yīng)

　　光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P 光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn) 生一定方向的電動勢的效應(yīng)。 生一定方向的電動勢的效應(yīng)。因此光生伏特型光電器 件是自發(fā)電式的,屬有源器件。 件是自發(fā)電式的,屬有源器件。以可見光作光源的光 電池是常用的光生伏特型器件, 電池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光電池常用 的材料,也可以使用鍺。 的材料,也可以使用鍺。

　　硅光電池：在N型 硅光電池： 硅片上摻入P 硅片上摻入P型雜 質(zhì)，形成一個大 面積的PN PN結(jié) 面積的PN結(jié)。

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　　硅光電池光照特性

　　光電池在不同光照強(qiáng)度下， 光電池在不同光照強(qiáng)度下，有不同的光生電 勢或光生電流 。

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　　四、光電傳感器的應(yīng)用實(shí)例

　　由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多， 由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多， 又具有非接觸、高精度、高分辨率、 又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和 響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、 響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、 CCD器件 光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用， 器件、 CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用， 使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的 應(yīng)用。 應(yīng)用。

　　按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳 感器。 感器。 光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、 光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、 反射式、輻射式四種基本形式。 反射式、輻射式四種基本形式。

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　　下圖表明了四種形式的工作方式。 下圖表明了四種形式的工作方式。

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　　下面舉一實(shí)例，說明光敏器件的具體應(yīng)用。直射式光電轉(zhuǎn) 下面舉一實(shí)例，說明光敏器件的具體應(yīng)用。 速傳感器的結(jié)構(gòu)見下圖。 速傳感器的結(jié)構(gòu)見下圖。

　　開孔圓盤

　　工作原理： 工作原理：開孔圓盤上 有許多小孔， 有許多小孔，開孔圓盤 旋轉(zhuǎn)一周， 旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸 出的電脈沖個數(shù)等于圓 盤的開孔數(shù)，因此， 盤的開孔數(shù)，因此，可 通過測量光敏元件輸出 的脈沖頻率， 的脈沖頻率，得知被測 轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速。

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　　直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器

　　開孔圓盤

　　60 f n= r / min m

　　轉(zhuǎn)速; 式中n——轉(zhuǎn)速; 轉(zhuǎn)速 f——脈沖頻率; 脈沖頻率; 脈沖頻率 。m——圓盤開孔數(shù)。 圓盤開孔數(shù)。 圓盤開孔數(shù)

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　　比色溫度計(jì) ：通過測量熱輻射體在兩個以上波長 的光譜輻射亮度之比來測量溫度的儀表。 的光譜輻射亮度之比來測量溫度的儀表。

　　被測對象經(jīng)物鏡1成像經(jīng)光欄3與光導(dǎo)棒4投射到分光鏡6 被測對象經(jīng)物鏡1成像經(jīng)光欄3與光導(dǎo)棒4投射到分光鏡6上，它使長波 紅外線)輻射線透過，而使短波(可見光)部分反射。 (

　　紅外線)輻射線透過，而使短波(可見光)部分反射。透過分光鏡的輻射 線再經(jīng)濾光片9將殘余的短波濾去， 后被紅外光電元件硅光電池10接收， 10接收 線再經(jīng)濾光片9將殘余的短波濾去，之后被紅外光電元件硅光電池10接收， 轉(zhuǎn)換成電量輸出;由分光鏡反射的短波輻射線經(jīng)濾波片7將長波濾去， 轉(zhuǎn)換成電量輸出;由分光鏡反射的短波輻射線經(jīng)濾波片7將長波濾去，而被 可見光硅光電池8接收， 可見光硅光電池8接收，轉(zhuǎn)換成與波長亮度成函數(shù)關(guān)系的電量輸出。

　　傳感器與檢測技術(shù)

　　將這兩個電信號輸入自動平衡顯示紀(jì)錄儀進(jìn)行比較得出光電信號比， 將這兩個電信號輸入自動平衡顯示紀(jì)錄儀進(jìn)行比較得出光電信號比， 即可讀出被測對象的溫度值。 即可讀出被測對象的溫度值。 光欄3前的平行平面玻璃2將一部分光線反射到瞄準(zhǔn)反射鏡5 光欄3前的平行平面玻璃2將一部分光線反射到瞄準(zhǔn)反射鏡5上，在經(jīng) 反射鏡11 目鏡12和棱鏡13 11、 12和棱鏡13， 反射鏡11、目鏡12和棱鏡13，便能從觀察系統(tǒng)中看到被觀測對象的狀 以便校準(zhǔn)儀器的位置。 態(tài)，以便校準(zhǔn)儀器的位置。