光电式传感器课件.ppt

1、光电式传感器 1.1 光源1.2 光电效应及光电器件1.3 光电式传感器应用举例1.4世界知名传感器生产商 光电传感器一般由辐射源、光学通路、光电器件三部分组成。光电式传感器的工作原理就是：首先将被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电器件变换成电信号。它主要是基于光电转换元件的光电效应。被测量作用于辐射源或光学通路，从而将被测信息调制到光波上，使光波的强度、相位、空间分布和频谱分布等发生改变，光电器件将光信号转换为电信号，电信号经后续电路解调分离出被测信息，从而实现对被测量的测量。光电测量方法结构简单、非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点。特别是激光光源、光栅、光学码盘、CC

2、D器件、光纤等的成功应用，使光电传感器在自动检测中得到广泛应用。1.1 光源 光源是光电式传感器的一个重要组成部分，正确合理地选择光源是成功设计光电传感器的前提和保证。光电传感器中所用光源分为自然光源和人造光源两类。人造光源又分为热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源和激光光源。1.1.1热辐射光源 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源称为热辐射光源。物体温升越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长越短。加热可以借电流沿导体流动时所释放的热量来实现，如钨丝白枳灯、卤钨灯。1、白炽灯：是一种典型的可见光谱热辐射光源。钨丝密封在玻璃泡内，泡内充以惰性气体或保持真空，依靠电能将钨丝加热到白炽状态而发

3、光。白炽灯虽为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约11.5um，可作近红外光源。2、卤钨灯：是一种特殊的白炽灯，灯泡用石英或硬质玻璃制作，能够耐3500K的高温，灯泡内充以卤族元素，通常是碘。卤族元素能够与沉积在灯泡内壁上的钨发生化学反应，形成卤化钨扩散到钨丝附近，由于温度高而分解，钨原子重新沉积到钨丝上，这样弥补了灯丝的蒸发，大大延长了灯泡的寿命，同时也解决了灯泡因钨的沉积而发黑的问题，光通量在整个寿命期始终能够保持相对稳定。3、卤钨灯与白炽灯的比较 1）体积小 是同功率白炽灯体积的0.53%，便于实现光学系统小型化。2）光通量稳定。最终时的光通量为

4、开始的95%-98%，而白炽灯只为60%。3）紫外线较丰富，因卤钨灯的灯丝温度较高，而且它的泡壳也能通过紫外线辐射，可作为紫外辐射源用于光谱辐射测量。4）发光效率比白炽灯高23倍。5）寿命长。1.1.2气体放电光源气体放电光源：电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关，改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。如光谱灯：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如：低压汞灯的辐射波长为254nm；钠灯的辐射波长约为

5、589nm。它们经常用作光电检测仪器的单色光源。气体放电光源发出的热量少，对检测对象和光电探测器件的温度影响小，对电压恒定的要求也比白炽灯低。1.1.3电致发光光源电致发光：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光；利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏。发光二极管LED（light emitting diode）具有体积小，寿命长（106-109h），工作电压低（12V），响应速度快（几个纳秒至几十纳秒）的优点，广泛用于飞机、计算机、仪器仪表、自动控制设备和民用电器上，作为显示、指示、照明、光源、光电开关、光电偶合、光电报警、光电遥控等元件使

6、用。1.1.4激光光源激光的英文是laser,它是“光受激辐射放大”（light amplification by stimulated emission of radiation）的缩写。某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收），如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（受激发射）。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。1.2 光电效应及光电器件

7、1.2.1 光电效应 光照射在物体表面上就可看成是物体受到一连串能量为E的光子轰击，而光电效应就是由于该物体吸收到光子能量为E的光后产生的电效应。E=h.f，其中，h为普朗克常数，h=6.62610-34 J.S，f为光子频率。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类：（1）外光电效应。在光线作用下能使电子逸出物体表面的称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量大于该物体的表面逸出功。各种不同的材料具有不同的逸出功，因此对某特定材料而言，将有一个频率限Vo，称为“红限”。当入射光的频率低于o

8、时，不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于Vo时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。（2）内光电效应。在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应，又称光电导效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻等。（3）半导体光生伏特效应。在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称为半导体光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏晶体管等。基于外光电效应的光电器件属于真空光电器件，基于内光电效应和半导体光生伏特效应的光电器件属于半导体光电器件。1.2.2光敏电阻 光敏电阻是由具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻器件。具有很高的灵敏度，光谱响应的范围宽

9、（从紫外区域到红外区域），体积小、重量轻、性能稳定，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长，价格低，被广泛应用于自动检测系统中。光敏电阻一般由金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成，如硫化镉、硫化铅、硫化铊、硒化镉、硒化铅、碲化铅等。1光敏电阻的基本特性 （1）光电流：暗电阻（暗阻）：光敏电阻在不受光照射时的电阻值；暗电流：光敏电阻在不受光照射时流过光敏电阻的电流称为暗电流；亮电阻（亮阻）：光敏电阻在受光照射时的电阻值；亮电流：在受光照射时流过光敏电阻的电流称为亮电流；光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。暗阻越大越好，亮阻越小越好，这样光电流就大，光敏电阻的灵敏度就高。一般暗电阻超过1M欧姆，甚至10

10、0M欧姆；亮电阻在几千欧姆以下。（2）伏安特性:在一定的照度下，加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性曲线。从图中看出：外加电压一定时，光电流的大小随光照的增加而增加；外加电压越高、光电流越大，没有饱和现象 但光敏电阻在使用时受耗散功率的限制，其两端电压不能超过最高工作电压。（3）光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性。图1.4 光敏电阻的伏安特性曲线 图1.5 光敏电阻的光照特性曲线 光敏电阻的光照特性是非线性的，所以光敏电阻不宜用做定量检测元件，而常在自动控制中用做光电开关。（4）光谱特性：光敏电阻对于不同波长l

11、 的入射光，其相对灵敏度Kr是不同的。在选用光敏电阻时，应把元件与光源结合起来考虑，才能获得满意的结果。（5）频率特性：相对灵敏度Kr与光强度变化频率f之间的关系曲线。当光敏电阻受到光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，而在停止光照后，光电流也不立刻为0，这是光敏电阻的时延特性。局限性：（1）由于光敏电阻的时延特性比较大，所以它不能用在要求快速响应的场合。（2）光敏电阻受温度影响较大，随着温度的升高，暗阻和灵敏度都下降。图1.6 光敏电阻的光谱特性 图1.7 光敏电阻的频率特性 图1.8 光敏电阻的光谱温度特性 1.2.3 光敏晶体管：包括光敏二极管、光敏三极管 1光敏二极管 （1）工

12、作原理。光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件。光敏二极管一般处于反向工作状态。光敏二极管在没有光照射时反向电阻很大，反向电流很小，此电流就是暗电流。当有光照射光敏二极管时，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子空穴对，它们在PN结处的内电场作用下定向运动形成光电流，即为短路电流。短路电流与光照度成比例，光的照度越大，光电流越强。在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。图1.9 光敏二极管2光敏三极管（1）工作原理：光敏三极管是半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件，分为PNP型和NPN型两种。当有光照射光敏三极管时，光子打在PN结附近

13、，使PN结附近产生光生电子空穴对，它们在PN结处的内电场作用下定向运动形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加。由于光照射发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，因此集电极电流是光电流的倍。光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。图1.10 光敏三极管（2）基本特性 光谱特性：光敏三极管对于不同波长l 的入射光，其相对灵敏度Kr是不同的。由于锗管的暗电流比硅管大，锗管的性能比较差。在探测可见光或赤热状态的物体时，都采用硅。但当探测红外光时，锗管比较合适。伏安特性：光敏三极管在不同照度Ee下伏安特性，与一般三极管在不同的基极电流时的输出特性一样，只要将入射光在发射极与基极之间的PN结附近所产生

14、的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的三极管。光照特性：光敏三极管的输出电流Ic与照度Ee之间的关系可以近似看作是线性关系，当光照足够大时（几千勒克斯），会出现饱和现象。光敏三极管即可做线性转换元件，也可做开关元件。温度特性：表示温度与暗电流及输出电流之间的关系。温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定；而暗电流随温度变化很大，所以在应用时应在线路上采取措施进行温度补偿。时间常数：光敏三极管的传递函数可以看作是一个非周期性环节。一般锗管的时间常数约为210-4 S，硅管的时间常数10-5 S左右。当检测系统要求响应速度快时，通常选择硅管。图1.11 光敏三极管的光谱特性曲线

15、图1.12 光敏三极管的光照特性曲线 图1.13 光敏三极管的温度特性曲线 1.3光电式传感器应用举例 图1.19 带材跑偏检测装置 1光源；2、3透镜；4光敏电阻R1；5被测带材；6遮光罩1.3.2在数控机床中的应用光栅检测装置的结构执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通过读数头的光电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号，用作位置反馈信号或位置显示信号原理 1）指示光栅与标尺光栅刻度等宽。2）平行装配，且无摩擦3）两尺条纹之间有一定夹角4）当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线垂直的横向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅距时，摩尔条纹也移动一个纹距 应用较多的干涉条纹式光栅，

16、是利用光的衍射现象产生莫尔干涉条纹。当两片光栅互相平行，其刻线相互成一小角度时，两光栅有相对运动就会生明暗相间的干涉条纹，将光源来的光经透镜变成平行光，垂直照射在光栅上，经狭缝s和透镜由光电元件接受，即可得到与位移成比例的电信号。理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。将明暗相间的干涉条纹用光电元件接收后，经过放大、整形、微分变成脉冲信号，即可用来测量位

17、移量，如右图。可见每个线距可以发两个脉冲信号。标尺光栅安装在机床移动部件上，光栅读数头安装在机床固定部件。按摩尔条纹特点，当标尺光栅移动一个栅距时，摩尔条纹移动一个摩尔条纹宽度。透过光强变化的周期数确定标尺光栅移动了一个栅距，测得机床移动部件位移。根据摩尔条纹的特点，标尺光栅的移动位移与摩尔条纹的移动位移成比例。因此，标尺光栅的移动速度和摩尔条纹的移动速度相一致，也与光强变化频率相对应。可根据透过观察的光强变化频率来确定标尺光栅的移动速度，得到机床移动部件的移动速度。脉冲编码器在数控机床上的应用增量式编码器俗称脉冲编码器，一般有接触式，光电式、电磁式三种。光电式脉冲编码器没有接触磨损，码盘寿命

18、长，允许转速高，精度较高，在数控机床上主要使用光电式脉冲编码器。（1）直线位移测量。编码器在数控机床中用于工作台或刀架的直线位移测量有两种安装方式：一是和伺服电动机同轴联接在一起（称为内装式编码器），伺服电动机再和滚珠丝杠连接，编码器在进给转动链的前端，如图2（b）所示；二是编码器连接在滚珠丝杠末端(称为外装式编码器)，如图 2（a）所示。由于后者包含的进给转动链误差比前者多，因此，在半闭环伺服系统中，后者的位置控制精度比前者高。由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此，根据脉冲的数量、传动比及滚珠丝杠螺距即可得出移动部件的直线位移量。（2）角位移测量。在数控回转工作台中，

19、通过在回转轴末端安装编码器，可直接测量回转工作台的角位移。（3）测速。光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，因此，光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。（4）零标志脉冲用于回参考点控制。当数控机床采用增量式位置检测装置时，在接通电源后实现要完成回参考点的操作。这是因为机床断电后，系统就失去了对各坐标轴位置的记忆，所以在接通电源后，必须让各坐标轴回到机床某一固定点上，这一固定点就是机床坐标系的原点或零点，也称机床参考点。参考点位置是否正确与检测装置中的零标志脉冲有相当大的关系。图 5 所示为回参考点的一种实现方式。机床在

20、回零时，坐标轴先以快速 v1 向零点方向运动，当挡块碰到零点开关（减速开关）后，再以慢速 v2 趋近零点，当编码器产生零标志信号后，坐标轴即停止于机床零点。1.4 世界知名传感器制造商近年来，世界传感器市场以持续稳定的增长之势向前发展，各国企业竞相加速对传感器的开发和产业化。东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依然是传感器市场分布最大的国家。欧洲、北美洲和亚洲的知名传感器制造商。1:Measurement Specialties Inc./美国MEAS传感器公司 精量电子美国MEAS传感器公司掌握着世界领先的MEMS制造技术，专业生产各类传感器。产品广泛应用于航

21、天航空、国防军工、机械设备、工业自动控制、汽车电子、医疗、家用电器、暖通空调、石油化工、空压机、气象检测、仪器仪表等领域。该公司在行业内第一个实现硅MEMS批量加工技术，第一个将LVDT商业化，第一个将Piezo Film技术转化为低成本的商业化传感器及生命特征传感器。主要的传感器产品：压力及动态压力传感器，位移传感器，倾角及角位移传感器，霍尔编码器，磁阻传感器，加速度传感器，振动传感器，湿度传感器，温度传感器等。2:罗克韦尔自动化有限公司 主要的传感器产品：压力传感器、温度传感器、容性接近传感器、感性接近传感器、光电传感器、超声传感器等。公司简介：罗克韦尔自动化公司是拥有百年历史的工业自动化

22、巨擎。它在全球工业自动化动力、控制与信息技术解决方案等领域占据领先地位。1988年进入中国，在上海设有生产基地，为中国制造业提供世界一流产品与解决方案、服务支持及技术培训。同时，罗克韦尔自动化为客户提供各种工业领域的专家支持，诸如采矿、水泥、起重机及船舶应用、地铁、半导体、水及污水处理、轮胎、石油及石化、冶金、汽车、食品与饮料、电力及能源等。主要的传感器产品：压力传感器、温度传感器、容性接近传感器、感性接近传感器、光电传感器、超声传感器等。3:General Electric Company/通用电气公司 通用电气公司（GE）是一家多元化的科技、媒体和金融服务公司，也是全球知名传感器厂商之一，

23、致力于不断创新、发明和再创造，为客户解决问题。GE由四大业务集团构成，每个集团都包括多个共同增长的部门。GE的产品和服务范围广阔，从飞机发动机、发电设备、水处理和安全技术，到医疗成像、商务和消费者金融、媒体和工业产品。主要的传感器产品：车载传感器、压力传感器、温度传感器、光学传感器（元件）等。4:Siemens AG/西门子股份公司 西门子一直活跃在中国市场，并在工业、能源和医疗业务领域处于领先地位。公司致力于产品开发和制造，设计和安装复杂的系统和工程，定制一系列解决方案。同时，它还是全球知名的传感器制造厂商，传感器质量优良。主要的传感器产品：温度/压力传感器，工业自动化产品中所用传感器。国内

24、传感器行业中国传感器技术与国外先进国家相比,在科研开发上要落后10年,则在生产技术上要落后15年。近年建立了传感器技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、机器人国家重点试验室等研发基地，初步建立了敏感元件和传感器产业，目前我国已有1,688家从事传感器的生产和研发的企业.国内传感器制造业人士正大力投入资金，以增加品种、提高质量和经济效益为目标，加速传感器产业化，争取近年内使中国市场上国产的传感器和仪表元器件的品种占有率达到7080%、高档产品达到60%以上。沈阳仪表科学研究院深圳清华大学研究院河南汉威电子股份有限公司 我国传感器面临着历史上的最好时刻，市场需求量大，国家政策支持，一方面许

25、多国内企业在努力开发自己的新技术，企业管理模式大大改进，另一方面来自国际的AMA德国传感器协会还参会进行支持。传感器的质量、价格、功能都是将来国内企业要重点提高的方面。将来国内传感器还要走好从工业过程检测向功能独立的设备仪器转化的过程，比如日常用血压计就属于此类。大家也都相信国内企业会在取长补短上更有作为，从而争取早日与外企站在同一起跑线上，向传感器微型化、网络化、专业化进军。我们期待未来的中国传感器取得不菲的成绩，而中国传感器企业仍然任重而道远。小 结 光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，它的基础是光电转换元件的光电效应。光电测量方法一般具有结构简单、非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点。光电效应可分为内光电效应、外光电效应和光生电动势效应等。