傳感器與檢測(cè)技術(shù)光電式傳感器

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1、1,光電式傳感器,電氣工程學(xué)院,2,7 光電式傳感器,光電式傳感器是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。光電式傳感器由于反應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于軍事、宇航、通信、檢測(cè)與工業(yè)自動(dòng)控制等各個(gè)領(lǐng)域中。 工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)實(shí)生活中光電傳感器的應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)舉幾個(gè)常見的實(shí)例。,3,7 光電式傳感器,照相機(jī)自動(dòng)測(cè)光 工業(yè)測(cè)光,,4,7 光電式傳感器,光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來測(cè)量位移,5,7 光電式傳感器,6,7 光電式傳感器,7.1 光電效應(yīng)及光電器件,光照射在物體上可

2、以看成是一連串的具有一定能量的光子轟擊這些物體的表面。所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。 光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三類。后兩類又稱為內(nèi)光電效應(yīng)，根據(jù)這些效應(yīng)可制成不同的光電轉(zhuǎn)換器件(或稱光敏元件)。,7,7 光電式傳感器,1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,8,7 光電式傳感器,7.1.1.外光電效應(yīng) 在光線照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。其中，向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料。,根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：一個(gè)電

3、子只能接受一個(gè)光子的能量。因此要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子能量E 大于該物體的表面逸出功A0。,h__普朗克常數(shù) f___光的頻率;,每個(gè)光子具有的能量：,光照射在物體上可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊這些物體。,9,7 光電式傳感器,1當(dāng)光子能量大于逸出功時(shí)，才會(huì)有光電子發(fā)射出來，才會(huì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)。各種不同的材料具有不同的逸出功A0，因此對(duì)某特定材料而言，將有一個(gè)頻率限f0(或波長(zhǎng)限0)，稱為“紅限”。顯然，如果入射光的頻率低與于紅限頻率，不論入射光的強(qiáng)度有多大，也不會(huì)使物質(zhì)發(fā)射光電子。當(dāng)入射頻率高于fo時(shí)，不管它多么微弱也會(huì)使被照射的物體激發(fā)電子，光越強(qiáng)則激發(fā)出的電子數(shù)目越

4、多。,2當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。 3由于電子逸出時(shí)具有一定的初動(dòng)能可以形成光電流，為使光電流為零需加反向電壓才能使其截止。,也就是單個(gè)光子把全部能量傳給物體中的一個(gè)自由電子。使自由電子的能量增加hf。這些能量一部分用作電子逸出物體表面的逸出功A0，另一部分變電子的初動(dòng)能EK。即,10,7 光電式傳感器,7.1.2.內(nèi)光電效應(yīng) 在光線照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體表面，而使物體的電阻率發(fā)生變化的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)分為：光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng),光生電子-空穴對(duì),1.光電導(dǎo)效應(yīng)： 半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn) 生電子-空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性 能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，

5、阻值愈低， 這種光照后電阻率發(fā)生變化的 現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于 這種效應(yīng)的光電器件有光敏電 阻和光敏二、三極管 。,11,7 光電式傳感器,7.1.3.光生伏特效應(yīng)： 半導(dǎo)體材料受到光照后，在PN結(jié)上產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。 光生伏特效應(yīng)型器件是自發(fā)電式的，是有源器件。 常用的光生伏特器件有光電池。,12,7 光電式傳感器,7.2 光電器件及其特性,光電管與光電倍增管 光敏電阻 光敏二極管和光敏三極管 光電池 半導(dǎo)體光電元件的特性,13,7 光電式傳感器,基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件，有光電管、光電倍增管等。光電管有真空光電管和充氣光電管。,,,1. 光

6、電管,光電管受光照發(fā)射電子,光電管的陰極K受到適當(dāng)?shù)恼丈浜蟊惆l(fā)射光電子，這些光電子在電場(chǎng)作用下被具有一定電位的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。電阻RL上產(chǎn)生的電壓降正比于空間電流，其值與照射在光電管陰極K上的光成函數(shù)關(guān)系。如果在玻璃管內(nèi)充入惰性氣體(如氬、氖等)即構(gòu)成充氣光電管。由于光電子流對(duì)惰性氣體進(jìn)行轟擊，使其電離，產(chǎn)生更多的自由電子，從而提高光電變換的靈敏度。,,圖7-2(a) 光電管結(jié)構(gòu)示意圖,圖(b) 光電管電路,7.2.1 光電管與光電倍增管,14,7 光電式傳感器,紫外光電管外形,當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外

7、管多用于紫外線測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。,紫外線,15,7 光電式傳感器,2.光電倍增管,當(dāng)入射光很微弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的光電流很小，不易檢測(cè)，這時(shí)常用 光電倍增管對(duì)光電流放大以提高靈敏度。如下圖所示。在光電管的陰極 與陽極之間安裝若干個(gè)倍增極D1、D2、Dn，就構(gòu)成了光電倍增管。,光電倍增管的工作原理建立在 光電發(fā)射和二次發(fā)射的基礎(chǔ) 之上。工作時(shí)倍增極電位是 逐級(jí)增高的，當(dāng)入射光照射 光電陰極K時(shí)，立刻有電子 逸出，逸出的電子受到第一 倍增極D1正電位作用，使之 加速打在D1倍增極上，產(chǎn)生 二次電子發(fā)射。,16,7 光電式傳感器,同理D1發(fā)射的電子在D2更高正電位作用下，再次被加速打在D2極上，D2又

8、會(huì)產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這樣逐級(jí)前進(jìn)，直到電子被陽極A收集為止。通常光電倍增管的陽極與陰極間的電壓為10002500V，兩個(gè)相鄰倍增電極的電位差為 50 100V，其靈敏度比普通真空光電管高幾萬到幾百萬倍，因此在很微弱的光照下也能產(chǎn)生很大的光電流。,17,7 光電式傳感器,光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。 而一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，

9、否則將會(huì)損壞。,18,7 光電式傳感器,(1)光電管,（2）光電倍增管,19,7 光電式傳感器,1. 光電管的光電特性 通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流I之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。 左圖表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。,圖4 光電管的光照特性,20,7 光電式傳感器,圖7-4 光電管的特性,21,7 光電式傳感器,2. 光電管的伏安特性 在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如

10、圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。 （光電管的工作點(diǎn)應(yīng)選在光電流與陽極電壓無關(guān)的區(qū)域內(nèi)）,圖3a 真空光電管的伏安特性 圖3b 充氣光電管的伏安特性,22,7 光電式傳感器,3. 光電管光譜特性 由于光陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。 一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的極限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于極限頻，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會(huì)不同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電

11、管的光譜特性。所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。,23,7 光電式傳感器,7.2.2光敏電阻,光敏電阻是一種用光導(dǎo)材料制成的沒有極性的光電元件，也稱光導(dǎo)管。純粹是一個(gè)電阻器件。無光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。根據(jù)電流值的變化，即可推算出照射光強(qiáng)的大小。,24,7 光電式傳感器,如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大?。?25,7 光電式傳感器,26,7

12、光電式傳感器,,光敏電阻演示,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。,暗電流（越小越好）,,27,7 光電式傳感器,2)光敏二極管和光敏三極管,光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理也是基于內(nèi)光電效應(yīng)，和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過程。將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光照射。光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與光照成正比。,28,7 光電式傳感器,光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上，光敏二

13、極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)。處于反向偏置的PN結(jié)，在無光照時(shí)具有高阻特性，反向暗電流很小。當(dāng)光照時(shí)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光電流，方向與反向電流一致。光的照度愈大，光電流愈大。由于無光照時(shí)的反偏電流很小，一般為納安數(shù)量級(jí)，因此光照時(shí)的反向電流基本上與光強(qiáng)成正比。,光敏二極管,29,7 光電式傳感器,30,7 光電式傳感器,光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。其結(jié)構(gòu)如圖所示。,光敏三極管,多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外形與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。,31

14、,7 光電式傳感器,光敏三極管外形,32,7 光電式傳感器,33,7 光電式傳感器,光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的。由于它可以像電池那樣為外電路提供能量，因此常稱為光電池。因此光生伏特型光電器件是自發(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，硒和硅是光電池常用的材料，也可以使用鍺。,PN結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖,,7.2.4 光電池,34,7 光電式傳感器,也稱硅太陽能電池，它是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的P-N結(jié)，P層做得很薄,從而使光線能穿透到P-N結(jié)上。硅太陽能電池具有輕便、簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生氣體或熱污染，易于適應(yīng)環(huán)境。因此

15、凡是不能鋪設(shè)電纜的地方都可采用太陽能電池，尤其適用于為宇宙飛行器的各種儀表提供電源。,硅光電池,35,7 光電式傳感器,光電池外形,,光敏面,36,7 光電式傳感器,能提供較大電流的大面積光電池外形,37,7 光電式傳感器,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用,太陽能賽車,太陽能電動(dòng)機(jī)模型,,太陽能硅光電池板,38,7 光電式傳感器,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）,太陽能發(fā)電,39,7 光電式傳感器,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）,光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用,40,7 光電式傳感器,太陽能廣告屏/太陽能廣告牌/太陽能廣告燈箱,41,7 光電式傳感器,主要用于道路十字路口、道路變窄、路面障礙、事故易發(fā)路口等危險(xiǎn)路段

16、，通過LED的閃爍發(fā)光，提醒司機(jī)行車注意，控制車速行駛。工作原理是利用太陽能電池白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在可充電電池中，發(fā)光時(shí)LED將電能轉(zhuǎn)化為光能，實(shí)現(xiàn)太陽能黃閃燈的閃爍發(fā)光，從而起到引導(dǎo)交通的作用。,42,7 光電式傳感器,7.3光電式傳感器的測(cè)量電路,7.3 .1光電式傳感器的常用光源,光源是許多光電傳感器的重要組成部分，要使光電傳感器很好地工作，除了合理選用光電元件外，還必須配備合適的光源。,發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。 鎢絲

17、燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對(duì)紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。 激光 激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，是很理想的光源。,43,7 光電式傳感器,7.3.2測(cè)量電路,光電管的測(cè)量電路,44,7 光電式傳感器,光電倍增管的測(cè)量電路,圖7-15 光電倍增管的測(cè)量電路,45,7 光電式傳感器,光敏電阻的測(cè)量電路,圖7-16 光敏電阻開關(guān)電路,46,7 光電式傳感器,圖7-16 光敏電阻開關(guān)電路,47,7 光電式傳感器,光敏晶體管的測(cè)量電路

18、光電池的測(cè)量電路,同學(xué)們自己分析 圖7-17和圖7-19的電路,48,7 光電式傳感器,7.4 光電傳感器及其應(yīng)用,工作原理：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。 分類：按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖式光電傳感器。,49,7 光電式傳感器,1. 模擬式光電傳感器 模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性,其光通量是隨被測(cè)量而變,光電流就成為被測(cè)量的函數(shù),故又稱為光電傳感器的函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)光電傳感器。這一類光電傳感器有如下幾種工作方式。,被測(cè)物體位于恒定光源與光電元件之間,根據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測(cè)定被測(cè)參數(shù)。如測(cè)量液體、氣

19、體的透明度、混濁度,對(duì)氣體進(jìn)行成分分析,測(cè)定液體中某種物質(zhì)的含量等。,恒定光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物體上,被測(cè)物體把部分光通量反射到光電元件上,根據(jù)反射的光通量多少測(cè)定被測(cè)物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例如測(cè)量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。,50,7 光電式傳感器,被測(cè)物體位于恒定光源與光電元件之間,光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物遮去其一部分,使作用在光電元件上的光通量減弱,減弱的程度與被測(cè)物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。利用這一原理可以測(cè)量長(zhǎng)度、厚度、線位移、角位移、振動(dòng)等。,被測(cè)物體本身就是輻射源，它可以直接照射在光電元件上，也可以經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件上。光電高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、紅外偵察和紅外遙

20、感等均屬于這一類。這種方式也可以用于防火報(bào)警和構(gòu)成光照度計(jì)等。,51,7 光電式傳感器,光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式四種基本形式。,52,7 光電式傳感器,遮光式,53,7 光電式傳感器,反射式,54,7 光電式傳感器,透射式光電開關(guān)示意圖,55,7 光電式傳感器,透射式光電開關(guān)原理,,,透射式光電開關(guān)由相互分離且相對(duì)安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測(cè)物體位于發(fā)射器和接受器之間時(shí)，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。,,被檢測(cè)物體,光發(fā)射器,光接收器,56,7 光電式傳感器,光電開關(guān)在 流水線上的應(yīng)用,57,7 光電式傳感器,光幕,接

21、收器,兩個(gè)柱形結(jié)構(gòu)相對(duì)而立，每隔數(shù)十毫米安裝一對(duì)發(fā)光二極管和光敏接收管，形成光幕，當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。,58,7 光電式傳感器,光幕應(yīng)用,光線被遮斷（報(bào)警）,,當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，起保護(hù)、預(yù)警等作用。,59,7 光電式傳感器,光幕應(yīng)用（續(xù)）,產(chǎn)品高度測(cè)量,60,7 光電式傳感器,,,,光幕應(yīng)用（續(xù)）,61,7 光電式傳感器,光幕應(yīng)用（續(xù)）,木材外形截面積檢測(cè),62,7 光電式傳感器,光幕應(yīng)用（續(xù)）,63,7 光電式傳感器,光幕用于自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng) 的車輛檢測(cè),紅外線車輛分離器: 專為公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車輛分離檢測(cè)和分類檢測(cè)而設(shè)計(jì) ； 用于判斷車輛的結(jié)束從

22、而計(jì)算整車重量； 完全消除跟車現(xiàn)象，將半掛車、全掛車、單車可靠分離，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)與車輛的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。,光幕應(yīng)用（續(xù)）,64,7 光電式傳感器,光幕應(yīng)用（續(xù)）,鍛壓機(jī)床的安全區(qū)域設(shè)置 及入侵報(bào)警,65,7 光電式傳感器,光幕應(yīng)用（續(xù)）,安全區(qū)示警,66,7 光電式傳感器,反射型光電開關(guān),反射型光電開關(guān)分為兩種情況：反射鏡反射型及被測(cè)物漫反射型（簡(jiǎn)稱散射型）。,反射鏡反射型光電開關(guān)采用較為方便的單側(cè)安裝方式，但需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對(duì)安裝角度的變化不太敏感，有的還采用偏光鏡，它能將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光（波動(dòng)方向嚴(yán)格一致的光）反射回去，提高抗干擾能

23、力。,67,7 光電式傳感器,定區(qū)域反射式光電開關(guān)原理,,,定區(qū)域式光電開關(guān)有一個(gè)非常確定的檢測(cè)區(qū)域，不經(jīng)過該區(qū)域的被測(cè)物體不會(huì)引起光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。,,檢測(cè)距離,,,,檢測(cè)距離,68,7 光電式傳感器,反射型光電開關(guān)及反射鏡外形,三角反射鏡,,,集發(fā)射、接收器于一身,,69,7 光電式傳感器,反射鏡反射型光電開關(guān)工作原理,反射鏡反射型光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體，與反射鏡相對(duì)安裝配合使用。反射鏡使用偏光三角棱鏡，能將發(fā)射器發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光反射回去，光接收器表面覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來的偏振光。,70,7 光電式傳感器,被測(cè)物漫反射型光電開關(guān)原理,漫反射型光電開關(guān)

24、集光發(fā)射器和光接受器于一體。當(dāng)被測(cè)物體經(jīng)過該光電開關(guān)時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測(cè)物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。,被檢測(cè)物體,71,7 光電式傳感器,漫反射型光電開關(guān)的應(yīng)用,,,72,7 光電式傳感器,反射型光電開關(guān)外形,73,7 光電式傳感器,反射型光電開關(guān)外形（續(xù)）,74,7 光電式傳感器,光電開關(guān)應(yīng)用,透明度測(cè)量、控制,質(zhì)量檢測(cè),75,7 光電式傳感器,光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）,加工控制,76,7 光電式傳感器,光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）,機(jī)械手定位,77,7 光電式傳感器,光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）,商標(biāo)方向檢測(cè),78,7 光電式傳感器,,光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控

25、制和光探測(cè)裝置。可在自控系統(tǒng)中用作物體檢測(cè)、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、料位檢測(cè)、尺寸控制、安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。,7.5 常見光電傳感器及應(yīng)用,1：光電測(cè)速模型,原理：在被測(cè)轉(zhuǎn)速的電機(jī)上固定一個(gè)調(diào)制盤，將光源發(fā)出的恒定光調(diào)制成隨時(shí)間變化的調(diào)制光。光線每照射到光電器件上一次，光電器件就產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)脈沖，經(jīng)放大器整形后記錄。,79,7 光電式傳感器,光電測(cè)速模型的兩種形式,80,7 光電式傳感器,光電式轉(zhuǎn)速表,n =60( f /z ),光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測(cè)物數(shù)十毫米外非接觸地測(cè)量其轉(zhuǎn)速。,81,7 光電式傳感器,水泵轉(zhuǎn)速測(cè)量,,,82,7 光電式傳感器,2.透射式光電傳感

26、器及在煙塵濁度監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用,透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等，以相對(duì)的方向裝在中間帶槽的支架上。當(dāng)槽內(nèi)無物體時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的光直接照在光敏三極管的窗口上，從而產(chǎn)生大的電流輸出，當(dāng)有物體經(jīng)過槽內(nèi)時(shí)則擋住光線，光敏管無輸出，以此可識(shí)別物體的有無。適用于光電控制、光電計(jì)量等電路中，可檢測(cè)物體的有無、運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速等方面。,,透射型BYD3M.TDT 光電傳感器使用示意圖,83,7 光電式傳感器,防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。 煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道在傳輸過程中的變化大小來檢測(cè)的。如果煙道

27、濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器的光減少。因此光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。,吸收式煙塵濁度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖,84,7 光電式傳感器,光電式濁度計(jì)和含沙量測(cè)量,將裝有濁水的試管插入儀器中,85,7 光電式傳感器,3.光電式帶材跑偏檢測(cè)器,帶材跑偏檢測(cè)器用來檢測(cè)帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向,從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào),主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。光電式帶材跑偏檢測(cè)器原理如圖所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡1會(huì)聚為平行光束,投向透鏡2,隨后被會(huì)聚到光敏電阻上。在平行光束到達(dá)透鏡2的途中,有部分光線受到被測(cè)帶材的遮擋,使傳到光敏

28、電阻的光通量減少。,帶材跑偏檢測(cè)器工作原理,86,7 光電式傳感器,帶材糾偏系統(tǒng),帶材走偏時(shí)，邊緣經(jīng)常與傳送機(jī)械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成廢品。當(dāng)帶材處于正確位置（中間位置）時(shí)，放大器輸出電壓Uo為零；當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。,87,7 光電式傳感器,當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減少，光敏電阻1阻值減少，電橋失去平衡。差動(dòng)放大器將這一不平衡電壓加以放大，輸出電壓為負(fù)值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之，當(dāng)帶材右偏時(shí)，為正值。輸出信號(hào)一方面由顯示器顯示出來，另一方面被送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號(hào)。,左圖為測(cè)量電路簡(jiǎn)圖。1、2是同型號(hào)的光敏電阻。1作

29、為測(cè)量元件裝在帶材下方，2用遮光罩罩住,起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)帶材處于正確位置(中間位)時(shí)，由1、2、3、4組成的電橋平衡，使放大器輸出電壓為0。,88,7 光電式傳感器,用容積法計(jì)量包裝的成品，除了對(duì)重量有一定誤差范圍要求外，一般還對(duì)充填高度有一定的要求，以保證商品的外觀質(zhì)量，不符合充填高度的成品將不許出廠。下圖為借助光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度的原理。當(dāng)充填高度偏差太大時(shí)，光電接頭沒有電信號(hào)，即由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將包裝物品推出進(jìn)行處理。 圖：利用光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度 利用光電開關(guān)還可以進(jìn)行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、對(duì)裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，例如灌裝時(shí)瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼，以及送料機(jī)構(gòu)

30、是否斷料等。,,4.包裝充填物高度檢測(cè),89,7 光電式傳感器,5：光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來測(cè)量位移,90,7 光電式傳感器,91,7 光電式傳感器,,光敏電阻調(diào)光電路 下圖是一種典型的光控調(diào)光電路，其工作原理是：當(dāng)周圍光線變?nèi)鯐r(shí)引起光敏電阻RG的阻值增加，使加在電容C上的分壓上升，進(jìn)而使可控硅的導(dǎo)通角增大，達(dá)到增大照明燈兩端電壓的目的。反之，若周圍的光線變亮，則RG的阻值下降，導(dǎo)致可控硅的導(dǎo)通角變小，照明燈兩端電壓也同時(shí)下降，使燈光變暗，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光照度的控制。,參見教材： 光電自動(dòng)航標(biāo)燈,92,7 光電式傳感器,光敏電阻式光控開關(guān) 以光敏電阻為核心元件的帶繼電器控制輸出的

31、光控開關(guān)電路有許多形式，如自鎖亮激發(fā)、暗激發(fā)及精密亮激發(fā)、暗激發(fā)等等。 左圖是一種簡(jiǎn)單的暗激發(fā)繼電器開關(guān)電路。其工作原理是：當(dāng)照度下降到設(shè)置值時(shí)由于光敏電阻阻值上升激發(fā)VT1導(dǎo)通，VT2的激勵(lì)電流使繼電器工作，常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)對(duì)外電路的控制。 右圖是一種精密的暗激發(fā)繼電器開關(guān)電路。其工作原理是：當(dāng)照度下降到設(shè)置值時(shí)由于光敏電阻阻值上升使運(yùn)放IC的反相端電位升高，其輸出激發(fā)VT導(dǎo)通，VT的激勵(lì)電流使繼電器工作，常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)對(duì)外電路的控制。,,,93,7 光電式傳感器,7.燃?xì)鉄崴髦忻}沖點(diǎn)火控制器,由于煤氣是易燃、易爆氣體，所以對(duì)燃?xì)馄骶咧械狞c(diǎn)火控制器的要

32、求是安全、穩(wěn)定、可靠。為此電路中有這樣一個(gè)功能，即打火確認(rèn)針產(chǎn)生火花，才可打開燃?xì)忾y門；否則燃?xì)忾y門關(guān)閉，這樣就保證使用燃?xì)馄骶叩陌踩浴?94,7 光電式傳感器,燃?xì)鉄崴髦械母邏捍蚧痣娐吩?燃?xì)鉄崴髦械母邏捍蚧鸫_認(rèn)電路原理如圖所示。在高壓打火時(shí)，火花電壓可達(dá)10000多伏，這個(gè)脈沖高電壓對(duì)電路工作影響極大，為了使電路正常工作，采用光電耦合器VB進(jìn)行電平隔離，大大增強(qiáng)了電路抗干擾能力。當(dāng)高壓打火針對(duì)打火確認(rèn)針放電時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，耦合器中的光敏三極管導(dǎo)通，經(jīng)VT1、VT2、VT3放大，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)吸電磁閥，將氣路打開，燃?xì)馀龅交鸹慈紵?。若高壓打火針與打火確認(rèn)針之間不放電，則光

33、電耦合器不工作，VT1等不導(dǎo)通，燃?xì)忾y門關(guān)閉。,95,7 光電式傳感器,8.光電自動(dòng)門,自動(dòng)門光電傳感器放大圖,96,7 光電式傳感器,9.光電液位控制裝置,97,7 光電式傳感器,10：條形碼掃描筆,98,7 光電式傳感器,光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖 光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)： 不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)漏電打火； 可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕。,7.5 光纖傳感器,99,7 光電式傳感器,7.5 光纖傳感器（1）光纖的

34、結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖結(jié)構(gòu)：,100,7 光電式傳感器,光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角 度入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖； 光線在光纖端面入射角減小到某一角度c時(shí)，光線全部反射。 只要c，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。,7.5 光纖傳感器（1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖的傳光原理：,101,7 光電式傳感器,為保證全反射，必須滿足全反射條件（即c） 實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為：,,空氣中,,,102,7 光電式傳感器,7.5 光纖傳感器（2）光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)） 數(shù)值孔徑（NA）,103,7 光電式傳感器,NA意義討論： NA表示光纖的

35、集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2c張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。 一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。 產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為：,,104,7 光電式傳感器,7.5 光纖傳感器 (3) 光纖傳感器,光纖目前可以測(cè)量70多種物理量，光纖的類 型較多，大致可分為功能型和非功能型兩類。 光纖傳感器進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)動(dòng)畫,,105,7 光電式傳感器,7.5 光纖傳感器 (3) 光纖傳感器 功能型,FF （Function Fibre Optil Se

36、nsor） 又稱傳感型 這類傳感器利用光纖 本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有 敏感能力和檢測(cè)功能，光 纖不僅起到傳光作用，而 且在被測(cè)對(duì)象作用下，如 光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光 學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后 的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。,106,7 光電式傳感器,7.5 光纖傳感器(3) 光纖傳感器 馬赫澤德干涉儀,分束器1把激光器的 輸出光束分成兩部分， 經(jīng)上、下光路的傳輸后 又重新合路，使其在光 檢測(cè)器處互相干涉。這 種干涉儀靈敏度，可精 確到10-13nm 。但實(shí)現(xiàn) 非常困難，限制在實(shí)驗(yàn) 室工作。,107,7 光電式傳感器,7.5 光纖傳感器 (3) 光纖傳感器,108,7 光電式傳感器,7.5 光纖傳感器------(3) 光纖傳感器,相位調(diào)制型光纖傳感器測(cè)量壓力或溫度動(dòng)畫演示,,