機械工業出版社CHINAMACHINEPRESS光電式傳感器第6章智能傳感與檢測技術徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6光電式傳感器6智能傳感與檢測技術光電式傳感器6.1紅外傳感器6.2光纖傳感器6.3激光傳感器6.4光電式傳感器6

光電傳感器通常是指能敏感檢測到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。由于被光照射的物體材料不同，所產生的光電效應也不同，通常光照射到物體表面后產生的光電效應分為三類：①在光線作用下能使電子逸出物體表面的現象稱外光電效應。②在光電作用下能使物體的電阻率改變的現象稱為內光電效應。③在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應。智能傳感與檢測技術6.1光電式傳感器6.1.1光電效應

光電子逸出時所具有的初始動能Ek與光的頻率有關，頻率高則動能大。由于不同材料具有不同的逸出功,因此對某種材料而言便有一個頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發出電子；反之，當入射光的頻率高于此極限頻率時，即使光線微弱也會有光電子發射出來，這個頻率限稱為“紅限頻率”。光電式傳感器6

光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應制成的光電轉換器件。金屬陽極A和陰極K封裝在一個玻璃殼內，當入射光照射在陰極時，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當電子獲得的能量足夠大時，就有可能克服金屬表面對電子的束縛（稱為逸出功）而逸出金屬表面形成電子發射，這種電子稱為光電子。在光照頻率高于陰極材料紅限頻率的前提下，溢出電子數決定于光通量，光通量越大，則溢出電子越多。當光電管陽極與陰極間加適當正向電壓（數十伏）時，從陰極表面溢出的電子被具有正向電壓的陽極所吸引，在光電管中形成電流，稱為光電流。智能傳感與檢測技術6.1光電式傳感器6.1.2光電元件及傳感器1．光電管光電式傳感器6

當微光照射陰極K時，從陰極K上逸出的光電子被第一倍增極D1所加速，以很高的速度轟擊D1，入射光電子的能量傳遞給D1表面的電子使它們由D1表面逸出，這些電子稱為二次電子，一個入射光電子可以產生多個二次電子。D1發射出來的二次電子被D1、D2間的電場加速，射向D2，并再次產生二次電子發射，得到更多的二次電子。這樣逐級前進，一直到最后達到陽極A為止。若每級的二次電子發射倍增率為，共有n級（通常可達9～11級），則光電倍增管陽極得到的光電流比普通光電管大n倍，因此光電倍增管靈敏度極高。其光電特性基本上是一條直線。智能傳感與檢測技術6.1光電式傳感器6.1.2光電元件及傳感器2．光電倍增管光電式傳感器6

光敏電阻是一種電阻元件,具有靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應范圍寬，機械強度高，耐沖擊和振動，壽命長等優點。在黑暗的環境下，它的阻值很高，當受到光照并且光輻射能量足夠大時，光導材料禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度ΔEg的光子激發，由價帶越過禁帶而躍遷到導帶，使其導帶的電子和價帶的空穴增加，電阻率變小。光敏電阻常用的半導體材料有硫化鎘(CdS,ΔEg=2.4eV和硒化鎘(CdSe,ΔEg=1.8eV)。智能傳感與檢測技術6.1光電式傳感器6.1.2光電元件及傳感器3.光敏電阻光電式傳感器6

無光照時，僅有很小的穿透電流流過，當光線通過透明窗口照射集電結時，和光敏二極管的情況相似，將使流過集電結的反向電流增大，這就造成基區中正電荷的空穴的積累，發射區中的多數載流子（電子）將大量注入基區。由于基區很薄，只有一小部分從發射區注入的電子與基區的空穴復合；而大部分電子將穿過基區流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流，與普通晶體管的電流放大作用相似，集電極電流Ic是原始光電流的β倍，因此光敏晶體管比二極管的靈敏度高許多倍。智能傳感與檢測技術6.1光電式傳感器6.1.2光電元件及傳感器5.光敏晶體管光電式傳感器6

當光照到PN結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發出電子-空穴對，在N區聚積負電荷，P區聚積正電荷，這樣N區和P區之間出現電位差。若將PN結兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區流經外電路至N區。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。智能傳感與檢測技術6.1光電式傳感器6.1.2光電元件及傳感器6.光電池光電式傳感器6

光電傳感器在工業上的應用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。智能傳感與檢測技術6.1光電式傳感器6.1.3光電傳感器及其應用

光電式傳感器6防止工業煙塵污染是環保的重要任務之一。為了消除工業煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化智能傳感與檢測技術6.1光電式傳感器6.1.3光電傳感器及其應用1.煙塵濁度監測儀

光電式傳感器6

在待測轉速軸上固定一帶孔的轉速調置盤，在調置盤一邊由白熾燈產生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速可由該脈沖頻率測定。智能傳感與檢測技術6.1光電式傳感器6.1.3光電傳感器及其應用2.光電數字式轉速表

光電式傳感器6

產品在傳送帶上運行時，不斷地遮擋到從光源到光電元件問的光路，使光電脈沖電路隨產品的有無產生一個個電脈沖信號。產品每遮光一次，光電脈沖電路便產生一個電脈沖信號，因此，輸出的脈沖數即代表產品的數目。該脈沖經計數電路計數并由顯示電路顯示出來。智能傳感與檢測技術6.1光電式傳感器6.1.3光電傳感器及其應用3.光電式產品計數器

光電式傳感器6

自然界的物體，例如：人體、火焰甚至于冰都會放射出紅外線，只是其發射的紅外線的波長不同而已。人體的溫度為36～37℃，所放射的紅外線波長為9～10（屬于遠紅外線區），加熱到400～700℃的物體，其放射出的紅外線波長為3～5。（屬于中紅外線區）。紅外線傳感器可以檢測到這些物體發射出的紅外線，用于測量、成像或控制。智能傳感與檢測技術6.2紅外傳感器6.2.1紅外傳感器概述光電式傳感器6

熱釋電效應是晶體的一種自然物理效應。對于具有自發式極化的晶體，當晶體受熱或冷卻后，由于溫度的變化而導致自發式極化強度變化，從而在晶體某一定方向產生表面極化電荷，這種由于熱變化而產生的電極化現象稱為熱釋電效應。智能傳感與檢測技術6.2紅外傳感器6.2.2熱釋電紅外傳感器1．熱釋電效應2．熱釋電紅外傳感器的結構熱釋電紅外傳感器由探測元件、場效應管匹配器和干涉濾光片組成。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡光電式傳感器6光纖傳感器主要包括光纖、光源、光探測器和信號處理電路四個重要部分。智能傳感與檢測技術6.3光纖傳感器6.3.2光纖傳感器1.光纖傳感器的原理光纖傳感器一般由三個環節組成，即信號的轉換、信號的傳輸、信號的接收與處理。信號的轉換環節，將被測參數轉換成為便于傳輸的光信號。信號的傳輸環節，利用光導纖維的特性將轉換的光信號進行傳輸。

信號的接收與處理環節，將來自光導纖維的信號送入測量電路，由測量電路進行處理并輸出。光電式傳感器6智能傳感與檢測技術6.3光纖傳感器6.3.3光纖傳感器及其應用1．光纖位移傳感器

光從光源經凸透鏡耦合進輸入光纖射向被測物體，經被測物體反射，有一部分光進入輸出光纖，待測距離越小，進入輸出光纖的反射光越多，根據探測器測量值就可以知道待測距離的大小，從而實現位移量的檢測。光電式傳感器6智能傳感與檢測技術6.3光纖傳感器6.3.3光纖傳感器及其應用2．光纖液位傳感器

光源發出的光經人射光纖到達測量端的圓錐體反射器。如果測量端置于空氣中，光線在圓錐體內發生全內反射，通過接收光纖全部返回到受光元件；如果測量端接觸到液面，由于液體的折射率與空氣的折射率不同，全內反射被破壞，部分光線透入液體，則返回受光元件的光強變弱。光電式傳感器6智能傳感與檢測技術6.4激光傳感器

利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。激光器按工作物質可分為四類：1.固體激光器固體激光器的工作物質是固體。常用的有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器和釹玻璃激光器等。它們的結構大致相同，特點是小而堅固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達到數十兆瓦。2.氣體激光器氣體激光器的工作物質為氣體。現已有各種氣體原子、離子、金屬蒸氣、氣體分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形狀如普通放電管，特點是輸出穩定，單色性