现代检测技术 第9章 光电式传感器

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1、第9章光电式传感器☞9.1概述☞9.2光电元件☞9.3光栅测量装置9.1概述光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器，一般都是由光源、光学元件和光电元件三个部分组成。光电阻传感器是将光信号转换为电阻变化的一种传感器。此种测量方法具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反映快等特点。在检测和控制领域获得了广泛的应用。光源发射出一定光通量的光线，由光电元件接受，在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件在输出电量时，也作相应的变化，最后用光量来表达被测量的大小。其输出的电量可

2、以是模拟量，也可以是数字量。光电式传感器基本分类1.光电转换系统的输出端为“有”或“无”电信号两种稳定状态，亦即为“通”或“断”的开关状态。属于这一类的为光电式转速表、光电继电器等。2.光电转换系统中，当光作用在光电元件上时，产生的光电流是光通量的函数。属于这一类的为光电式位移计、光电式测振计等。3.光电转换系统将被测体的形状直接反映出来，这一类的传感器是利用电荷耦合摄象器件（CCD）作为光电元件的，主要用于再线的图案检查、文字识别等。光电传感器应用与优点光电传感器是一种常用的传感器，应用领域也比较广泛，除可直接检测

3、光信号外，还可以用来测量转速、位移、距离、温度、浓度、浊度等参量，也可以用作对各种产品的计数、机床的保护装置。光电传感器具有很多优良的特性，例如，精度高、不受电磁干扰的影响、非接触测量、体积小、重量轻、造价低的等优点。一、光源光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数的光电传感器都离不开光源。我们把通电后而发光的器件，统称为电光源，或者叫电光元件。普通的电光源可以分为四类：⑴热辐射光源，即白炽灯；⑵气体放电灯，如氖泡，日光灯；⑶固体发光光源（电致发光器件),如发电二极管，场致发光灯；⑷激光器。⑴热辐射光源：热物体都会向

4、空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。白炽灯就是一种典型的热辐射光源。⑵气体放电灯（气体放电光源）电流通过气体会产生发光现象，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。低压贡灯、钠灯、氦灯等是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。⑶固体发光光源（电致发光器件）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

5、，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发电二极管，半导体激光器和电致发光屏。发电二极管与白炽灯相比，它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高以及能和集成电路相匹配等优点；因此广泛地应用于计算机、仪器仪表和自动控制等设备中。二、光学元件与光路在光电式传感器中，必须采用一定的光学元件，并按照一些光学定律和原理构成各种各样的光路。常用的光学元件有各种反射镜和透镜。三、光电元件光电元件在光电式传感器中是用来把光量变换成电量的一种器件。常用的有光敏电阻，光电池，光敏晶体管，光电倍增

6、管。以及一些新型半导体光电器件，如电荷耦合摄像器（CCD），光电位置敏感器件（PSD）等。传统的光电器件是利用各种光电效应制成的器件。光电器件的理论基础是光电效应。所谓光电效应即是由于物体吸收能量E为的光后产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为两大类型：外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又分为光导效应和光生伏特效应。外光电效应是指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管和光电倍增管即属此类。内光电效应是指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。9.2光电元件9.2.1光敏电阻光

7、敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。如图9-11、光敏电阻的工作原理在黑暗的环境下它的电阻是很高的，但当它受到光线照射时，若光子能量hy大于本征半导体材料的禁带宽度Eg，同禁带中的电子吸收一个光子后就足以跃迁到导带，激发出电子—空穴对，从而加强了导电性能，使阻值降低，且照射的光线愈强阻值也愈低。光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，电阻有恢复原值。这种由于光线照射强弱而导致半导体电阻值变化的现象，称为光导效应。具有光导效应的材料就称为“光敏电阻”用光敏电阻制成的器件称为光导管，

8、但通常也叫光敏电阻。光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外区域到红外区域，且体积小，性能稳定，价格低，所以被广泛应用于自动测试系统中。但是，使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。光敏电阻的种类繁多，一般由金属的硫化物、硒化物、锡化物等组成。图9-1光敏电阻的结构及表示符号返回课程2、光敏电阻的主要参数和基本特性