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1、第八章 光电传感器第一节 常用光电器件 一、光敏电阻 二、光电池 三、光敏二极管和光敏晶体管 四、常用光电器件的应用 第二节 光栅传感器 一、莫尔条纹 二、光栅传感器的组成 三、辨向原理 四、细分技术,第八章 光电传感器 光电传感器是一种将光信号转换成电信号的装置,第一节 常用光电器件 光是由具有一定能量的粒子组成，根据爱因斯坦光粒子学说，每个光子所具有的能量E 与其频率 的大小成正比（即E=h，式中h=6.62610-34JS，为普朗克常数）。光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应，即光电效应，这是实现光电转换的物理基础。,光电效应表现形式
2、光电导效应光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。光生伏特效应光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，故又称PN结光电效应，光电池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。光电发射效应光照使物体表面发射电子。,一、光敏电阻 1光敏电阻的光电效应 光敏电阻是典型的光电导效应器件。无光照时，其阻值很高；有光照时，其阻值大大下降，光照越强阻值越低；光照停止，又恢复高阻状态。,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,无光照时电流称之为暗电流光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻暗电阻通常为兆欧级有光照时电流称之为亮电流；光敏
3、电阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻，亮电阻一般为千欧以内。由光照所产生的自由电子空穴流称之为光电流，显然光电流是亮电流与暗电流之差，由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。,部分光敏元件的光谱特性,2光敏电阻的基本特性（1）光谱特性光电敏电阻的光电流对不同波长单色光的相对灵敏度。,（2）光照特性在一定的电压下，光电流I 与光照强度E 的关系光敏电阻具有很高的光照灵敏度具有明显的非线性可作控制元件，不宜作计量元件。,光敏电阻的光照特性,(4）频率特性光敏电阻上的光电流对入射光调制频率的响应特性光敏元件具有一定的惰性，调制频率f 越高，电流相对灵敏度Kr 越低有的材料光响应时间达几百毫
4、秒。光敏电阻的响应时间不但与元件的材料有关，而且还与光照强弱有关，光照越强，响应的时间越短。,光敏电阻的频率特性,光照射到PN结上时，如果光子能量足够大，就将在PN结附近激发出大量的电子空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区；在P区聚积正电荷，带正电，在N区聚积负电荷，带负电，即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差，称之为光生电势。,光电池的光电效应,二、光电池 1光电池的光电效应是典型的光生伏特效应器件。无光照时，扩散运动形成一个大面积的PN结，PN结电场方向是由N区指向P区,2光电池的基本特性,（1）光谱特性,光电池的光谱特性,（2）光照特性 光电池
5、在不同光照强度下，有不同的光生电势或光生电流,硅光电池光照特性,开路电压指光电池输出端开路时的电压，即光生电势短路电流指光电流输出端短路时的电流，即光生电流短路电流在很宽的光照范围内都具有线性特性,开路电压与光强成对数关系，电路电流与光强成线性关系受照结面积越大，短路电流越大。当光电池作为测量元件时，应以电流源形式使用（利用其短路电流与光强的线性关系）当外接负载的电阻远小于光电池内阻时，即可看作为短路电流。且负载越小，短路电流的线性关系越好，线性范围越宽。,（3）频率特性,光电池的频率特性,硅光电池具有较稳定的频率特性,三、光敏二极管和光敏晶体管 1光敏管的光电效应 光敏二极管和光敏晶体管也是
6、典型的光生伏特性效应器件。,无光照射：光敏二极管反偏、高阻截止状态，极小暗电流有光照射：光生电子和空穴在PN结电场和外加反向偏压的共同作用下，形成光电流I。光敏二极管呈低阻导通态,当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。,光敏二极管和光敏三极管在使用时，应注意保持光源与光敏管的位置合适，即：使入射光恰好聚集在管芯所处的区域，以利于光敏管接受光照，从而获得最大的
7、灵敏度。同时，为了避免灵敏度改变，使用中必须保持光源与光敏管的相对位置不变。,2光敏管的基本特性（1）光谱特性,光敏管的光谱特性,（2）光照特性 光敏二极管与光敏晶体管的光照特性有明显不同，以硅管为例如图所示。光敏二极管的光照特性近似为线性关系；光敏晶体管的光照特性为非线性,（a）光敏二极管（b）光敏晶体管 硅光敏管的光照特性,（3）伏安特性光敏管的输出电流与所加的偏置电压关系不大，具有近似的恒流特性；光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍，因而具有更高的灵敏度。,（a）光敏二极管（b）光敏晶体管 硅光敏管的伏安特性,（4）频率特性 光敏二极管的频率特性较好，是半导体光敏器件中最好的一种，其响
8、应速度达0.1s，截止频率高，适用于快速变化的光调制信号。,无光照时，调整元件参数，使得三极管截止，常开继电器开路，LD灭。,有光照时，D1的电阻下降。在交流电源的正半周，D2截止，常开继电器K开路，LD灭；在负半周，三极管导通，K闭合，LD亮。,无光照灯灭，有光照灯亮。此为亮通电路。,将D1与R的位置对调，即为暗通电路。此时，无光照灯亮有光照灯灭，可用于照明路灯的控制。,四、光电传感器的类型,按其输出量的性质分为两类1、输出连续光电流。1）光源本身是被测物，称为光辐射式。如光电比色高温计，其光通量和光谱的强度分布与温度成单值对应关系。,2）恒光源的光通量穿过被测物，部分被吸收后，其余到达光电
9、元件，称为光透射式。光的吸收量取决于被测物质的性质。如：测量气体或液体的透明度、混浊度等的光电比色计。,3）恒光源的光通量到被测物，再从被测物表面反射后投射到光电元件上，称为光反射式。被测物表面的反射条件取决于其表面性质或状态。如：测量物体表面光洁度、粗糙度等。,4）从恒光源发射到光电元件的光通量被被测物遮挡了一部分，从而改变了照射到光电元件上的光通量，称为遮挡式。可用于测量尺寸、振动等。,2、输出离散的光电流，即开关量。这种常用于光电继电器式的检测装置，如：转速表。,五、常用光电器件的应用 1光电耦合器 光电耦合器是由一个发光器件和一个光电转换器件组成，一般用金属或塑料外壳封装。其中发光器件
10、通常都是发光二极管，光电转换器件一般是光敏二极管或光敏晶体管。,光耦电气符号,典型电路,2、光电耦合器的组合形式,1）通用光耦结构简单，成本低，适用于50Hz以下的工作频率。,2）高速光耦采用高速开关管构成，适用于较高频率的场合。,3）高效光耦采用放大三极管构成，具有较高的传输效率。适用于较低工作频率和直接驱动负载的场合。,4）高速高效率光耦采用固体功能器件，具有高速、高传输效率的优点。,2光电转速计 光源：白炽灯泡（不能使用日光灯，日光灯以600Hz频率闪烁）光电转换器：光敏二极管或晶体管。旋转轴转动：光通过遮光盘上的透光孔照射到光敏晶体管上，将光信号转换为电信号，经整形输出电脉中，根据电脉
11、冲的频率就知道旋转轴的转速。,3反射式固体表面粗糙度计光源发出一定照度的光入射到被测固定的表面上，一部分被表面吸收，一部分反射到光电池上。被测表面越光滑，反射到光电池上的光越强，光电池输出电流越大。根据电流大小，可以判断被测表面的粗糙度。,固体表面粗糙度计,4透射式薄膜厚度计光源发出一定照度的光经准直透镜调制成平行光束，垂直入射到被测薄膜上，一部分被薄膜吸收和反射，一部分穿过薄膜出射到光电池上。薄膜越薄，出射光越强，光电池输出电流越大。可以用于检测薄膜的厚度、印刷机纸张监控、液体的混浊度、或气体和固体的透明度。,薄膜厚度计,5烟雾报警器,没有发生火灾时，光电三极管收不到LED发出的光发生火灾时
12、，产生大量烟雾，烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上,对射式光电开关,反射式光电开关,漫反射式光电开关,6光电式接近开关,6光电式接近开关,对射式,对射式,反射式,光电式带材跑偏检测,包装充填物高度检测,光电信号,放大,执行机构,放大,整形,光电开关,第二节 光栅传感器 光栅传感器是用于测位移的光电传感器。光透过光栅照射到光电器件上，根据光栅的莫尔条纹现象，可实现角位移或线位移的测量。用来测量角位移的光栅称作圆光栅，用来测量直线位移的光栅称作直光栅，其工作原理是一样的，这里仅介绍直线位移光栅传感器。,一、莫尔条纹1、光栅传感器的结构光栅传感器由：照明系统、光栅副和光电接收
13、元件组成。光栅副是主要部件，由主光栅（也称标尺光栅）和指示光栅组成。,透射光栅是在光学玻璃上面均匀刻有许多线条，形成规则排列的透光和不透光的明暗条纹所组成。,图中m 为暗条（不透光条）宽度，n 为亮条（透光条）宽度，W=m+n 称之为光栅的栅距或光栅常数。通常亮条和暗条具有相同的宽度（也有m：n=1.1：0.9的），亮条（或暗条）密度有每毫米10、25、50、100条等。,直光栅尺,莫尔条纹演示,指示光栅比主光栅短的多，但两者的条纹密度相同。光源一般是钨丝白炽灯，其输出功率较大，工作范围可达-40130，但寿命较低。近年来，常采用固态光源，如砷化镓发光二极管工作范围为-66100，发出的光近似
14、红外光（波长9194um)，转换效率较高，响应速度可达2us。功耗和热耗散都很低。,2、莫尔条纹形成 把光栅常数 W 相等的两光栅尺相对叠合在一起，并使两光栅尺栅条之间保持很小的夹角，在与栅条近乎垂直的方向出现明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹。图中在aa线上的两光栅尺重合，光线可从其缝隙中透过，形成亮带；在bb线上，两光栅尺彼此错开，挡住光线通过，形成暗带。,莫尔条纹的间距BH与光栅常数的关系为,=/2，由于角很小，即莫尔条纹的方向与x方向夹角很小，因而莫尔条纹的方向近乎垂直于直光栅尺的栅条。,莫尔条纹的间距,莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与夹角决定。当光栅常数W为定值时，两光栅的夹角越小，则条纹
15、宽度越大（即条纹越稀）。通过调节夹角，可以使条纹宽度具有任何所需的值。,3莫尔条纹的主要特性（1）莫尔条纹的间距对光栅常数W 具有放大作用,有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，则：分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m,由于栅距很小，因此无法观察光强的变化,BH W/=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm,莫尔条纹的宽度是栅距的32倍，较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。,同理，若=0.57=0.01rad，则BH=100W。可见，光栅能够将较小位移量转换为较大位移量以便测量,例：
16、某光栅的栅线密度为50条/mm，主光栅与指示光栅的夹角为0.01rad。1）求其莫尔条纹的间距BH。2）若采用4个光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管的响应时间为10-6s，求光栅的最大移动速度。,（2）莫尔条纹便于采用“倍频”技术 莫尔条纹的光强变化近似正弦。若将计数单位变成比一个周期W更小的单位，如W/8，则相当于提高了计数频率。这样可以提高测量精度或者可以采用较粗的光栅。,（3）莫尔条纹可以消除光栅尺局部缺陷引起的误差光电元件上接收到的是透过众多栅条形成亮带的光信号光栅尺的局部缺陷对亮带透光量影响极小，对刻线的误差起到了平均作用。即：光栅尺的栅条或栅条间距存在的局部缺陷不会引起莫尔
17、条纹的误差。使得光栅的测量精度可能高于光栅本身的刻线精度。普通标尺是不可能做到的。,（4）莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动大小和方向 当固定斜光栅尺、左右移动直光栅尺时，莫尔条纹则作上下移动。若被测体跟随直光栅尺移动，则可根据莫尔条纹移动的大小和方向，判断被测体移动的大小和方向。,二、光栅传感器的分类 根据莫尔条纹特性制作的光栅位移传感器，按光路形成方式可分为两大类，即反射式光栅传感器和透射式光栅传感器。1垂直透射式光栅传感器,透射式光栅传感器图,（2）透镜的作用是把光源发出的光变换成平行光束，垂直投射到主光栅上。（3）主光栅又称标尺光栅，它有固定的光栅常数W、亮条宽度n和暗条
18、宽度m，通常。测位移时，被测体保持与主光栅相同的位移大小和方向。,（1）光源常用钨丝灯泡或砷化镓发光二极管,（4）指示光栅比主光栅短得多，通常具有与主光栅相同的光栅常数和亮、暗条宽度。测位移时，指示光栅不动，主光栅移动。（5）光电元件常用光电池或光敏晶体管，在光电元件输出端常接放大器，以获得尽可能大的信号输出，以提高抗干扰能力。,2反射式光栅传感器光源发射的光，经聚光镜和物镜后形成平行光束，以一定的角度穿过指示光栅、射向主光栅。这里的主光栅不形成透射光，照射到主光栅上的光产生反射光后与指示光栅形成莫尔条纹，此莫尔条纹光再经反射镜反射、物镜组聚焦后投射到光电元件上，以实现位移的测量。,三、辨向原
19、理,实际应用中，被测物体的移动可能是双向的，既有正向位移也可能有反向位移。单个光电元件只能识别莫尔条纹的明暗变化，不能判别莫尔条纹的移动方向，也就无法判别被测物体的运动方向，从而不能正确测量位移。如：被测物体正向移动10个栅距后再反向移动1个栅距。实际位移量为9个栅距。但，单个光电元件将得到11个条纹信号，显然是不正确的。,辨别莫尔条纹移动方向：至少需要两个光电元件接收莫尔条纹光信号在相距1/4莫尔条纹间距BH上分别安装一个光电元件1和2主光栅移动时，莫尔条纹的光照射到两光电元件上两光电元件将产生相位差为/2的电信号,（a）两光电元件（b）辨向电路,（c）主光栅左移（d）主光栅右移 光栅传感器
20、辨向原理,（c）和（d）是当主光栅移动时辨向电路各点的输出波形 当主光栅向左移（A向）时，莫尔条纹则上移（B向）。此时光电元件感光的先后是先1后2，因而光电元件1和2输出电压u1超前、u2滞后，相位差为/2，,电压u1和u2经放大整形电路处理后输出矩形波u1和u2，此矩形波通过辨向电路，使输出端y1无信号，y2端输出正脉冲。主光栅每左移一个光栅栅距W 的距离，y2输出一个正脉冲，此正脉冲将触发可逆计数器作加1计数。,四、细分技术主光栅每位移一个栅距W，辨向电路就产生一个电脉冲，分辨率为一个栅距。例如，若光栅尺刻线密度为每毫米100条，则栅距W=1000m/100=10m，即分辨率为10m。增加
21、光栅尺刻线密度,可以提高分辨率，但加大了光栅尺的制作难度和成本。精度1um，即需在1mm内刻1000条，精度提高到0.1um，则1mm内需刻10000条刻线。目前的工艺水平只能达到7000条/mm。为了提高分辨率，目前普遍采取的方法是：在选择合适的栅距W 前提下，使主光栅每位移一个栅距，产生多个脉冲输出。即减小辨向电路输出脉冲间隔，提高计数脉冲的频率，故又称倍频细分。下面介绍两种基本的细分技术。,1四倍频直接细分（1）用四个相距1/4莫尔条纹间距BH 光电元件 当采用四个相距1/4莫尔条纹间距BH光电元件接收莫尔条纹的透过光时，在四个光电元件上将产生依次相差/2相角的四个正弦电压信号。此时，主
22、光栅每位移一个栅距，辨向电路将输出四个电脉冲，实现四倍频直接细分。这种细分的方法受到安装光电元件个数的限制，不可能得到很高的细分。（2）对u1和u2 都取反若对u2也取反，则可得到u1、u1和u2、u2 四个矩形脉冲，即在主光栅位移一个栅距W期间，可以得到四个等间隔的计数触发脉冲，从而实现四倍频直接细分。但这种细分的方法受到辨向电路结构的限制，也不可能得到很高的细分。四倍频直接细分方法简单，可用于分辨率要求不太高的场合。,电阻桥路输出端开路(RL=)时,若取、,用uo去触发施密特电路，当=-或2-时，uo=0，施密特电路被触发，发出脉冲信号。事先布置好R1和R2的比值，即可得到不同的，也就是不同相位差了。,一个10细分的例子,选择不同的R1和R2，可得到在02范围内变化；对应地可以获得主光栅移动量X在0W范围内细分。从理论上说，在0W范围内是可以任意细分，从而得到很高的位移分辨率，实际上受多方面影响，分得越细，误差越大，因而这种细分也是有限的。,思考与练习题 1光电效应及其分类？2光敏电阻的光电效应？3光电池的光电效应？4光敏二极管的光电效应？5为什么说光敏晶体管比光敏二极管具有更高的光 照灵敏度？6莫尔条纹形成原理及特性？7光栅传感器辨向原理及细分技术？8.利用光耦实现电气隔离的逻辑为负的24V系统到5V系统的开关量电平转换。,
