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光電傳感器簡介

發布日期:2019-07-01    
【摘要】:光電傳感器是利用光電子應用技術,將光信號轉換成電信號從而檢測被測目標的一種裝置。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。

【關鍵詞】: 光電傳感器

光電傳感器簡介

光電傳感器是利用光電子應用技術,將光信號轉換成電信號從而檢測被測目標的一種裝置。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等優點,而且可測參數多,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,體積小。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量,如光強、光照度、輻射測溫和氣體成分等;也可用來檢測能轉換成光量的其他非電量,如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度和加速度,以及物體形狀、工作狀態等。光電式傳感器具有非接觸,響應快,性能可靠等特點,因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。近年來,新的光電器件不斷涌現,特別是CCD圖像傳感器的誕生,為光電傳感器的進一步應用開創了新的一頁。

 

一、光電傳感器工作原理

光電式傳感器的物理基礎是光電效應,即半導體材料的許多電學特性都因受到光的照射而發生變化。光電效應通常分為兩大類,即外光電效應和內光電效應。外光電效應是指物質吸收光子并激發出自由電子的行為。當金屬表面在特定的光輻照作用下,金屬會吸收光子并發射電子,發射出來的電子叫做光電子。

光的波長需小于某一臨界值 (相等于光的頻率高于某一臨界值)時方能發射電子,其臨界值即極限頻率和極限波長。由E =hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光電子在脫離金屬表面后還有剩余的能量,也就是說有些光電子具有一定的動能。因為不同的電子脫離某種金屬所需的功不一樣, 所以它們就吸收了光子的能量并從這種金屬逸出之后剩余的動能也不一樣。由于逸出功W是使電子脫離金屬所要做功的最小值,所以如果用E 表示動能最大的光電子所具有的動能,那么就有下面的關系式E =hn-W (其中,h表示普蘭克常量,n表示入射光的頻率),這個關系式通常叫做愛因斯坦光電效應方程。

  當光照射到距表面很近PN結上時,如果光能足夠大,光子能量大于半導體材料的禁帶寬度,電子就能夠從價帶躍遷到導帶,成為自由電子,而價帶則相應成為自由空穴。這些電子-空穴對在PN結的內部電場作用下,電子被推向N區外側, 使N區帶上負電,P區帶上正電。這樣,N區和P區之間就出現了電位差,于是PN結兩側邊產生了光生電動勢。光敏電阻光敏電阻的原理是基于光電導效應:在無光照時, 光敏電阻具有很高的阻值,在有光照時,當光子的能量大于材料禁帶寬度,價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶,激發出可以導電的電子-空穴對,使電阻值降低; 光照停止后, 自由電子與空穴復合,導電性能下降,電阻恢復原值。

  由于光電效應只限于光照表面的薄層,一般都把半導體材料制成薄膜,并賦予適當的阻值,電級構造成梳型,這樣光敏電阻電極的距離短,載流子通過電極的時間少,而材料的載流子壽命有比較長,于是就有很高的內部增益,從而獲得很高的靈敏度,光電傳感器是將非電信號轉換為電信號來測量 。在一般情況下,有三部分構成。


它們分為 :發送器、接收器和檢測電路。發送器是提供光源的,光源一般來源于半導體光源,發光二極管(LED)、激光二極管及紅外發射二極管。接收器由三部分組成;光電二極管、光電三極管、光電池。檢測電路,它能濾出有效信號和應用該信號。

工作方式:反射板反射式光電開關:在一個裝置里裝入發光器和收光器,前方裝一反光板,利用反射原理的開關 。一般看來 ;發光器發出的光被反光板反射回來被收光器收到,要是被物體擋住了,收光器接收不到光時,光電開關就會做出相應的反應。輸出一個開關控制信號它的檢測頭里也裝有一個發光器和一個收光器,只是沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是找不到的。要是檢測物體背光擋住了,只有部分光反射回,收光器就會收到信號,作出相應的反應。

二、光電式傳感器測量的具體過程

光控電子開關,它的“開”和“關”是靠可控硅的導通和阻斷來實現的,而可控硅的導通和阻斷又是受光的亮度的大小所控制的。該裝置適合作為街道、宿舍走廊或其它公共場所照明燈,起到日熄夜亮的控制作用,以節約用電。工作原理電路如圖3所示。當在燈泡H上加載220V交流,經全橋后變成直流脈動電壓作為正向偏壓,從而得知此電壓在可控硅半導體VS及R支路上。在光亮強度大于一定程度的白天,其中的光敏二級管電阻≤1kΩ,使三極管反相偏置而終止,發射極無電流輸出,單向可控硅VS因無觸發電流而阻斷。這時候燈泡H 由于電流過小而不能發光。當夜晚來臨時而使亮度小于一定程度時,光敏二極管D呈現高阻狀態≥100kΩ,三極管導通使可控硅半導體VS觸發導通,燈泡H發光。

 

三、光電傳感器的特點

1、光電傳感器的元件應用特點①光敏電阻。特點是價格低廉,輸出電流大、受溫度的影響小,抗干擾能力強,可靠性高。它的缺點是響應速度慢。②光敏二極管和光敏晶體管。特點是靈敏度高, 響應時間快,但它受溫度影響比較大,受光面小,而且有非常強的方向性,抗干擾能力弱。它的另一個特點是不同型號的管子對光譜響應有很大不同。③光電池。特點是受光面積大,輸出電流小, 靈敏度高,響應速度快,光譜比較寬,受溫度影響小,抗干擾能力強。

2、光電傳感器的應用特點①檢測距離長。②對檢測物體的限制少。③響應時間短。④分辨率高。能通過高級設計使投光光束集中在小光點,或通過構成特殊的受光光學系統,來實現高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。⑤可實現非接觸的檢測。可無機械接觸地檢測物體,因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此,傳感器能長期使用。⑥可實現顏色判別。通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質,可對檢測物體的顏色進行檢測。⑦便于調整。在投射可視光的類型中,投光光束是眼睛可見的,便于對檢測物體的位置進行調整。

總結:光電傳感器主要作為一種檢測裝置,目前常用的光傳感器類型主要有光電管、光電倍增管和半導體光敏元件。由于它具有精度高,反應快,非接觸等優點,而且可測參數多,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,體積小,已經獲得了廣泛應用。

 

 


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