|
簡體中文|
English| 發(fā)布日期：2019-07-01 |
【關(guān)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(yīng)用技術(shù)，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號從而檢測被測目標(biāo)的一種裝置。光電傳感器一般由光源、光學(xué)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(yīng)快，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)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(qiáng)、光照度、輻射測溫和氣體成分等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度和加速度，以及物體形狀、工作狀態(tài)等。光電式傳感器具有非接觸，響應(yīng)快，性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)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(chǔ)是光電效應(yīng),即半導(dǎo)體材料的許多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化。光電效應(yīng)通常分為兩大類,即外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指物質(zhì)吸收光子并激發(fā)出自由電子的行為。當(dāng)金屬表面在特定的光輻照作用下,金屬會吸收光子并發(fā)射電子,發(fā)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(fā)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?yàn)椴煌碾娮用撾x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(guān)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(guān)系式通常叫做愛因斯坦光電效應(yīng)方程。
當(dāng)光照射到距表面很近PN結(jié)上時,如果光能足夠大,光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,電子就能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,成為自由電子,而價(jià)帶則相應(yīng)成為自由空穴。這些電子-空穴對在PN結(jié)的內(nèi)部電場作用下,電子被推向N區(qū)外側(cè), 使N區(qū)帶上負(fù)電,P區(qū)帶上正電。這樣,N區(qū)和P區(qū)之間就出現(xiàn)了電位差,于是PN結(jié)兩側(cè)邊產(chǎn)生了光生電動勢。光敏電阻光敏電阻的原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng):在無光照時, 光敏電阻具有很高的阻值,在有光照時,當(dāng)光子的能量大于材料禁帶寬度,價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶,激發(fā)出可以導(dǎo)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(fù)合,導(dǎo)電性能下降,電阻恢復(fù)原值。
由于光電效應(yīng)只限于光照表面的薄層,一般都把半導(dǎo)體材料制成薄膜,并賦予適當(dāng)?shù)淖柚?電級構(gòu)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(nèi)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(zhuǎn)換為電信號來測量 。在一般情況下,有三部分構(gòu)成。
它們分為 :發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器是提供光源的,光源一般來源于半導(dǎo)體光源,發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)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(yīng)用該信號。
工作方式:反射板反射式光電開關(guān):在一個裝置里裝入發(fā)光器和收光器,前方裝一反光板,利用反射原理的開關(guān) 。一般看來 ;發(fā)光器發(fā)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(guān)就會做出相應(yīng)的反應(yīng)。輸出一個開關(guān)控制信號它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器,只是沒有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)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(yīng)的反應(yīng)。
二、光電式傳感器測量的具體過程
光控電子開關(guān),它的“開”和“關(guān)”是靠可控硅的導(dǎo)通和阻斷來實(shí)現(xiàn)的,而可控硅的導(dǎo)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(jié)約用電。工作原理電路如圖3所示。當(dāng)在燈泡H上加載220V交流,經(jīng)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(dǎo)體VS及R支路上。在光亮強(qiáng)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(fā)射極無電流輸出,單向可控硅VS因無觸發(fā)電流而阻斷。這時候燈泡H 由于電流過小而不能發(fā)光。當(dāng)夜晚來臨時而使亮度小于一定程度時,光敏二極管D呈現(xiàn)高阻狀態(tài)≥100kΩ,三極管導(dǎo)通使可控硅半導(dǎo)體VS觸發(fā)導(dǎo)通,燈泡H發(fā)光。
三、光電傳感器的特點(diǎn)
1、光電傳感器的元件應(yīng)用特點(diǎn)：①光敏電阻。特點(diǎn)是價(jià)格低廉，輸出電流大、受溫度的影響小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。它的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢。②光敏二極管和光敏晶體管。特點(diǎn)是靈敏度高， 響應(yīng)時間快，但它受溫度影響比較大，受光面小，而且有非常強(qiáng)的方向性，抗干擾能力弱。它的另一個特點(diǎn)是不同型號的管子對光譜響應(yīng)有很大不同。③光電池。特點(diǎn)是受光面積大，輸出電流小， 靈敏度高，響應(yīng)速度快，光譜比較寬，受溫度影響小，抗干擾能力強(qiáng)。
2、光電傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)：①檢測距離長。②對檢測物體的限制少。③響應(yīng)時間短。④分辨率高。能通過高級設(shè)計(jì)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。⑤可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測?？蔁o機(jī)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(shí)現(xiàn)顏色判別。通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)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(zhì)，可對檢測物體的顏色進(jìn)行檢測。⑦便于調(diào)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(jìn)行調(diào)整。
總結(jié)：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(dǎo)體光敏元件。由于它具有精度高，反應(yīng)快，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，體積小，已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。
而不是某些自動的垃圾注冊程序。 |
