第7章光電信號(hào)檢測(cè)電路7.1光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求7.2光電信號(hào)輸入電路的靜態(tài)計(jì)算7.3光電信號(hào)檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)計(jì)算7.4光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲7.5前置放大器7.6光電檢測(cè)電路舉例1整理課件概述光電檢測(cè)電路組成對(duì)檢測(cè)電路的要求靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力最正確的信號(hào)檢測(cè)能力長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性輸入電路前置放大器光電器件光源(成像系統(tǒng))檢測(cè)對(duì)象檢測(cè)電路設(shè)計(jì)步驟電路靜態(tài)計(jì)算電路動(dòng)態(tài)計(jì)算噪聲估算放大電路設(shè)計(jì)光信號(hào)2整理課件1.靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力表示光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱的參數(shù)，通常采用光電靈敏度〔或稱傳輸系數(shù)、轉(zhuǎn)換系數(shù)、比率等〕，即單位輸入光信號(hào)的變化量所引起的輸出電信號(hào)的變化量。2.快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力指對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有要求。特別是在光通信等領(lǐng)域，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的要求甚至是第一位的。光電檢測(cè)電路應(yīng)滿足信號(hào)通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘?hào)的快速響應(yīng)。3.最正確的信號(hào)檢測(cè)能力信號(hào)檢測(cè)能力主要是指光電檢測(cè)電路輸出信號(hào)中有用信號(hào)成分的多少，常用信噪比、信號(hào)功率等參數(shù)表征。4.長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性如各種光電轉(zhuǎn)換器件對(duì)溫度穩(wěn)定性均有要求。3整理課件7.1緩變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)類型恒流源型光電檢測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算光伏型光電檢測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算可變電阻型光電檢測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算緩變信號(hào)直流電路檢測(cè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)：靜態(tài)計(jì)算〔確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)〕計(jì)算方法：圖解法、分段線性化解析法4整理課件恒流源型器件光電信號(hào)輸入電路恒流源特性：輸出電流隨器件端電壓增大而變化不大。相應(yīng)器件：光電管、光電倍增管、工作在反向偏置電壓狀態(tài)下的光電二極管、光電三極管。恒流源型光電檢測(cè)器件的伏安特性5整理課件1、圖解計(jì)算法包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法對(duì)恒流源器件的輸入電路進(jìn)行計(jì)算：Q點(diǎn)為輸入電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；當(dāng)輸入光通量改變時(shí)，在負(fù)載電阻上會(huì)產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)輸出。6整理課件圖解法特別適用于大信號(hào)狀態(tài)下的電路分析。例如在大信號(hào)檢測(cè)情況下可以定性地看出輸出信號(hào)的波形畸變。在用作光電開關(guān)的情況下，可以借助圖解法合理地選擇電路參數(shù)使之能可靠地動(dòng)作，同時(shí)保證不使器件超過其最大工作電流、最大工作電壓和最大耗散功率。7整理課件〔a〕，減小負(fù)載〔斜率增大〕，使輸出信號(hào)電流增大而電壓減小。負(fù)載的減小受到最大工作電流和功耗的限制；過大的負(fù)載，使負(fù)載線越過轉(zhuǎn)折點(diǎn)M進(jìn)入非線性區(qū)，使信號(hào)失真?！瞓〕，增大偏置電壓使輸出信號(hào)電壓幅度增大，改善線性度，但功耗隨之增大，且可能使光電二極管反向擊穿。8整理課件2、解析計(jì)算法分段折線化伏安特性轉(zhuǎn)折電壓U0---對(duì)應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值初始電導(dǎo)G0---非線性區(qū)近似直線的初始斜率結(jié)間漏電導(dǎo)G---線性區(qū)各平行直線的平均斜率光電靈敏度S---單位輸入光功率所引起的光電流值9整理課件設(shè)輸入光功率為P，對(duì)應(yīng)的光電流為Ip，那么線性區(qū)內(nèi)伏安特性可表示為工作點(diǎn)附近的微小光通量變化？P262〔7-4〕10整理課件在輸入光通量變化范圍有限的條件下，解析法的計(jì)算步驟如下：〔1〕確定線性工作區(qū)由對(duì)應(yīng)最大輸入光通量Φmax的伏安特性彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。再確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓U0和初始電導(dǎo)值G0。11整理課件12整理課件〔2〕計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和Φmax對(duì)應(yīng)的伏安曲線的交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。設(shè)負(fù)載線通過M點(diǎn)，那么Ub，得GL：GL〔RL〕，可得偏置電源電壓Ub：13整理課件H點(diǎn)：M點(diǎn)：14整理課件計(jì)算過程：光通量由Φmin變化到Φmax時(shí)，輸出電壓幅度為

U=Umax-U0

〔3〕計(jì)算輸出電壓幅度H點(diǎn)M點(diǎn)聯(lián)立求解兩式，得〔負(fù)載減小，輸出電壓幅值減小〕15整理課件〔4〕計(jì)算輸出電流幅度通常GL>>G〔負(fù)載減小，輸出電流幅值增大〕16整理課件〔5〕計(jì)算輸出電功率由功率關(guān)系P=

U

I，得17整理課件光伏型器件光電信號(hào)輸入電路伏安特性：一組以入射光功率為參量的曲線簇，分布在伏安坐標(biāo)系的第四象限。器件的端電壓和電流的方向相反，對(duì)外電路形成電勢(shì)，可對(duì)負(fù)載供電。包括光電池和工作在光電池狀態(tài)的光電二極管。18整理課件19整理課件1、光伏型器件輸入電路的形式主要有以下3種形式：20整理課件2、無偏置輸入電路的靜態(tài)計(jì)算①根據(jù)等效電路建立回路方程21整理課件②根據(jù)圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q22整理課件3、根據(jù)負(fù)載電阻分析光電池工作狀態(tài)：負(fù)載較小情況下，光通量較低時(shí)，光通量與負(fù)載上電流、電壓近似線性。23整理課件〔1〕短路或線性電流放大區(qū)域Ⅰ后續(xù)電流放大級(jí)作為負(fù)載，從光電池中吸取最大的輸出電流，要求負(fù)載電阻或者后續(xù)放大電路的輸入阻抗盡可能小〔輸出電流近似短路電流，大且線性好，噪聲電流低，信噪比高，實(shí)用弱信號(hào)檢測(cè)〕。24整理課件25整理課件〔2〕空載電壓輸出區(qū)域Ⅳ，是一種非線性電壓變換狀態(tài)。此時(shí)光電池通過高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接，相當(dāng)于輸出開路。開路電壓最大值受勢(shì)壘高度限制，通常為0.45—0.6V。較小的光通量可引起電壓輸出較大，對(duì)弱光檢測(cè)有利，盡管線性不好，可用作開關(guān)元件26整理課件〔3〕線性電壓輸出區(qū)域Ⅱ在串聯(lián)的負(fù)載電阻上能得到與輸入光通量近似成正比的信號(hào)電壓。負(fù)載電阻增大有助于提高輸出電壓，但增大到一定臨界值時(shí)，輸出信號(hào)將發(fā)生非線性畸變。如何確定負(fù)載電阻的臨界值？當(dāng)<<時(shí)，有27整理課件由于I0<<I,有=28整理課件可變電阻型器件光電信號(hào)輸入電路代表器件：光敏電阻、熱敏電阻。1、簡(jiǎn)單輸入電路29整理課件兩種典型的工作狀態(tài)：〔1〕恒流偏置當(dāng)負(fù)載電阻比光敏電阻大很多時(shí)，即>>負(fù)載電流與光敏電阻阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。此狀態(tài)又叫做恒流偏置狀態(tài)。30整理課件〔2〕恒壓偏置負(fù)載電阻比光敏電阻小很多時(shí)，即

<<可以認(rèn)為加在光敏電阻上的電壓近似為電源電壓Ub，與R無關(guān)。此狀態(tài)又叫做恒壓偏置狀態(tài)。31整理課件2、電橋輸入電路32整理課件選擇兩個(gè)性能相同的熱敏電阻RT作電橋測(cè)量臂電阻，普通電阻作為補(bǔ)償臂電阻。無外來輻照時(shí)，調(diào)節(jié)使電橋平衡，有電橋輸出信號(hào)為0。33整理課件有外來輻照時(shí)，引起電阻溫升，有為熱敏電阻為暗電阻電橋平衡破壞，輸出電壓為此式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。34整理課件7.2、光電信號(hào)檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)計(jì)算很多場(chǎng)合下,光信號(hào)是隨時(shí)間變化的，例如瞬變信號(hào)或各種形式的調(diào)制光信號(hào)交變光信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)中包含著豐富的頻率分量;當(dāng)信號(hào)微弱時(shí)，需要多級(jí)放大與緩慢變化光信號(hào)檢測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算不同，在分析和設(shè)計(jì)交變光信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)，需要解決下述兩項(xiàng)動(dòng)態(tài)計(jì)算問題1〕防止非線性失真:確定動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號(hào)作用下負(fù)載上能獲得不失真的、線性電信號(hào)輸出。2〕防止線性失真〔頻率不失真，包括幅頻和相頻〕:使檢測(cè)電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，以能對(duì)復(fù)雜的瞬變光信號(hào)或周期性光信號(hào)進(jìn)行無頻率失真的變換和傳輸。35整理課件一、輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算

在交變光信號(hào)輸入電路中，為提供檢測(cè)器件的正常工作條件，首先要建立直流工作點(diǎn)輸入電路和后續(xù)電路通常是經(jīng)阻容連接等多種方式耦合的后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入電路的直流負(fù)載電阻并聯(lián)組成檢測(cè)器的交流負(fù)載7.2、交變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)36整理課件光電二極管交流檢測(cè)電路首先確定在交流光信號(hào)作用下電路的最正確工作狀態(tài)：確定直流工作點(diǎn)Q設(shè)輸入光照度為e＝E0＋Emsinωt等效交流負(fù)載為Rb和RL的并聯(lián),是交流負(fù)載線的斜率的倒數(shù)交流負(fù)載線MN過轉(zhuǎn)折點(diǎn)MMN與E=E0時(shí)的伏安特性曲線的交點(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)Q過Q點(diǎn)作直流負(fù)載線可以圖解得到偏置電阻Rb和電源Ub的值計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓、輸出電流和輸出功率值計(jì)算最大功率輸出條件一、輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算交流負(fù)載線直流負(fù)載線最大功率輸出下的負(fù)載電阻阻抗匹配下〔最大功率輸出〕的峰值電壓、功率、電流37整理課件靜態(tài)工作點(diǎn)Q的電流值由直流負(fù)載線有此外，阻抗匹配時(shí)，Q點(diǎn)電壓比較可得：阻抗匹配即對(duì)應(yīng)最大輸出功率下的直流偏置電導(dǎo)交流負(fù)載線直流負(fù)載線38整理課件光電二極管交流檢測(cè)電路光電池交流檢測(cè)電路39整理課件光電池交流檢測(cè)電路圖a是光電池交流檢測(cè)電路。圖b是處于線性區(qū)域的工作特性圖解。圖中直流負(fù)載是通過原點(diǎn)，斜率為Gb的直線當(dāng)輸入光照度為e＝E0＋Emsinωt時(shí)，光電池特性曲線中對(duì)應(yīng)于E＝E0的曲線與直流負(fù)載線相交于Q點(diǎn)，Q是靜態(tài)工作點(diǎn)

一、輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算對(duì)于GL＝Gb＝GL0的最大功率輸出條件下輸出電壓、功率和電流有類似的形式偏置電阻

Rb0＝RL0＝2UM/SE(2E0+Em)M是交流負(fù)載線與最大輸入光照度e＝E0＋Em對(duì)應(yīng)的光電池曲線的交點(diǎn)40整理課件二、光電檢測(cè)電路的頻率特性頻率特性反映檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力分析法：時(shí)域法、頻域法與光電器件本身特性、檢測(cè)電路形式、阻容參數(shù)有關(guān)頻譜分析以傅里葉變換為根底描述頻率特性的參數(shù)：通頻帶ΔF，ΔF越大，信號(hào)通過能力越強(qiáng)41整理課件1．光電檢測(cè)電路的高頻特性以反向偏置光電二極管交流檢測(cè)電路為例微變等效電路圖二、光電檢測(cè)電路的頻率特性電路方程，與二極管參數(shù)Cj和g有關(guān)不同工作狀態(tài)下的簡(jiǎn)化形式

給定輸入光照度，在負(fù)載上取最大功率輸出時(shí)：RL=Rb,g<<Gb

希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出時(shí)希望在負(fù)載上取得最大電流輸出時(shí)42整理課件2、光電檢測(cè)電路的綜合頻率特性〔1〕高頻段〔2〕中頻段〔3〕低頻段43整理課件2．光電檢測(cè)電路的綜合頻率特性輸入電路頻率特性二、光電檢測(cè)電路的頻率特性1)高頻段(ω>ω2)2)中頻段(ω1<ω<ω2)3)低頻段(ω<ω1)考慮隔直電容和分布電容的影響44整理課件3．光電檢測(cè)電路頻率特性的設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)的根本要求非線性不失真頻率不失真電路通頻帶應(yīng)足以覆蓋光信號(hào)的頻譜分布設(shè)計(jì)內(nèi)容對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析,確定頻譜分布確定多級(jí)光電檢測(cè)電路的允許通頻帶和上限截止頻率根據(jù)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的帶寬計(jì)算方法，確定單級(jí)檢測(cè)電路的阻容參數(shù)二、光電檢測(cè)電路的頻率特性45整理課件頻率特性設(shè)計(jì)實(shí)例例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成光電檢測(cè)電路。被測(cè)光信號(hào)的波形如圖a所示，脈沖重復(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5μs，脈沖幅度1V，設(shè)光電二極管的結(jié)電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF，設(shè)計(jì)該電路的阻容參數(shù)

求解步驟1.分析信號(hào)頻譜

信號(hào)頻譜間距(基波):Δf=1/T=200kHz信號(hào)帶寬:F=1/T0=2MHz選取高頻截止頻率:fHC=1.5F=3MHz低頻截止頻率:fLC=200Hz2.設(shè)計(jì)各級(jí)聯(lián)電路的帶寬

電路組成:輸入電路+兩級(jí)放大電路每級(jí)高頻及低頻截止頻率46整理課件求解步驟3.計(jì)算輸入電路參數(shù)

負(fù)載電阻：RL＝1/2πfHC(Cj+C0)≈3.3kΩ，選為2kΩ

偏置電阻：取Rb＝(10～20)RL，即Rb＝10RL＝20kΩ

耦合電容C：C＝1/2π(RL+Rb)fLC=0.07μF,取為C＝1μF第一級(jí)耦合電容可適當(dāng)增大10倍，取電容值為10μF

4.選擇放大電路

選用二級(jí)通用的寬帶運(yùn)算放大器，放大器輸入阻抗小于2kΩ，放大器通頻帶要求為6MHz，取為10MHz

電路見圖(c)47整理課件48整理課件例題：用2DU1型光電二極管和兩級(jí)相同的放大器組成光電檢測(cè)電路。被測(cè)光信號(hào)的波形如下圖。脈沖重復(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5us，脈沖幅度1V，設(shè)光電二極管的結(jié)電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF，設(shè)計(jì)該電路的阻容參數(shù)。解：〔1〕分析輸入光信號(hào)頻譜，確定檢測(cè)電路的總頻帶寬度。周期為T=1/f的方波脈沖信號(hào)，其頻譜是離散的，譜線的頻率間隔為頻譜包絡(luò)線零值點(diǎn)的分布間隔為49整理課件選取頻譜包絡(luò)線的第二峰值作為信號(hào)的高頻截止頻率fHC。此時(shí)可認(rèn)為是不失真?zhèn)鬏敗ｎl譜的零頻分量確定信號(hào)的直流成分，不影響變化的波形。但為采用交流放大可利用阻容耦合電容隔直?？蛇x取低頻截止頻率為200Hz，那么檢測(cè)放大器的總頻帶寬由fHC=3MHz,fLC=200Hz決定。帶寬近似為F3MHz。50整理課件〔2〕確定級(jí)聯(lián)各級(jí)電路的頻帶寬根據(jù)設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)電路由輸入電路和兩級(jí)相同的放大器串聯(lián)而成。設(shè)3級(jí)帶寬相同，那么相同的n級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的高頻截止頻率為fnHCfH為單級(jí)高頻截止頻率。51整理課件類似地，單級(jí)低頻截止頻率52整理課件噪聲特點(diǎn)：隨機(jī)性(振幅和相位)處理方法：統(tǒng)計(jì)分析噪聲源外部噪聲：外部條件變化引起的，可采取抗干擾措施改善或消除內(nèi)部噪聲：光電檢測(cè)器件和檢測(cè)電路器件本身帶來的，無法消除噪聲干擾的分析和微弱信號(hào)的提取:核心問題噪聲估算提高信噪比,及確定最小輸入光功率7.3光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算53整理課件一、檢測(cè)電路的噪聲等效處理

熱噪聲電子的無規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)形成的瞬時(shí)無規(guī)那么電流電子運(yùn)動(dòng)均方速率與絕對(duì)溫度成正比6.3光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算純電阻時(shí)溫度一定時(shí),熱噪聲只與電阻和通帶有關(guān)(與頻率無關(guān))。帶寬愈大,噪聲功率愈大。同時(shí)，通頻帶對(duì)白噪聲有抑制作用。散粒噪聲(檢測(cè)器件及晶體管)光輻射中光子到達(dá)率和由它鼓勵(lì)形成的光電流的隨機(jī)起伏所造成的散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過器件的平均電流決定噪聲電流及負(fù)載電阻上的電壓的有效值為(與頻率無關(guān))54整理課件一、檢測(cè)電路的噪聲等效處理

6.3光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算并聯(lián)阻容電路(電阻R和電容C并聯(lián))合成電阻：R(f)=R/[1+(2πfRC)2]

噪聲電壓有效值變換積分變量使tgθ＝2πfRC，有噪聲等效帶寬Δfe：Δfe＝1/4RC

并聯(lián)RC電路對(duì)噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬Δfe

55整理課件一、檢測(cè)電路的噪聲等效處理

噪聲組成：光電器件噪聲、電路器件噪聲等效噪聲電路：為了計(jì)算方便，將各種器件噪聲等效為相同形式的均方值〔或有效值〕電流源的形式6.3光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算電阻等效電路簡(jiǎn)單電阻：由熱噪聲電流源i＝SQRT〔4kTΔf/R〕和電阻并聯(lián)合成電阻：綜合噪聲電流等于合成電阻提供的噪聲電流i＝SQRT〔4kTΔf/RΣ〕，RΣ=R1+R2(串聯(lián))，或RΣ=R1·R2/(R1+R2)(并聯(lián))更復(fù)雜電路，應(yīng)先將所有電阻合成，畫出簡(jiǎn)化電路，然后再確定噪聲等效電流源56整理課件噪聲估算目的確定器件和電路的固有噪聲電平計(jì)算信噪比估算出為保證可靠檢測(cè)所必需的最小輸入光功率值噪聲估算的具體步驟是首先確定檢測(cè)器件和前級(jí)電路的噪聲源；其次計(jì)算等效電阻和復(fù)合阻抗下的噪聲等效帶寬，畫出檢測(cè)電路的噪聲等效電路；最后根據(jù)噪聲等效電路計(jì)算噪聲輸出電壓、信噪比和最小輸入光功率值。二、典型光電檢測(cè)電路的噪聲估算

7.3光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算57整理課件光電倍增管檢測(cè)電路的噪聲估算光電倍增管陽(yáng)極電流的散粒噪聲有效值負(fù)載電阻R上的熱噪聲電流負(fù)載電阻上總的噪聲輸出電流

閾值光通量時(shí)有IA0＝0，此時(shí)的總噪聲電流INm取決于暗電流Id

負(fù)載電阻R上的噪聲輸出電壓負(fù)載電阻R上有并聯(lián)電容C時(shí)的噪聲等效帶寬Δf＝Δfe＝1/4RC陽(yáng)極輸出總信噪比SNRA是直流光電流IA與噪聲電流有效值IN之比值

靈敏閾Φsmin是暗電流噪聲電流有效值INm與陽(yáng)極靈敏度之比值比靈敏閾58整理課件59整理課件作業(yè)題1有一2DU型光電二極管,其電流靈敏度,結(jié)間電導(dǎo)G=0.005mS,當(dāng)輸入光通量,曲線轉(zhuǎn)折電壓UM=10V時(shí),假設(shè)該輸入電路與放大器相連,用電源電壓Ub=40V,試求:(1)取得最大輸出功率時(shí)的直流偏置電阻Rb和放大器輸入電阻RL?(2)計(jì)算能向放大器提供的電流、電壓和功率?60整理課件題2某光電檢測(cè)輸入電路的負(fù)載電阻,電路通頻帶試計(jì)算：〔1〕300K工作時(shí)負(fù)載電阻上的熱噪聲電壓〔2〕假設(shè)使噪聲電壓不超過，此時(shí)的等效噪聲帶寬應(yīng)為多少？〔3〕求出需并聯(lián)多大的電容器？〔4〕求出這一檢測(cè)電路的時(shí)間常數(shù)和上限截止頻率61整理課件4.5前置放大器62整理課件63整理課件64整理課件65整理課件66整理課件4.6光電檢測(cè)電路舉例67整理課件補(bǔ)充：光電開關(guān)先舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子：68整理課件光幕傳感器69整理課件光電開關(guān)的定義：以光源為介質(zhì)，應(yīng)用光電效應(yīng)，根據(jù)當(dāng)光源受物體遮蔽或發(fā)生反射、輻射和遮光導(dǎo)致受光量變化來檢測(cè)對(duì)象的有無、大小和明暗，而產(chǎn)生輸出信號(hào)的開關(guān)元件。光電開關(guān)包括幾種類型，自身不具備光源，利用被測(cè)物體發(fā)射的光的變化量進(jìn)行檢測(cè)的；利用自然光對(duì)光電開關(guān)的照射，物體遮蔽自然光產(chǎn)生的關(guān)變化量；光電開關(guān)自身具備光源，發(fā)射的光源對(duì)被檢測(cè)物體反射、吸收、和透射光的變化量進(jìn)行檢測(cè)。常用的光源為紫外光、可見光、紅外光等波段的光源，光源的類型有燈泡、LED、激光管等；輸出信號(hào)有開關(guān)量或模擬量和通訊數(shù)據(jù)信息等。70整理課件光電開關(guān)的叫法，主要是指輸出為開關(guān)量的開關(guān)元件。

光電傳感器的叫法，涵蓋了輸出為開關(guān)量、模擬量、通訊數(shù)據(jù)等情形。

目前市面光電開關(guān)的叫法有分光源、檢測(cè)形式、用途、結(jié)構(gòu)等命名的。

如：利用紅外光源的叫紅外光電開關(guān)、紅外線光電開關(guān)、紅外線光電傳感器等。

利用自然光的叫光控開關(guān)、光電繼電器等。

利用激光為光源的叫激光光電開關(guān)、激光光電傳感器等。

利用檢測(cè)形式叫熱金屬檢測(cè)器，俗稱熱檢等。

利用用途的叫光電距離傳感器、平安光幕傳感器等。

利用結(jié)構(gòu)的叫光幕傳感器等。

71整理課件一、光電開關(guān)原理與分類

1：按檢測(cè)形式的分類

〔1〕對(duì)射式

對(duì)射式是由一個(gè)發(fā)射器與一個(gè)接收器相對(duì)配置的，發(fā)射器發(fā)射出的光指向接收器，發(fā)射器與接收器之間組成一個(gè)閉合光路，通過對(duì)光路的光被遮斷或光衰減來進(jìn)行檢測(cè)的一種檢測(cè)形式。這種檢測(cè)形式作用距離比較長(zhǎng)，但需要一個(gè)發(fā)射器并需要配電；在某些應(yīng)用場(chǎng)合比方空間狹小，不適宜配電的運(yùn)用上比較麻煩。如圖1a：72整理課件73整理課件②發(fā)射器與接收器一體化，光傳輸為直流方式的非調(diào)制信號(hào)，主要小型縫隙光電開關(guān)，如U型、C型的槽型光電開關(guān)。如圖1b:74整理課件〔2〕直接反射式

這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器發(fā)射的光直接照射到被檢測(cè)物上，根據(jù)反射光的變化情況來進(jìn)行檢測(cè)的?？梢哉f是近似人的眼睛的一種檢測(cè)器。與對(duì)射式相比作用距離比較短，只需要單線配電即可，屬于通用檢測(cè)器。如圖2：75整理課件〔3〕鏡面反射式

①把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，光電開關(guān)對(duì)置反角矩陣射鏡，發(fā)射器的光被反射鏡后反響回接收器，光電開關(guān)與角矩陣反射鏡〔多棱鏡〕形成閉合光路，通過對(duì)光路的光被遮斷或光衰減來進(jìn)行檢測(cè)的一種檢測(cè)形式，這種檢測(cè)形式作用距離比對(duì)射式短，比直接反射式較長(zhǎng)。只需要單線配電即可，由于采用反射鏡光軸的調(diào)整比對(duì)射式容易；反射鏡由多棱鏡角矩陣板或微晶玻璃顆粒反射膜等。如圖3a：76整理課件77整理課件②具有M.S.R功能的反射器式光電開關(guān)，如果被檢測(cè)物是平面而且有光澤，那么會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，欲解決此問題，可采用M.S.R功能，它的主要工作原理是基于角矩陣反射器能使偏振光方向改變90°，采用互相垂直的偏振光膜片放在雙鏡頭前，所以使用角矩陣反射器，光路閉合。如果是平面鏡或反光率比較的物體〔如：玻璃瓶等〕不能改變偏振方向，由它阻擋而產(chǎn)生的反射光不能進(jìn)入受光器，因此它可以很容易被檢測(cè)到，從而解決了由它外表反射而它引起的誤動(dòng)作問題。如圖3b:mirrorshineremove78整理課件79整理課件〔4〕輻射光檢測(cè)形式

通過對(duì)被檢測(cè)物體輻射出的光進(jìn)行檢測(cè)的形式。如用于鋼鐵行業(yè)的對(duì)加熱的鐵輻射出的紅外線進(jìn)行檢測(cè)的光電開關(guān)。如圖4：80整理課件〔5〕限定反射式

這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器與接收器形成一個(gè)角度，發(fā)射光軸與接收光軸交叉區(qū)域靈敏度最正確。如圖5：81整理課件〔6〕夾角式

這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器與接收器形成一個(gè)角度，發(fā)射光聚焦點(diǎn)與接收光聚焦交叉區(qū)域檢測(cè)物體，用于精細(xì)檢測(cè)，如標(biāo)記檢測(cè)等。如圖6：82整理課件〔7〕同軸檢測(cè)式〔單鏡頭〕

這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射光通過鍍膜的半透明鏡片45°折射后通過鏡頭聚焦發(fā)射出去，接收光線通過聚焦鏡頭入射到接收器，主要用于標(biāo)志檢測(cè)。目前主流的顏色傳感器、標(biāo)志傳感器大多采用這樣方式。83整理課件〔8〕光導(dǎo)纖維式

光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖，目前光纖式光電開關(guān)的光纖根本是兩種，一種塑料光纖，價(jià)位比較低，普通檢測(cè)使用；另一種玻璃光纖，價(jià)位比較高，一些檢測(cè)精度比較高的場(chǎng)合。

①：對(duì)射式，把光纖套入發(fā)射器，把光纖套入接收器，光纖檢測(cè)頭相對(duì)安置。84整理課件②：直接反射式，發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，把光纖套入發(fā)射器與接收器〔光纖放大器〕，光纖頭為兩根光纖并行，直接檢測(cè)物體。85整理課件③：同軸反射，發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，把光纖套入發(fā)射器與接收器〔光纖放大器〕。光纖頭為兩根光纖并為一根的形式，發(fā)射光纖在中間，接受光纖圍著其圓周排列?？梢灾苯臃瓷渑c鏡面反射，取決于光纖放大器的光學(xué)結(jié)構(gòu)。86整理課件2：按檢測(cè)方法的分類

〔1〕光量法

目前大多數(shù)光電開關(guān)用來檢測(cè)物體有無的均為光量方式，既光源受物體遮蔽或發(fā)生反射、輻射和遮光導(dǎo)致受光量變化來檢測(cè)對(duì)象的有無。

〔2〕三角測(cè)距法

光量方式容易受到物體外表的光潔度、粗糙度、顏色所影響，因此在一些要求比較高的場(chǎng)合就需要采用距離法檢測(cè)。

〔3〕激光測(cè)量法

由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光信號(hào)，然后接受目標(biāo)反射回來的光信號(hào)，通過測(cè)量光信號(hào)往返經(jīng)過的時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)的距離。87整理課件3：按光源種類的分類

光源目前采用的大多是發(fā)光二極管〔LED〕，根據(jù)不同使用目的的區(qū)別使用。

〔1〕白熾燈式〔可見光〕

用于需要白光的標(biāo)志檢測(cè)器，由于壽命與抗震性能，現(xiàn)在使用比較少。

〔2〕發(fā)光二極管〔LED〕式〔可見光、近紅外光〕

具有調(diào)制容易、壽命長(zhǎng)、小型、功耗小、抗震等優(yōu)點(diǎn)是光電開關(guān)理想的光源，可用于各種用途。

〔3〕熒光式〔可見光〕

主要用于需要長(zhǎng)度的光電系統(tǒng)〔圖像傳感器等〕

88整理課件〔4〕紫外光式〔不可見光〕

通過照射紫外線用于檢測(cè)發(fā)生可見光的物體〔熒光整理疵點(diǎn)、食品中的異物等〕。

〔5〕氣體激光式〔可見光〕

光束比較強(qiáng)，用于探傷系統(tǒng)、條形碼系統(tǒng)、及強(qiáng)光衰減大的場(chǎng)合，如蒸汽、煙霧、火焰等場(chǎng)合。

〔6〕半導(dǎo)體激光式〔紅光、近紅外光〕

具有較強(qiáng)的透射率和容易調(diào)制的特性，用于如蒸汽、煙霧、火焰等場(chǎng)合鋼鐵行業(yè)與安防。89整理課件4：按光源調(diào)制種類的分類

〔1〕直流光式

使發(fā)射器的光線為不變的直流光，包括白熾燈和用直流驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二極管。這種方式有線路簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但是抗光干擾比較弱，目前僅在較短的距離檢測(cè)中使用。90整理課件〔2〕調(diào)制式

①、脈沖調(diào)制式

使發(fā)射器發(fā)的出光線為具有一定頻率的脈沖波，一般稱為調(diào)制光，采用這種方式除了可以獲得峰值很高的光脈沖功率外，還可以對(duì)接收器輸出采用具有頻率選擇的交流放大器進(jìn)行放大，從而減少周圍光線和電氣噪聲的影響，這是目前國(guó)內(nèi)外使用最廣的一種方式。

②機(jī)械旋轉(zhuǎn)調(diào)制式

對(duì)光源用棱鏡或轉(zhuǎn)盤孔旋轉(zhuǎn)后，提取脈沖信號(hào)，如用于區(qū)域檢測(cè)和熱金屬輻射的掃描檢測(cè)等。

③、掃描式

將多個(gè)發(fā)射器與接收器組合，通過同步信號(hào)逐一掃描，防止相互干擾。如用于光幕傳感器。

91整理課件5：按供電種類的分類

〔1〕直流式

采用直流電壓供電的形式，一般大多采用12-24V〔10-30V〕的直流電壓的供電。

〔2〕交流式

采用交流電壓供電，電壓范圍為90-240V交流電，滿足110VAC與220VAC場(chǎng)合的供電。〔3〕直流交流混合式

直流電壓與交流電壓都可以直接接入同一個(gè)供電回路的形式，直流電壓范圍12-240V，交流電壓范圍24-240V，此形式適應(yīng)性比較靈活，不需要考慮配電的問題。

92整理課件6：按輸出種類的分類

〔1〕三極管NPN輸出

〔2〕三極管PNP輸出

〔3〕三極管NPN與PNP混合輸出

〔4〕固態(tài)隔離無觸點(diǎn)輸出

〔5〕繼電器觸點(diǎn)輸出

〔6〕可控硅輸出

〔7〕模擬電壓

〔8〕模擬電流

〔9〕數(shù)據(jù)信號(hào)93整理課件7：按結(jié)構(gòu)種類的分類

(1)內(nèi)藏放大器式

即把發(fā)光、感光元件和放大電路、信號(hào)處理電路、開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路裝配在一個(gè)殼體里，接通直流電源就可以獲取ON-OFF開關(guān)輸出，不需要專用放大器，抗噪音能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，電纜線可延長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是主流的一種光電開關(guān)。

〔2〕放大器別離式

這是種早期采用比較多的方式，發(fā)光、感光元件裝在探頭內(nèi)，用屏蔽線與專用放大器〔光電開關(guān)主體〕連接。主要是探頭可以安裝在比較狹小的空間比照較小的物體進(jìn)行檢測(cè)，但是有抗噪聲能力的問題。隨著技術(shù)的開展，內(nèi)藏放大器式的光電開關(guān)的體積越來越??；這種形式采用相對(duì)較少，尤其是光纖傳感器的開展。94整理課件〔3〕光纖式

這種光電開關(guān)是放大器別離式與內(nèi)藏放大器式結(jié)合的產(chǎn)品，通過光纖才傳輸光信號(hào)，光電開關(guān)主體上套上光纖線，另一頭光纖探頭可以對(duì)被檢測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)光纖探頭比較小，可以檢測(cè)比較微小的物體，光纖線傳輸?shù)闹皇枪庑盘?hào)，所以不用考慮放大器別離式那樣需要考慮抗噪聲能力的問題。

〔4〕自控式

這種光電開關(guān)是具有一定功能性的。把發(fā)光、感光元件和放大電路、信號(hào)處理電路、開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、電源、繼電器等都裝配在一起，接上交流或直流電源就可以工作。同時(shí)還具有其他一些功能如動(dòng)作信號(hào)的延時(shí)、光電開關(guān)的信號(hào)靈敏度調(diào)節(jié)等。95整理課件二、光電開關(guān)特點(diǎn)：

1、檢測(cè)距離長(zhǎng)：與電感式接近開關(guān)相比，可以獲得很長(zhǎng)的檢測(cè)距離，例如：對(duì)射型開關(guān)檢測(cè)距離可達(dá)數(shù)十米，反射已從幾厘米到幾米，由于是非接觸檢測(cè)，所以不損傷被測(cè)物，也不受其影響。

2、檢測(cè)對(duì)象廣泛：因?yàn)槭歉鶕?jù)檢測(cè)對(duì)象的反射和透光檢測(cè)，所以不管是金屬、即使是玻璃、橡膠、木材、液體、氣體等幾乎都可以檢測(cè)。

3、響應(yīng)速度快：檢測(cè)介質(zhì)本身是高速的，因?yàn)閹缀醪话瑱C(jī)械動(dòng)作，因而可以獲得非常高的檢測(cè)速度。

4、分辨能力高：因?yàn)楣馐侵本€傳播，且波長(zhǎng)短，因而分辨率高，適用于微小物體和高精度位置檢測(cè)。96整理課件5、容易取得規(guī)那么的檢測(cè)區(qū)：采用了透鏡等光學(xué)系統(tǒng)，可以比較容易的聚光、擴(kuò)散和折射，對(duì)應(yīng)不同的檢測(cè)對(duì)象和不同的使用環(huán)境，可以適當(dāng)?shù)倪x取具有某種檢測(cè)區(qū)域的產(chǎn)品。

6、不受磁場(chǎng)和振動(dòng)的影響：檢測(cè)開關(guān)一般較多地安裝在具有較強(qiáng)磁場(chǎng)和振動(dòng)的場(chǎng)所，從本質(zhì)上說，光電開關(guān)受其影響很少，因而能夠可靠的動(dòng)作。

7、利用光的特性檢測(cè)：可以做色標(biāo)、形狀特征的選擇檢測(cè)。

8、壽命長(zhǎng)：由于是非接觸檢測(cè)，所以壽命長(zhǎng)，特別是用發(fā)光二極管做為光源，控制輸出采用無接點(diǎn)方式，壽命就更長(zhǎng)。

97整理課件光電開關(guān)有下述一些缺點(diǎn)：

1、透鏡容易受到粉塵和油污的污染，透鏡一旦弄臟，不僅使光束散亂，又擋住了一局部光，因而在惡劣環(huán)境下，必須采取切實(shí)可行的保護(hù)措施。

2、周圍光線強(qiáng)弱對(duì)開關(guān)的影響，對(duì)于通常的照明光，目前光電開關(guān)幾乎不受影響，但是如果背景光太強(qiáng)以致超過數(shù)萬(wàn)勒克斯，就會(huì)引起開關(guān)誤動(dòng)作而造成損失。

3、本錢比其它檢測(cè)開關(guān)要高一些。98整理課件三、光電開關(guān)應(yīng)用方法

1：輸入電源電壓的波動(dòng)

對(duì)直流輸入方式，也要注意其波動(dòng)值，通?？梢栽试S±10%。

2：配線

正確地進(jìn)行配線自然不用說，在有規(guī)定的情況下，使用電纜應(yīng)在規(guī)定的長(zhǎng)度以內(nèi)，在配線上大多出防噪聲方面考慮，但為平安起見，還應(yīng)當(dāng)注意與動(dòng)力線隔離，高壓線、動(dòng)力線和光電傳感器的配線不應(yīng)放在同一配線管或用線槽內(nèi)，否那么會(huì)由于感應(yīng)而造成〔有時(shí)〕光電開關(guān)的誤動(dòng)作或損壞，所以原那么上要分別單獨(dú)配線。

3：響應(yīng)時(shí)間

根據(jù)被測(cè)物體的大小與移動(dòng)速度來選擇在響應(yīng)速度上有余力的光電開關(guān)，另外，關(guān)于對(duì)射式，由于光束的粗細(xì)對(duì)檢測(cè)有影響，因此要預(yù)先計(jì)算好對(duì)整個(gè)光束遮光的時(shí)間。

99整理課件4：靈敏度

關(guān)于設(shè)定距離，在環(huán)境惡劣的情況下，使用對(duì)射式時(shí)，必須留出4倍以上的余地，使用反射式時(shí)也必須留出1.5-2倍以上的余地。

5：保護(hù)措施

通常，對(duì)于直流供電的光電開關(guān)里都設(shè)有逆極性，交流無須要極性保護(hù)。

直流供電的光電開關(guān)晶體管輸出的均有過流、短路保護(hù)。無接點(diǎn)輸出極的保護(hù)，通常采用續(xù)流保護(hù)晶體管的集電極。如果有大功率的感性負(fù)載最好還是外部設(shè)置電涌吸收電路給予保護(hù)。

6：抗振與沖擊

假設(shè)振動(dòng)為0-2000次/分，復(fù)振寬度為2mm左右時(shí)，對(duì)一般光電開關(guān)沒什么影響，但是對(duì)采用白熾燈做光源需要采用不受振動(dòng)的裝備結(jié)構(gòu)。100整理課件7：干擾光

由于光電開關(guān)的光源與調(diào)制的問題，因此抗干擾光的能力也是不同的；通常紅外光電開關(guān)抗環(huán)境光白熾燈光3,000Lux,太陽(yáng)光10,000Lux。假設(shè)強(qiáng)烈太陽(yáng)光直接照射的，由于太陽(yáng)光含有紅外波段的光線，如果采用光學(xué)濾色鏡提高抗光干擾能力是不夠的。teopto光電產(chǎn)品中有具備100,000Lux專門用于強(qiáng)烈環(huán)境光的產(chǎn)品。那直流光式，需要盡量避開環(huán)境光的直接照射，由于環(huán)境光的干