項目七光電式傳感器項目內(nèi)容

任務一

光電效應

任務二

光電元件的原理與特性

任務三

光電式傳感器的應用

知識目標：（1）了解光電元件的分類以及工作原理、特性。（2）了解光電耦合器件的工作原理、結(jié)構(gòu)。能力目標：（1）掌握光電傳感器的典型應用。（2）掌握光電耦合器件的典型應用。

思政目標：

光電效應部分的講述融入波粒戰(zhàn)爭的歷史，長達幾個世紀對于光是波還是粒子的討論，培養(yǎng)學生全面看待事物的能力和完整的世界觀；

光敏二極管的應用講解過程中，以安全光幕為應用背景，告誡學生注意生產(chǎn)安全，職業(yè)安全，合理合規(guī)操作儀器設(shè)備，培養(yǎng)學生安全意識，提高安全能力，為今后走向職場打下基礎(chǔ)。任務一

光電效應

用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hν的光子轟擊，組成該物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現(xiàn)象稱為光電效應。對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，頻率越高，光子能量越大。1.1外光電效應

在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子稱為光電子。基于外光電效應的光電器件有光電管和光電倍增管等。

1905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發(fā)射效應，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。

2025/2/1861.2內(nèi)光電效應在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應稱為內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應可以分為以下兩大類。1）光電導效應在光線的作用下，由于半導體材料吸收了入射光子能量，當光子能量大于或等于半導體的材料的禁帶寬度時，就會激發(fā)出電子一對空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電能力增強，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。2）光生伏特效應在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應?；谶@種效應的光電器件有光電池。此外，光敏二極管、光敏晶體管也是基于內(nèi)光電效應。

任務二

光電元件的原理與特性2.1外光電元件的原理與特性1．光電管的原理與特性1）光電管的原理光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，由陰極和陽極構(gòu)成，要求陰極鍍有光電發(fā)射材料，并有足夠的面積來接受光的照射。陽極是用一條細長的金屬絲彎成圓形或矩形制成，放在玻璃管的中心。連接電路，光電管的陰極K和電源的負極相連，陽極A通過負載電阻RL接電源正極，當陰極受到光線照射時，電子從陰極逸出，在電場作用下被陽極收集，形成光電流I，隨光照的強弱而改變，達到把光信號變化轉(zhuǎn)換為電信號變化的目的。如圖7-1所示。

充氣光電管的結(jié)構(gòu)基本與真空光電管相同，只是管內(nèi)充以少量惰性氣體，如氖氣等。當光電管陰極被光線照射產(chǎn)生電子后，在趨向陽極的過程中，由于電子對氣體分子的撞擊，將使惰性氣體分子電離，從而得到正離子和更多的自由電子，使電流增加，提高了光電管的靈敏度。但充氣光電管的頻率特性較差，溫度影響大，伏安特性為非線性等，所以在自動檢測儀表中多采用真空光電管。圖7-1光電管結(jié)構(gòu)示意圖與連接電路（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）電路圖

紫外管外形

當入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。

紫外線2025/2/18112）光電管的特性（1）伏安特性：在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖7-2所示。它是應用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。（2）光照特性：當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖7-3所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。圖7-2光電管的伏安特性

圖7-3光電管的光照特性

1—氧銫陰極光電管光照特性；

2—銻銫陰極的光電管光照特性

（3）光譜特性：由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率υ0，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率υ0，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應選用不同材料的光電陰極。

2．光電倍增管的原理與特性1）光電倍增管的原理當光照微弱時，光電管所產(chǎn)生的光電流很小（零點幾個微安），為了提高靈敏度，常應用光電倍增管，對光電流進行放大。光電倍增管的工作原理建立在光電發(fā)射和二次發(fā)射基礎(chǔ)上。如圖7-4（a）是光電倍增管的原理示意圖，圖中K為光電陰極，D1～D4為二次發(fā)射體，稱倍增極，A為陽極（或收集陽極）。在工作時，這些電極的電位是逐級增高的，一般陽極和陰極之間電壓是1000～2500V，兩個

相鄰倍增極之間的電位差為50～100V。當光線照射到光陰極K后，它產(chǎn)生的光電子受到第一倍增極D1正電位的作用，使之加速并打在這個倍增極上，產(chǎn)生二次發(fā)射。由第一倍增極D1產(chǎn)生二次發(fā)射電子，在更高電位的D2極作用下，再次被加速入射到D2上，在D2極上又將產(chǎn)生二次發(fā)射，這樣逐級前進，直到電子被陽極收集為止。陽極最后收集到的電子數(shù)將達到陰極發(fā)射電子數(shù)的105～106倍。如果設(shè)每個電子落到任一倍增極上都打出

個電子，則陽極電流I為

（7-1）式中：i0——光電陰極發(fā)出的光電流；

n——光電倍增級數(shù)（一般9～11）。這樣，光電倍增管的電流放大系數(shù)

為

（7-2）

光電倍增管的倍增極結(jié)構(gòu)有很多形式，它的基本構(gòu)造是把光電陰極與各倍增極和陽極隔開，以防止光電子的散射和陽極附近形成的正離子向陰極返回，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象；另外，要使電子從一個倍增極發(fā)射出來無損失地至下一級倍增極。如圖7-4（b）所示是某一種形式的光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7-4光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意圖

（a）原理圖；（b）結(jié)構(gòu)示意圖1—柵網(wǎng)；2—陽極；3—倍增極；4—陰極2）光電倍增管的特性（1）倍增系數(shù)M：倍增系數(shù)M等于n個倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。M與所加電壓有關(guān)，當M在105～108之間時，穩(wěn)定性為1%左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1%以內(nèi)。如果有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為1000～2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50～100V。（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度：一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高，但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。

（3）暗電流和本底脈沖:一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用。但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。（4）光譜特性：光譜特性反應了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對于較好的管子，在很寬的范圍之內(nèi)，這個關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖7-5所示。圖7-5光電倍增管的光譜特性2.2內(nèi)光電元件的原理與特性1．光敏電阻1）結(jié)構(gòu)原理光敏電阻又稱光導管，它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，又可加交流電壓。無光照時，光敏電阻阻值（暗電阻）很大，電路中的電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中的電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈敏度高。

實際光敏電阻的暗電阻阻值一般在兆歐數(shù)量級，亮電阻阻值在幾千歐以下。光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡單，圖7-6（a）所示為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導體物質(zhì)，稱為光導層。半導體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就是通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，如圖7-6（b）所示。如圖7-6（c）為光敏電阻的接線圖。

（a）（b）（c）圖7-6光敏電阻結(jié)構(gòu)（a）光敏電阻結(jié)構(gòu)；（b）光敏電阻電極；（c）光敏電阻接線圖1—金屬電極；2—半導體；3—檢流計；4—玻璃底板；5—電源光敏電阻

當光敏電阻受到光照時，阻值減小。2025/2/1826光敏電阻演示

當光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流2）光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)有以下幾個。（1）暗電阻：光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。（2）亮電阻：光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻。此時流過的電流稱為亮電流。（3）光電流：亮電流與暗電流之間的差值稱為光電流。3）基本特性（1）伏安特性：在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。如圖7-7所示為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見，光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I—U曲線為直線。說明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓電流無關(guān)。

（2）光照特性：光敏電阻的光照特性是描述光電流I和光照強度之間的關(guān)系，不同的材料的光照特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性是非線性。如圖7-8所示為硫化鎘光敏電阻的光照特性。圖7-7硫化鎘光敏電阻的伏安特性 圖7-8光敏電阻的光照特性

（3）光譜特性：光敏電阻對入射光的光譜特性具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱光譜響應。如圖7-9所示為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。對應于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應曲線也不同。從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光區(qū)域，常被用作光度量測量（照度計）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區(qū)，常用做火焰探測器的探頭。圖7-9光敏電阻的光譜特性（4）頻率特性：實驗證明，光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性。（5）溫度特性：光敏電阻和其他半導體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應，同時光敏電阻的靈敏度和暗電阻也隨之改變，尤其是響應于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小等優(yōu)點，所以應用廣泛。此外許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外光譜區(qū)工作。光敏電阻的缺點是型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開關(guān)式光電信號的傳感元件。2．光敏二極管和光敏晶體管1）結(jié)構(gòu)原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明的玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光的照射，如圖7-10所示。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖7-11所示。當沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流，當光線照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下做定向移動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài)，受光照射時處于導通狀態(tài)。圖7-10光敏二極管結(jié)構(gòu)簡圖 圖7-11光敏二極管的接線圖光敏二極管

將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。2025/2/1835光敏二極管外形

光敏二極管陣列

包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。2025/2/1836紅外發(fā)射、接收對管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管2025/2/1837

光敏晶體管與一般晶體管相似，具有兩個PN結(jié)，如圖7-12（a）所示，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。光敏晶體管的接線如圖7-12（b）所示，大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電極就是反向偏壓，當光照射在集電結(jié)時就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對，光使電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的

倍，所以光敏晶體管具有放大作用。

光敏晶體管的光電靈敏度雖然比光敏二極管高得多，但在需要高增益或大電流輸出的場合，需采用達林頓光敏管。如圖7-13所示是達林頓光敏管的等效電路。它是一個光敏晶體管與一個晶體管以共集電極連接方式的集成器件。由于增大了一級電流放大，所以輸出電流能力大大增強，甚至可以不必經(jīng)過進一步放大，便可直接驅(qū)動靈敏繼電器。但由于無光照時的暗電流也增加，因此適合于開關(guān)狀態(tài)或位式信號的光電轉(zhuǎn)換。

圖7-12NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖與基本電路 （a）結(jié)構(gòu)簡化模型；（b）基本電路

圖7-13達林頓光敏管的等效電路

（a）（b）光敏三極管外形

2025/2/18412）基本特性（1）光譜特性：光敏管的光譜特性是指在一定的照度時，輸出的光電流（或用相對靈敏度表示）與入射光波長的關(guān)系。硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性曲線如圖7-14所示。從曲線可以看出，硅的峰值波長約為0.9

m，鍺的峰值波長約為1.5

m，此時靈敏度最大，而當入射光的波長增長或縮短時，相對靈敏度都會下降。一般來講，鍺的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但在紅外線探測時，鍺管較為適宜。圖7-14光敏二極（晶體）管的光譜特性（2）伏安特性：如圖7-15（a）所示為硅光敏二極管的伏安特性。橫坐標表示所加的反向偏壓。當光照時，反向電流隨著光照強度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒達到飽和值，它的輸出實際上不受偏壓大小的影響。如圖7-15（b）所示為硅光敏晶體管的伏安特性。縱坐標為光電流，橫坐標為集電極—發(fā)射極電壓。從圖中可見，由于晶體管具有放大作用，在同樣的照度下，其光電流比相應的二極管大上百倍。（3）頻率特性：光敏管的頻率特性是指光敏管的輸出電流（或相對靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性是半導體光電器件中最好的一種，普通光敏二極管頻率響應時間達10

m。光敏晶體管的頻率特性受負載電阻的影響，如圖7-16所示為光敏晶體管頻率特性，減小負載電阻可以提高頻率響應范圍，但輸出電壓響應也減小。（a）（b）圖7-15硅光敏管的伏安特性（a）硅光敏二極管；（b）硅光敏晶體管

（4）溫度特性：光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。光敏晶體管的溫度特性曲線如圖7-17所示。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流影響很小，如圖7-17（b）所示，而對暗電流影響很大，如圖7-17（a）所示，所以在電子線路中應對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。圖7-16光敏電阻的頻率特性圖7-17光敏晶體管的溫度特性（a）暗電流；（b）光電流

3．光電池1）結(jié)構(gòu)原理光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種光電器件。光電池在有光線作用時實質(zhì)就是電源，電路中有了這個器件就不需外加電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”。它實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導體的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就會產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子—空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。如圖7-18所示為硅光電池的原理圖。光電池外形光敏面2025/2/1849能提供較大電流的大面積光電池外形2025/2/1850

（a）（b）圖7-18硅光電池原理圖（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）等效電路1—硼擴散層；2—P型電極（SiO2膜）；3—PN結(jié)

光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等，其中硅光電池由于性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高及耐高溫輻射，因此最受人們的重視。2）基本特性（1）光譜特性：光電池對不同波長的光靈敏度是不同的。如圖7-19所示為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知，不同材料的光電池，光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的，硅光電池波長在0.8

m附近，硒光電池在0.5

m附近。硅光電池的光譜響應波長為0.4～1.2

m，而硒光電池只能為0.38～0.75

m?？梢姡韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內(nèi)得到應用。

（2）光照特性：光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。如圖7-20所示為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線。從圖中看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強度呈線性關(guān)系，開路電壓（即負載RL無限大時）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且在照度為2000lx時就趨于飽和了。因此用光電池作為測量元件時，應把它當作電流源的形式來使用，不宜作電壓源。

圖7-19硅光電池的光譜特性 圖7-20硅光電池的光照特性

（3）頻率特性：如圖7-21所示分別給出硅光電池和硒光電池的頻率特性，橫坐標表示光的調(diào)制頻率。由圖可見，硅光電池有較好的頻率響應。（4）溫度特性：光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度和控制精度等重要指標，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性如圖7-22所示。從圖中看出，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大的影響，因此把它作為測量元件使用時，最好保證溫度恒定或采取溫度補償措施。

圖7-21硅光電池的頻率特性 圖7-22硅光電池的溫度特性

1.光電耦合器

光電耦合器的發(fā)光元件和接收元件都裝在一個外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光器件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管，其管芯由一個PN結(jié)組成，隨著正向電壓的增大正向電流也增加，發(fā)光二極管的光通量也增加。光電接收元件可以是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達林頓光敏管。圖7-23所示為光敏三極管和達林頓光敏管輸出型的光電耦合器。為了保證光電耦合器有較高的靈敏度，應使發(fā)光元件和接收元件的波長匹配。光電耦合器實際上是一個電隔離轉(zhuǎn)換器，它具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能，廣泛應用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制等場合。2.3光電耦合器件圖7-23光電耦合器的組合形式下頁光電耦合器結(jié)構(gòu)圖光電耦合器（opticalcoupler，英文縮寫為OC）

光電耦合器實物圖2.光電開關(guān)

光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號的器件。如圖7-24所示為典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖7-24（a）是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣就起了檢測的作用。圖7-24（b）是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。當有物體經(jīng)過時，接收元件將收到從物體表面反射的光，沒有物體時則接收不到。光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，而且用于TTL、MOS等容易使用電路的場合。

（a）（b）圖7-24光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)（a）透射式；（b）反射式1—發(fā)光元件；2—窗；3—接收元件；4—殼體；5—導線；6—反射物

2025/2/18

光電接近開關(guān)

用光電開關(guān)檢測物體時，大部分要求其輸出信號有高—低（1—0）之分即可。如圖7-25所示是光電開關(guān)的基本電路實例。圖7-25（a）、（b）表示負載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時的情況，圖7-25（c）表示用晶體管放大光電流的情況。光電開光廣泛應用于工業(yè)控制，自動化包裝線及安全裝置中作為光控制和光檢測裝置?？稍谧詣涌刂葡到y(tǒng)中用作物體檢測，產(chǎn)品計數(shù)，料位檢測，尺寸控制，安全報警及計算機輸入接口等。

圖7-25光電開關(guān)的基本電路（a）、（b）高輸入阻抗電路；（c）晶體管放大電路

3.1火焰檢測報警器如圖7-26所示是采用以硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器的電路圖。硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1M

，亮電阻為0.2M

（在光強度為0.01W/m2下測試），峰值響應波長為2.2

m，硫化鉛光敏電阻處于VT1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6V，電流約為6

A。VT1管集電極電阻兩端并聯(lián)68

F的電容，可以抑制100Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。VT2、VT3構(gòu)成二級負反饋互補放大器，火焰的閃爍信號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值變化不至于影響輸出信號的幅度，保證火焰報警器能長期穩(wěn)定的工作。任務三

光電式傳感器的應用

圖7-26火焰探測報警器電路圖

3.2光電式緯線探測器

光電式緯線探測器是用于噴氣織機上，判斷緯線是否斷線的一種探測器。如圖7-27所示為光電式緯線探測器原理電路圖。圖7-27光電式緯線探測器原理電路圖

當緯線在噴氣作用下前進時，紅外發(fā)光管VD發(fā)出紅外光，經(jīng)緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號時，說明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號，通過后續(xù)電路的放大、脈沖整形等，控制機器是正常運轉(zhuǎn)還是關(guān)機報警。由于緯線線徑很細，又是擺動前進，形成光的漫射，削弱了光的反射強度，而且還伴有背景雜散光，因此要求探緯器具有較高的靈敏度和分辨率。為此，紅外發(fā)光管VD采用占空比很小的強電流脈沖供電，這樣既可保證發(fā)光管的使用壽命，又能在瞬間有強光射出，以提高檢測靈敏度。一般來說，光電池的輸出信號較小，需經(jīng)放大、脈沖整形，以提高分辨率。

3.3燃氣器具中的脈沖點火控制器由于燃氣是易燃、易爆氣體，所以對燃氣器具中的點火控制器的要求是安全、穩(wěn)定、可靠。為此電路中就有這樣一個功能，即打火確認針產(chǎn)生火花，才可以打開燃氣閥門；否則燃氣閥門關(guān)閉。這樣就能保證使用燃氣器具的安全性。如圖7-28所示為燃氣器具中高壓打火確認電路的原理圖。在高壓打火時，火花電壓可達1萬多伏，這個脈沖高壓對電路的影響極大，為了使電路正常工作，采用光電耦合器VB進行電平隔離，大大增加了電路的抗干擾能力。當高壓打火針經(jīng)打火確認針放電時，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，耦合器中的光敏三極管導通，經(jīng)VT1、VT2、VT3放大，驅(qū)動強吸電磁閥，將氣路打開，燃氣碰到火花即燃燒。若打火針與打火確認針之間不放電，光耦器不工作，VT1等不導通，燃氣閥門關(guān)閉。

圖7-28燃氣熱水器的高壓打火確認原理圖

3.4煙塵濁度連續(xù)檢測儀工業(yè)煙塵是環(huán)境的主要污染之一，為此需要對煙塵源進行連續(xù)檢測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道里的煙塵濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒物吸收和折射就增多，到達檢測器上的光減少，因而光檢測器的輸出信號便可反映煙道里煙塵濁度的變化。如圖7-29所示是吸收式煙塵濁度檢測儀的組成框圖。為了檢測出煙塵中對人體的危害性最大的亞微米顆粒的濁度和避免水蒸汽和二氧化碳對光源衰弱的影響，選取可見光作為光源。該光源產(chǎn)生光譜范圍為400～700nm的純白熾平行光，要求光照穩(wěn)定。

圖7-29吸收式煙塵濁度檢測儀框圖

光檢測器選取光譜響應范圍為400～600nm的光電管，獲得隨濁度變化的相應電信號。為提高檢測靈敏度，采用具有高增益、高輸入阻抗、低零漂、高共模抑制比的運算放大器，對電信號進行