BALLUFF光電傳感器，BALLUFF，巴魯夫光電傳感器
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BALLUFF光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器.它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).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(cè)方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測(cè)參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛.
由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)測(cè)控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測(cè)量(檢測(cè)目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測(cè)物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測(cè)物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上,再?gòu)谋粶y(cè)物體表面反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測(cè)物體在光路位置有關(guān).
7.1 概述
光電傳感器是一種小型電子設(shè)備,它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化.早期的用來檢測(cè)物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備,發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上.在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈作為光源.這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形.
LED(發(fā)光二極管)早出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代,現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二極管作為指示燈來用.LED就是一種半導(dǎo)體元件,其電氣性能與普通二極管相同,不同之處在于當(dāng)給LED通電流時(shí),它會(huì)發(fā)光.由于LED是固態(tài)的,所以它能延長(zhǎng)傳感器的使用壽命.因而使用LED的光電傳感器能被做得更小,且比白熾燈傳感器更可靠.不像白熾燈那樣,LED抗震動(dòng)抗沖擊,并且沒有燈絲.另外,LED所發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分.(激光二極管除外,它與普通LED的原理相同,但能產(chǎn)生幾倍的光能,并能達(dá)到更遠(yuǎn)的檢測(cè)距離).LED能發(fā)射人眼看不到的紅外光,也能發(fā)射可見的綠光,黃光,紅光,藍(lán)光,藍(lán)綠光或白光.
1970年,人們發(fā)現(xiàn)LED還有一個(gè)比壽命長(zhǎng)更好的優(yōu)點(diǎn),就是它能夠以非?？斓乃俣葋黹_關(guān),開關(guān)速度可達(dá)到KHz.將接收器的放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻率,那么它就只能對(duì)以此頻率振動(dòng)的光信號(hào)進(jìn)行放大BALLUFF光電傳感器，BALLUFF，巴魯夫光電傳感器
我們可以將光波的調(diào)制比喻成無線電波的傳送和接收.將收音機(jī)調(diào)到某臺(tái),就可以忽略其他的無線電波信號(hào).經(jīng)過調(diào)制的LED發(fā)射器就類似于無線電波發(fā)射器,其接收器就相當(dāng)于收音機(jī).
人們常常有一個(gè)誤解:認(rèn)為由于紅外光LED發(fā)出的紅外光是看不到的,那么紅外光的能量肯定會(huì)很強(qiáng).經(jīng)過調(diào)制的光電傳感器的能量的大小與LED光波的波長(zhǎng)無太大關(guān)系.一個(gè)LED發(fā)出的光能很少,經(jīng)過調(diào)制才將其變得能量很高.一個(gè)未經(jīng)調(diào)制的傳感器只有通過使用長(zhǎng)焦距鏡頭的機(jī)械屏蔽手段,使接收器只能接收到發(fā)射器發(fā)出的光,才能使其能量變得很高.相比之下,經(jīng)過調(diào)制的接收器能忽略周圍的光,只對(duì)自己的光或具有相同調(diào)制頻率的光做出響應(yīng).
未經(jīng)調(diào)制的傳感器用來檢測(cè)周圍的光線或紅外光的輻射,如剛出爐的紅熱瓶子,在這種應(yīng)用場(chǎng)合如果使用其它的傳感器,可能會(huì)有誤動(dòng)作.
如果一個(gè)金屬發(fā)射出的光比周圍的光強(qiáng)很多的話,那么它就可以被周圍光源接收器可靠檢測(cè)到.周圍光源接收器也可以用來檢測(cè)室外光.
但是并不是說經(jīng)調(diào)制的傳感器就一定不受周圍光的干擾,當(dāng)使用在強(qiáng)光環(huán)境下時(shí)就會(huì)有問題.例如,未經(jīng)過調(diào)制的光電傳感器,當(dāng)把它直接指向陽光時(shí),它能正常動(dòng)作.我們每個(gè)人都知道,用一塊有放大作用的玻璃將陽光聚集在一張紙上時(shí),很容易就會(huì)把紙點(diǎn)燃.設(shè)想將玻璃替換成傳感器的鏡頭,將紙?zhí)鎿Q成光電三極管,這樣我們就很容易理解為什么將調(diào)制的接收器指向陽光時(shí)它就不能工作了,這是周圍光源使其飽和了.
調(diào)制的LED改進(jìn)了光電傳感器的設(shè)計(jì),增大了檢測(cè)距離,擴(kuò)展了光束的角度,人們逐漸接受了這種可靠易于對(duì)準(zhǔn)的光束.到1980年,非調(diào)制的光電傳感器逐步就退出了歷史舞臺(tái).
紅外光LED是效率的光束,同時(shí)也是在光譜上與光電三極管匹配的光束.但是有些傳感器需要用來區(qū)分顏色(如色標(biāo)檢測(cè)),這就需要用可見光源.
在早期,色標(biāo)傳感器使用白熾燈做光源,使用光電池接收器,直到后來發(fā)明了高效的可見光LED.現(xiàn)在,多數(shù)的色標(biāo)傳感器都是使用經(jīng)調(diào)制的各種顏色的可見光LED發(fā)射器.經(jīng)調(diào)制的傳感器往往犧牲了響應(yīng)速度以獲取更長(zhǎng)的檢測(cè)距離,這是因?yàn)闄z測(cè)距離是一個(gè)非常重要的參數(shù).未經(jīng)調(diào)制的傳感器可以用來檢測(cè)小的物體或動(dòng)作非?？斓奈矬w,這些場(chǎng)合要求的響應(yīng)速度都非?？?但是,現(xiàn)在高速的調(diào)制傳感器也可以提供非常快的響應(yīng)速度,能滿足大多數(shù)的檢測(cè)應(yīng)用.
安裝空間非常有限或使用環(huán)境非常惡劣的情況下,我們可以考慮使用光纖.光纖與傳感器配套使用,是無源元件,另外,光纖不受任何電磁信號(hào)的干擾,并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離.
光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一層金屬外皮.這層金屬外皮的密度比光芯要低,因而折射率低.光束照在這兩種材料的邊界處(入射角在一定范圍內(nèi),),被全部反射回來.根據(jù)光學(xué)原理,所有光束都可以由光纖來傳輸.
兩條入射光束(入射角在接受角以內(nèi))沿光纖長(zhǎng)度方向經(jīng)多次反射后,從另一端射出.另一條入射角超出接受角范圍的入射光,損失在金屬外皮內(nèi).這個(gè)接受角比兩倍的入射角略大,這是因?yàn)楣饫w在從空氣射入密度較大的光纖材料中時(shí)會(huì)有輕微的折射.光在光纖內(nèi)部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響(彎曲半徑要大于小彎曲半徑).大多數(shù)光纖是可彎曲的,很容易安裝在狹小的空間.
玻璃光纖由一束非常細(xì)(直徑約50μm)的玻璃纖維絲組成.典型的光纜由幾百根單獨(dú)的帶金屬外皮玻璃光纖組成,光纜外部有一層護(hù)套保護(hù).光纜的端部有各種尺寸和外形,并且澆注了堅(jiān)固的透明樹脂.檢測(cè)面經(jīng)過光學(xué)打磨,非常平滑.這道精心的打磨工藝能顯著提高光纖束之間的光耦合效率.
玻璃光纖內(nèi)的光纖束可以是緊湊布置的,也可隨意布置.緊湊布置的玻璃光纖通常用在醫(yī)療設(shè)備或管道鏡上.每一根光纖從一端到另一端都需要精心布置,這樣才能在另一端得到非常清晰的圖像.由于這種光纖費(fèi)用非常昂貴并且多數(shù)的光纖應(yīng)用場(chǎng)合并不需要得到一個(gè)非常清晰的圖像,所以多數(shù)的玻璃光纖其光纖束是隨意布置的,這種光纖就非常便宜了,當(dāng)然其所得到的圖像也只是一些光.BALLUFF光電傳感器，BALLUFF，巴魯夫光電傳感器
玻璃光纖外部的保護(hù)層通常是柔性的不銹鋼護(hù)套,也有的是PVC或其他柔性塑料材料.有些特殊的光纖可用于特殊的空間或環(huán)境,其檢測(cè)頭做成不同的形狀以適用于不同的檢測(cè)要求.玻璃光纖堅(jiān)固并且性能可靠,可使用在高溫和有化學(xué)成分的環(huán)境中,它可以傳輸可見光和紅外光.常見的問題就是由于經(jīng)常彎曲或彎曲半徑過小而導(dǎo)致玻璃絲折斷,對(duì)于這種應(yīng)用場(chǎng)合,我們推薦使用塑料光纖.
塑料光纖由單根的光纖束(典型光束直徑為0.25到1.5mm)構(gòu)成,通常有PVC外皮.它能安裝在狹小的空間并且能彎成很小的角度.
多數(shù)的塑料光纖其檢測(cè)頭都做成探針形或帶螺紋的圓柱形,另一端未做加工以方便客戶根據(jù)使用將其剪短.不像玻璃光纖,塑料光纖具有較高的柔性,帶防護(hù)外皮的塑料光纖適于安裝在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上.塑料光纖吸收一定波長(zhǎng)的光波,包括紅外光,因而塑料光纖只能傳輸可見光.
對(duì)射式和直反式光纖玻璃光纖和塑料光纖既有"單根的"-對(duì)射式,也有"分叉的"-直反式.單根光纖可以將光從發(fā)射器傳輸?shù)綑z測(cè)區(qū)域,或從檢測(cè)區(qū)域傳輸?shù)浇邮掌?分叉式的光纖有兩個(gè)明顯的分支,可分別傳輸發(fā)射光和接收光,使傳感器既可以通過一個(gè)分支將發(fā)射光傳輸?shù)綑z測(cè)區(qū)域,同時(shí)又通過另一個(gè)分支將反射光傳輸回接收器
由于光纖受使用環(huán)境影響小并且抗電磁干擾,因而能被用在一些特殊的場(chǎng)合,如:適用于真空環(huán)境下的真空傳導(dǎo)光纖(VFT)和適用于爆炸環(huán)境下的光纖.
7.2 光電元件
光電元件是光電傳感器中重要的部件,常見的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩大類.它們的工作原理都基于不同形式的光電效應(yīng).根據(jù)光的波粒二像性,我們可以認(rèn)為光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流,這種粒子稱為光子.每個(gè)光子具有的能量為
(7.1)
式中,為光波頻率;h為普朗克常數(shù),h=6.63
對(duì)不同頻率的光,其光子能量是不相同的,光波頻率越高,光子能量越大.用光照射某一物體,可以看作是一連串能量為Au的光子轟擊在這個(gè)物體上,此時(shí)光子能量就傳遞給電子,并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收,電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化,從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng),我們把這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng).通常把光電效應(yīng)分為三類:
1)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng),基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管,光電倍增管等.
2)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng).基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻,光敏晶體管等.
3)在光線作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng),基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等.
7.2.1 外光電效應(yīng)器件
7.2.1.1 工作原理BALLUFF光電傳感器，BALLUFF，巴魯夫光電傳感器
光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件,其外形和結(jié)構(gòu)如圖7.2.1所示,半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi),當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí),單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子,從而使自由電子的能量增加h.當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí),它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發(fā)射.這種電子稱為光電子,光電子逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為(1/2)m.
根據(jù)能量守恒定律有
(7.2)
式中,m為電子質(zhì)量;為電子逸出的初速度.
由上式可知,要使光電子逸出陰極表面的必要條件是h>A.由于不同材料具有不同的逸出功,因此對(duì)每一種陰極材料,入射光都有一個(gè)確定的頻率限,當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí),不論光強(qiáng)多大,都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射,此頻率限稱為"紅限".相應(yīng)的波長(zhǎng)λK為
(7.3)
式中,c為光速;A為逸出功.
光電管正常工作時(shí),陽極電位高于陰極,如圖7.2.2所示.在人射光頻率大于"紅限"的前提下,從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引,在光電管內(nèi)形成空間電子流,稱為光電流.此時(shí)若光強(qiáng)增大,轟擊陰極的光子數(shù)增多,單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多,光電流變大.在圖7.2.2所示的電路中,電流IФ和電阻只RL上的電壓降U0就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.
圖7.2.1 光電管結(jié)構(gòu)示意圖 圖7.2.2 光電管測(cè)量電路圖
陰極材料不同的光電管,具有不同的紅限,因此適用于不同的光譜范圍.此外,即使入射光的頻率大于紅限,并保持其強(qiáng)度不變,但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會(huì)隨入射光頻率的變化而改變,即同一種光電管對(duì)不同頻率的入射光靈敏度并不相同.光電管的這種光譜特性,要求人們應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是紫外光,可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管,以便獲得滿意的靈敏度.
由于真空光電管的靈敏度低,因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管.圖7.2.3是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖.
光電倍增管主要由光陰極K,倍增極D和陽極A組成,并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝.依據(jù)分裝方法,可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類.端窗式光電倍增管的陰極通常為透射式陰極,通過管殼的端面接受入射光.側(cè)窗式陰極則是通過管殼的側(cè)面接收入射光,它的陰極通常為反射式陰極.
圖7.2.3 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖
光陰極的量子效率是一個(gè)重要的參數(shù).波長(zhǎng)為λ的光輻射入射到光陰極時(shí),一個(gè)入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù),定義為光陰極的量子效率.光陰極有很多種,常用的有雙堿,S11及S20三種.光陰極通常由脫出功較小的銻銫或鈉鉀銻銫的薄膜組成,光陰極接負(fù)高壓,各倍增極的加速電壓由直流高壓電源經(jīng)分壓電阻分壓供給,靈敏檢流計(jì)或負(fù)載電阻接在陽極A處,當(dāng)有光子入射到光陰極K上,只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功,就會(huì)有電子從陰極的表面逸出而成為光電子.在K和D1之間的電場(chǎng)作用下,光電子被加速后轟擊**倍增極D1,從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射.每一個(gè)電子的轟擊約可產(chǎn)生3～5個(gè)二次電子,這樣就實(shí)現(xiàn)了電子數(shù)目的放大.D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場(chǎng)加速后轟擊D2,…….這樣的過程一直持續(xù)到后**倍增極Dn,每經(jīng)過**倍增極,電子數(shù)目便被放大一次,倍增極的數(shù)目有8～13個(gè),后**倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽極A收集.若倍增電極有n級(jí),各級(jí)的倍增率為б,則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是бn,因此,光電倍增管有極高的靈敏度.在輸出電流小于1mA的情況下,它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系.光電倍增管的這個(gè)特點(diǎn),使它多用于微光測(cè)量.若將靈敏檢流計(jì)串接在陽極回路中,則可直接測(cè)量陽極輸出電流.若在陽極串接電阻RL作為負(fù)載,則可測(cè)量RL兩端的電壓,此電壓正比于陽極電流.
圖7.2.4 光電倍增管的基本電路 圖7.2.5 光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)
圖7.2.4所示為光電倍增管的基本電路.各倍增極的電壓是用分壓電阻R1,R2,……Rn獲得的,陽極電流流經(jīng)負(fù)載電阻RL得到輸出電壓U0.當(dāng)用于測(cè)量穩(wěn)定的輻射通量時(shí),圖中虛線連接的電容C1,C2,…,Cn和輸出隔離電容C0都可以省去.這時(shí)電路往往將電源正端接地,并且輸出可以直接與放大器輸入端連接,從而使它能夠響應(yīng)變化緩慢的入射光通量.但當(dāng)入射光通量為脈沖通量時(shí),則應(yīng)將電源的負(fù)端接地,因?yàn)楣怆姳对龉艿年帢O接地比陽極接地有更低的噪聲,此時(shí)輸出端應(yīng)接人隔離電容,同時(shí)各倍增極的并聯(lián)電容亦應(yīng)接人,以穩(wěn)定脈沖工作時(shí)的各級(jí)工作電壓,穩(wěn)定增益并防止飽和.
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