第二章：光电传感器及控制系统

第二章光电传感器控制技术与系统光电传感器是以光敏器件作为检测元件，将光信号转换为电信号的装置。

用这种传感器进行测控时，只需将其它的非电量转换为光信号即可。

广泛用于物位、速度、位移、温度、白度、压力，以及一些机械量、几何量的测量与自动控制、电子计算机、智能机器人等，是目前应用最广泛的传感器之一。

光敏器件是利用物质的光电效应，将光量转换为电量的一种变换器件。

它的发展迅速，品种繁多，常见的有光敏电阻、光电二级管、光电三级管、光电耦合器、硅光电池和光控晶闸管等。

§1 光敏电阻控制技术与系统一、光敏电阻1．光电导效应半导体材料受光照射时，载流子数目增加，电阻率减少，这种现象称为光电导效应。

当一束光照射到半导体时，如果光的频率足够高，光子的能量hf(h = ×10-34(J·S)E，就能产生出自由电子和“空穴”，为普朗克常数，f为频率)大于半导体材料的禁带宽度g使半导体的载流子数目增加，电阻率减小。

入射光的强度越大，激发出来的自由电子和空穴越多，半导体的电阻率减小得就越厉害。

如果半导体是掺杂的，因为从杂质上释放一个电子（或空穴）所需的能量比本征半导体价电子所需的能量小，所以较长波长的光也能产生光电导。

具有光电导效应的材料称为光导材料。

大多数的半导体和绝缘体都具有光电导效应。

但能利用于制作光敏器件的却不多。

从目前的光敏电阻来看，可分为三种类型：第一类为可见光光敏电阻，如硫化镉，硒化镉，硫—硒化镉，硫化镉—硫化锰光敏电阻等；第二类为红外光光敏电阻，如硫化铅，硒化铅，锑化铅，砷化铅，碲镉汞，碲化铅等光敏电阻；第三类为紫外光光敏电阻，如硫化铅，硫化锌镉，硫化锗镉，硒碲锑三元素化合物等光敏电阻。

2．光敏电阻的结构光敏电阻是根据半导体光电导效应，用光导材料制成的光电元件，又称作光导管。

其典型结构如图2–1所示。

管芯是一块装于绝缘衬底上，带有两个欧姆接触电极的光电导体，半导体吸收光子而产生的光电导效应只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但深入的厚度有限，因此，光电导体一般都作成薄层。

为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图2–2所示。

壳体具有良好的密封性能，以保证光敏电阻灵敏度不受潮湿等影响。

光敏电阻没有极性，是一个纯电阻元件。

两极间既可加直流电压，也可加交流电压。

光敏电阻在电路中的符号见图2–3。

3．光敏电阻的特性（1）灵敏度a ：电阻灵敏度光敏电阻在室温环境，处于全暗条件下，经过一定时间具有的电阻值称为暗电阻dR，dR一般在MΩ数量级，常用“olx”表示；受到一定光照时的电阻值称为亮电阻R l ，R l 一般为KΩ数量级，常用“100 lx”表示。

暗电阻与亮电阻阻值之差R d–R l与亮电阻R l之比，称为光敏电阻的电阻灵敏度。

即LLdr RRKK-=（1）b．积分灵敏度光敏电阻加上一定电压并受光照时所产生的电流称为亮电流，无光照射时流过光敏电阻上的电流称为暗电流。

在同一电压下，亮电流与暗电流之差称为光电流IФ，光电流I Ф和照在光敏电阻上的光通量之比称为光敏电阻的积分灵敏度。

即图2-1 光敏电阻的典型结构1–光电导体 2–玻璃 3–电极4–绝缘衬底 5–金属壳 6–引线图2-2 光敏电阻的芯片结构1–电极 2–光电导体图2-3 光敏电阻的符号K=I ФФ（2） （2）伏安特性在一定光照下，光敏电阻两端所加电压与电流之间的关系称为伏安特性。

对于光敏元件来说，其光电流随外加电压增大而增大。

图2–4所示硫化镉光敏电阻的伏安特性。

硫化镉光敏电阻器在规定的极限电压下，它的伏安特性具有较好的线性，使用时注意不要超过允许功耗线。

（3）光照特性是指光敏电阻输出的的电信号（电阻、电压、电流）随光照强度而变化的特性。

光敏电阻的光照特性多数情况下是非线性的，只是在微小区域呈线性，这是光敏电阻的很大不足。

硫化镉光敏电阻的光照特性如图2–5所示。

（4）光谱特性是指光敏电阻在不同波长的单色光照下的灵敏度。

光敏电阻对不同波长的光灵敏度不同，若绘成曲线就可得光谱灵敏度的分布图，如图2–6所示。

因此，在选择光敏电阻时，必须结合光源进行考虑。

tKr（kA °）Kr(%)功耗线图2-4 硫化镉光敏电阻伏安特性R （kΩ）500图2-5 硫化镉光敏电阻的光照特性（5）时间与频率特性光敏电阻突然受到光照时，光电流并不是立即升到最大值。

光照突然消失时，光电流也不立刻下降到暗电流值。

这表明，光电流的变化滞后于光的变化。

常用上升时间t r ，下降时间t f表示这种滞后现象。

大多数光敏电阻的响应时间为几十毫秒到几百毫秒。

硫化镉光敏电阻对脉冲光的响应特性如图2–7所示。

不同材料的光敏电阻，响应时间不同，因此他们的频率特性也就不同。

（6）温度特性光敏电阻同其它半导体器件一样，受温度影响较大，不少的光敏电阻在低温下的灵敏度较高，而在高温下暗电阻和灵敏度均下降，图2–6所示的光谱特性将向左移。

通常用电阻温度系数来描述光敏电阻的这一特性，它表示温度改变一度时，电阻值的相对变化。

（7）额定功率（也称功耗）是指光敏电阻用于某电路中所允许加上的功率。

这主要取决于光敏电阻器本身特性，环境温度及光敏电阻本身所产生的温度，当环境温度升高时，光敏电阻允许消耗的功率就降低。

额定功率为W=I2R L（3）式中：W为光敏电阻的额定功率（W）；I为光电流（A）；R L为亮阻（Ω）。

二、应用光敏电阻的控制电路1．用光敏电阻构成的光电开关电路用一光源与一个光敏电阻器可以构成光电开关电路。

这种开关电路可用于各种物体检测、光电控制、自动报警等系统。

硫化镉光敏电阻构成的光电开关电路如图2–8所示。

图中的光敏电阻RG可采用MG41-100A元件、BG1和BG2可采用3AG型高频管，继电器J为启动电流小于15mA的RM4小型继电器，光源可采用6V/3W的白炽灯泡。

其原理为：当有光照时，光敏电阻RG阻值减小，电流增加，使BG1的基极电流增加，BG1导通，同时使得BG2导通，继电器J吸合，继电器在控制电路中的接点动作，使主电路工作。

当无光照时，光敏电阻RG阻值增加，BG1的基极电流减小，BG1截止，使得BG2也截止，J释放，带动主电路动作。

这样就实现了由光信号转换为电信号，再由电信号进行控制，从而达到了光电自动控制的目的。

该光电开关电路在使用中，应注意下列问题：a ． 应在规定的使用环境温度条件下，在额定功率下使用，以免烧坏；b ． 在电路中必须设置限流电阻，如图2–8中的R 2，其阻值大小应根据光敏电阻器的额定功率和使用环境条件选择；c ． 对使用的光敏电阻应加装防光罩，以防止杂散光的干扰；d ． 在常温、干燥条件下贮存，并应避免强光照射。

2．光电触发器图2–9是用光敏电阻构成的光电触发电路。

无光照射时，光敏电阻RG 电阻值大，电流小，T1截止、T2饱和导通，输出0U 为低电平。

当光敏电阻RG 受光照射时，电阻小，电流大，电路翻转，T1饱和导通，T2截止，0U 变为高电平。

即该触发器采用光作为触发信号，触发后面的电路。

3．生产线运行自动监控装置–+图2-8 硫化镉光敏电阻构成的光电开关电路R 1R wR 2R 3R 4图2-9 光电触发器U 0在一些工厂里，各生产工序之间的制品或零件交换是由自动传输线来完成的。

这里介绍的生产线运行自动监控装置，可以根据生产的需要，设置不同数量的光电传感器用于控制流水线上的零件或制品运行，并可集中显示和控制。

当某一个传感器一旦“发现”故障，能自动发出报警信号或使下一个生产工序的设备停转。

图2-10 自动监控装置电路原理图图2–10是自动监控装置的电原理图，其中只给出了一个光电传感器控制电路的一个单元部分，可按实际需要增加。

将光源和光敏电阻相对安装在流水线的两侧。

12V 直流电源经电阻R1和光敏电阻R 0的内阻分压，使P 点得到某一电压值。

随着流水线上制品位置的不断移动，会断续地遮没光源，使照射到光敏电阻上的光线呈脉冲状，0R 的电阻值也随着相应地发生脉冲变化，从而引起P 点电压呈脉冲状起伏跳变。

这种变换的交流分量，通过电容C1耦合，经二极管D1整流，从而为BG1的基极提供了偏置电流，使BG1饱和导通，同时还向电容C2充电，使BG1工作点稳定，导通可靠，同时BG2，BG3截止，继电器K 不动作。

当自动线上的制品因故中断，或是传送带运行停止时，光敏电阻R 0出现的受光状态为：光源始终照射到光敏电阻R 0上，或光源被制品遮住，光敏电阻不受光的照射。

这两种现象在电路的P 点都会反映出一种结果，即R 0上的光脉冲信号消失，P 点的电脉冲信号也消失。

电容C1无交变信号输入，二极管D1无整流电流输出，晶体管BG1截止，BG2、BG3饱和导通，使继电器K 吸合。

继电器的接触点接通报警电路及驱动中间继电器完成停机（上一道工序或下一道工序停机）。

§2 光敏晶体管控制技术与系统+12R 0一、光敏晶体管1．结构及工作原理半导体光敏二极管与普通二极管类似，PN 结装于管的顶部，光线可通过透明窗直接照射到PN 结上。

图2–11所示是光敏二极管的光电转换原理示意图及电路符号。

光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。

无光照时，反向电阻很大，反向电流很小。

有光照时，PN 结附近产生电子和空穴，使少数载流子浓度大大增加，流过PN 结的反向电流聚增。

入射光强度变化时，光生电流的强度也随之改变，在负载电阻R l 上得到一个随入射光强度变化的电信号，即光敏二极管能把光信号转换为电信号输出。

图2-11 光电二极管转换原理图 图2-12 光电三极管转换原理图光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。

入射光在基区和集电区被吸收而产生电子—空穴对，由此而产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。

所以光敏三极管是一种相当于将基极—集电极的光敏二极管的光电流加以放大的普通晶体管放大器。

选择合适的负载，使R l ≤Rce ，则输出电压0U 为：)1)(1(0u ce L be be lC R j C r j R I ωωβ++=Φ式中：β— 晶体管电流放大倍数；Ιφ— C-b 结光敏二极管光电流； ω— 光调制角频率；r be — 基极发射极正向电阻； Сbe — 基极发射极电容； Сce — 集电极发射极电容。

恒定光照时：R l0U =βΦI R l与光敏二极管相比，信号放大了β信。

但不同的ΦI ，有不同的β值，所以，光敏二极管的输出信号与输入信号没有很严格的线性关系，这是光敏三极管的不足之处，在选用时，我们应考虑到这一特点。

2．基本特性 ① 光谱特性所有光敏晶体管都具有光谱特性，例如，硅光敏晶体管的响应频率段约在～μm 波长范围内；灵敏峰值在μm 附近。