第10章光电传感器 10.1引言 检测技术是光学与电子学技术相结合而产生的一门新兴的检测技术。它是利用电子 技术对光学信息进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示等。 光电检测装置的核心部分是光电传感器，光电检测与其他检测相比有以下测量优点： ①非接触；②检测速度快，检测精度高；③高可靠性；④能够自动、连续地进行检； ⑤可以进行遥测；⑥结构简单等一系列特点。 测量范围：位移、振动、力、转矩、转速、压力、温度、流量、液位、湿度、液体 浓度、成分、角度、表面粗糙度等。 应用前景：现代科学技术的检测以及机器人技术的大力开发都离不开光电检测技术。 102光电检测系统的基本构成 10.2.1光电检测系统的基本组成 一个完整的光电检测系统包括：信息的获得、变换、处理和显示等部分。具体说： 一个光电检测系统由光电传感器、处理电路、和显示控制等三个基本部分组成如图10-1 所示
第 10 章 光电传感器 检测技术是光学与电子学技术相结合而产生的一门新兴的检测技术。它是利用电子 技术对光学信息进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示等。 光电检测装置的核心部分是光电传感器，光电检测与其他检测相比有以下测量优点： ①非接触；②检测速度快，检测精度高；③高可靠性；④能够自动、连续地进行检； ⑤可以进行遥测；⑥结构简单等一系列特点。 测量范围：位移、振动、力、转矩、转速、压力、温度、流量、液位、湿度、液体 浓度、成分、角度、表面粗糙度等。 应用前景：现代科学技术的检测以及机器人技术的大力开发都离不开光电检测技术。 一个完整的光电检测系统包括：信息的获得、变换、处理和显示等部分。具体说： 一个光电检测系统由光电传感器、处理电路、和显示控制等三个基本部分组成，如图 10-1 所示
·166 传感器技术设计与应用 显示 待检测对象 光电传感器 处理电路 执行 图101光电检测系统的基本组成 10.2.2主要部分的作用 该光电检测系统中光电传感器是核心部分：它以光为媒介、以光电检测器件为手段、 将各种待测量转换成电量(【、V、F),它将决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态响 应等。 处理电路的作用是将光电传感器的输出的微弱电信号进行放大、处理、运算等，以 适应后续显示、控制或执行机构的要求，即处理电路的主要任务：一是现对微弱信号的 检测；二是实现对光源的稳定化. 10.2.3光电传感器的组成 (1)组成：由光源、光学系统、光电探测器三部分组成，如图10-2所示。 光氟一光华系统 待检测对象 光电探测器 图10-2光电传感器构成图 (2)优点：非接触式检测；应速度高，101-10S;测时间范围宽；大量的相关应用。 不仅对光，还能用于检测液面、位置、压力等方面进行检测。 (3)缺点：沾污影响大；外界干扰光影响大；使用温度范围小，不能用于高温
·166· 图 10-1 光电检测系统的基本组成 该光电检测系统中光电传感器是核心部分：它以光为媒介、以光电检测器件为手段、 将各种待测量转换成电量（I、V、F），它将决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态响 应等。 处理电路的作用是将光电传感器的输出的微弱电信号进行放大、处理、运算等，以 适应后续显示、控制或执行机构的要求，即处理电路的主要任务：一是现对微弱信号的 检测；二是实现对光源的稳定化。 （1）组成：由光源、光学系统、光电探测器三部分组成，如图 10-2 所示。 图 10-2 光电传感器构成图 （2）优点：非接触式检测；应速度高，10-1 -10-6S；测时间范围宽；大量的相关应用。 不仅对光，还能用于检测液面、位置、压力等方面进行检测。 （3）缺点：沾污影响大；外界干扰光影响大；使用温度范围小，不能用于高温
第10章光电传感器 ·167+ 10.3光电检测的工作原理及基本结构型式 光电检测是以光信息的变换为基础，它有两种基本工作原理。一种是把待检测量变 换为光信息量，另一种是把待检测量转换为光信息脉冲。 10.3.1把待检测量变换为光信息量 光检测器是以光通量的大小反映检测量的大小。光电检测器的输出往往与入射到它 的光敏面上的光通量成正比。所以光电检测器的光电流大小可以反映待测量的大小，探 测器的输出正比于光敏面光通量。因此，光电流1是检测信息量Q值的函数。 1=f(Q) (10-1) 式(101)是一种摸拟量的信息变换。需要说明以下几点： (1)1的大小与检测量信号的大小、光径强度、光学系统和光电探测器的性能有关。 (2)1时Q的单值函数（需要光径发光稳定，光电探测器的特性稳定， （3)基于这种原理的光电探测器必须采取稳定化的措施。 10.3.2把待检测量变换为光信息脉冲 这种变换是以光脉冲或条涤纹的多少来反映待测量的大小，光电探测器的输出为低电 平和高电平两个状态组成的一系列脉冲数字信息。这里数字信息量T是待测信息量Q的 函数。 T=f(o) (10-2) 式（102)是一种模/数信息转换。需要说明以下几点：
10 ·167· 光电检测是以光信息的变换为基础，它有两种基本工作原理。一种是把待检测量变 换为光信息量，另一种是把待检测量转换为光信息脉冲。 光检测器是以光通量的大小反映检测量的大小。光电检测器的输出往往与入射到它 的光敏面上的光通量成正比。所以光电检测器的光电流大小可以反映待测量的大小，探 测器的输出正比于光敏面光通量。因此，光电流 I 是检测信息量 Q 值的函数。 I f Q = （ ) （10-1） 式（10-1）是一种摸拟量的信息变换。需要说明以下几点： （1）I 的大小与检测量信号的大小、光径强度、光学系统和光电探测器的性能有关。 （2）I 时 Q 的单值函数（需要光径发光稳定，光电探测器的特性稳定）。 （3）基于这种原理的光电探测器必须采取稳定化的措施。 这种变换是以光脉冲或条纹的多少来反映待测量的大小，光电探测器的输出为低电 平和高电平两个状态组成的一系列脉冲数字信息。这里数字信息量Ｔ是待测信息量Ｑ的 函数。 T f Q = （ ) （10-2） 式（10-2）是一种模/数信息转换。需要说明以下几点：
·168 传感器技术设计与应用 (1)数字信息量只取决于光电通量的有无，而与光通量的大小无关。 (2)只要有足够的光通量比区分“1”，”0”两个状态，光径和光电探测器即满足 要求。 10.3.3几种光电变换结构形式 基于上述式(10-1人式(10-2)的两种工作原理，可以组成几种光电变换结构形式 10.3.3.1反射式 如图103所示，由待检测对像把光反射至光电接收器。反射面的状态可以呈光滑的 镜面，也可以呈粗糙状。相应地，光的反射形式有镜面反射和漫反射之区别。他们反射 的物理性质不相同，在光电检测技术中的应用机理也就不同。镜面反射的光技一定的方 向反射，它往往被用来判断光信号的有无.，测量转速就是一个典型的应用实例。如图10-4 所示，轴转动一周，光电探测器4就获得一个由光电源1发出的反射光的脉冲，此脉冲 数就反映了轴的转速。为了加强光在待检测物上的反射作用，往往在待检测物体上另加 反射镜，图104中的小平面镜3就是为了增强反射性能。所谓漫反射是指一束平行光照 射到某种表面上时，光向各个方向反射出去的现象。因此，在漫反射处某一位置上的光 电探测器只能接收到部分反射光，接收到的光通量大小与产生漫反射表面材料的性质、 表面粗糙度及表面缺陷等有关。根据这一原理用来检测物体表面的外观质量。 这种光反射式检测原理，除上述应用实例外，光电测距、激光制导、直至电视摄像
·168· （1）数字信息量只取决于光电通量的有无，而与光通量的大小无关。 （2）只要有足够的光通量比区分“１”，“０”两个状态，光径和光电探测器即满足 要求。 基于上述式（10-1）、式（10-2）的两种工作原理，可以组成几种光电变换结构形式。 10.3.3.1 反射式 如图 10-3 所示，由待检测对象把光反射至光电接收器。反射面的状态可以呈光滑的 镜面，也可以呈粗糙状。相应地，光的反射形式有镜面反射和漫反射之区别。他们反射 的物理性质不相同，在光电检测技术中的应用机理也就不同。镜面反射的光按一定的方 向反射，它往往被用来判断光信号的有无。测量转速就是一个典型的应用实例。如图 10-4 所示，轴转动一周，光电探测器 4 就获得一个由光电源 1 发出的反射光的脉冲，此脉冲 数就反映了轴的转速。为了加强光在待检测物上的反射作用，往往在待检测物体上另加 反射镜，图 10-4 中的小平面镜 3 就是为了增强反射性能。所谓漫反射是指一束平行光照 射到某种表面上时，光向各个方向反射出去的现象。因此，在漫反射处某一位置上的光 电探测器只能接收到部分反射光，接收到的光通量大小与产生漫反射表面材料的性质、 表面粗糙度及表面缺陷等有关。根据这一原理用来检测物体表面的外观质量。 这种光反射式检测原理，除上述应用实例外，光电测距、激光制导、直至电视摄像
第10章光电传感器 ·169· 等均属于此种原理， 1光源2待检物体3光电探测器 1光源2转轴3小平面棱4光电探测器 图10-3反射式图 图104转速测量原理图 10.33.2透射式 光透过待检测物体，其中一部分光通量被待检测物吸收或散射，另一部分光通量透 过待检测物体由光电探测器接受，如图10-5所示被吸收或散射的光通量的数值决定于 待检测物体的性质。例收如，光透过均匀介质时，光被吸收，其吸收或减弱的规律为 (10-3) /3 1一光源2一透镜3一待测物体4一光电探测器 图10-5透射式 式中，16为入射到特检测物介质表面的光通量；a为介质吸收系数，d为介质厚度 液体或气体介质（待检测物）的厚度d为一定时，光电探测器上接收到的光通量Q
10 ·169· 等均属于此种原理。 图 10-3 反射式图 图 10-4 转速测量原理图 10.3.3.2 透射式 光透过待检测物体，其中一部分光通量被待检测物吸收或散射，另一部分光通量透 过待检测物体由光电探测器接受，如图 10-5 所示。被吸收或散射的光通量的数值决定于 待检测物体的性质。例如，光透过均匀介质时，光被吸收，其吸收或减弱的规律为 I= 0 I - d e （10-3） 图 10-5 透射式 式中，I0 为入射到待检测物介质表面的光通量； 为介质吸收系数，d 为介质厚度。 液体或气体介质（待检测物）的厚度 d 为一定时，光电探测器上接收到的光通量 Q
·170 传感器技术设计与应用 仅与待检测介质的浓度有关（因吸收系数α与介质的浓度成正比， 应用这种透射式结构，可以用于检测液体或气体的浓度、透明度或混浊度；检测透 明容器的疵病；测量胶片的密度等。 10.3.3.3辐射试 如图10-6所示，待检测物体1本身就是辐射源，它发出的辐射能强弱与待检测物1 的性质（例如温度的高低）有关，用光电探测器3检测其辐射量的大小，就能确定待测 量的大小。辐射高温计、火警报警器、热成像仪等均应用了这种辐射式变换形式。 1一待检物2一透镜3一光电探测器 图106辐射式图 10.3.3.4遮挡式 待检测物遮挡部分或全部光束，或周期性地遮挡光 束，如图10-7所示根据被遮挡光同量的大小就可以确 定待检测物的大小，或者待检测物的位移量；根据被遮 1一光源2一待测物体3一光电深测器 图10-7遮挡式 挡光束的次数就可确定待测物体的个数，或者待测物的
·170· 仅与待检测介质的浓度有关（因吸收系数 与介质的浓度成正比）。 应用这种透射式结构，可以用于检测液体或气体的浓度、透明度或混浊度；检测透 明容器的疵病；测量胶片的密度等。 10.3.3.3 辐射式 如图 10-6 所示，待检测物体 1 本身就是辐射源，它发出的辐射能强弱与待检测物 1 的性质（例如温度的高低）有关，用光电探测器 3 检测其辐射量的大小，就能确定待测 量的大小。辐射高温计、火警报警器、热成像仪等均应用了这种辐射式变换形式。 图 10-6 辐射式图 10.3.3.4 遮挡式 待检测物遮挡部分或全部光束，或周期性地遮挡光 束，如图 10-7 所示。根据被遮挡光同量的大小就可以确 定待检测物的大小，或者待检测物的位移量；根据被遮 挡光束的次数就可确定待测物体的个数，或者待测物的 图 10-7 遮挡式
第10章光电传感器 ·171· 运动速度等，相应的可用于产品计数、光控开关以及防盗报警等。 10.3.3.5干涉式 如图10-8所示，由光源1发出的光线经过透镜2照射到分束器3（它可以是半透明 半反射的平面镜或棱镜)上，经分光面把光线分成两路，一路α射向平面反射镜4作为 参考光，另一路b射向待检测物上，从待检测物中得到待测信息。例如，图10-8(a) 中的待测信息可以是位移和振动等。图10-8(b)中的待测信息可以是待测物体折射率 的变化，即浓度或成份变化的信息。光线a和b经过4与5后又一起射向光电探测器6， 在光电探测器上可检测到干涉条纹信号。 因此，干涉发可用于检测位移、振动、流体的浓度、折射率等。它的检测灵敏度和 精度很高，动态范围亦大，但结构和检测电路复杂，成本亦高 光源2一透镜3一分光器4一反射镜5一待测物体6一光电探测器 图10-8干涉法
10 ·171· 运动速度等，相应的可用于产品计数、光控开关以及防盗报警等。 10.3.3.5 干涉式 如图 10-8 所示，由光源 1 发出的光线经过透镜 2 照射到分束器 3（它可以是半透明 半反射的平面镜或棱镜）上，经分光面把光线分成两路，一路 射向平面反射镜 4 作为 参考光，另一路 b 射向待检测物上，从待检测物中得到待测信息。例如，图 10-8（a） 中的待测信息可以是位移和振动等。图 10-8（b）中的待测信息可以是待测物体折射率 的变化，即浓度或成份变化的信息。光线 a和 b 经过 4与 5 后又一起射向光电探测器 6， 在光电探测器上可检测到干涉条纹信号。 因此，干涉发可用于检测位移、振动、流体的浓度、折射率等。它的检测灵敏度和 精度很高，动态范围亦大，但结构和检测电路复杂，成本亦高。 图 10-8 干涉法
·172 传感器技术设计与应用 10.3.4几个光度学单位 10.3.4.1光强度单位 光强度单位是坎德拉，1967年在法国巴黎的第13次国际度量衡会议上规定，在铂 的凝固点（约2042K)和气压为101.325帕斯卡下的绝对黑体，当其面积等于1V600000 平方米时，沿着法线方向所发出的光的发光强度为/发光强度单位，称为1坎德拉。 10.3.4.2光通量的单位 光通量单位流明(lm)(lumen),它是1坎德拉的光源发射到单位立体角的光通量。 10.3.4.3照度的单位 照度单位是辐透，相当于1流明的光通量均匀的分布在1立方厘米的面积上时所产 生的照度。为了实用的目的，有采用毫辐透和勤克斯等单位。 面发光的单位和照度单位相同。 1勤克斯相当于1流明的光通量均匀分布在1平方米的表面上所产生的照度。 1勤克斯(1X)=10~4辐透=101毫辐透。 10.3.4.4亮度的单位：熙提 亮度的单位是熙提，1平方厘米表面沿着它的法线方向发出1坎德拉强度的那块面 积的亮度
·172· 10.3.4.1 光强度单位 光强度单位是坎德拉，1967 年在法国巴黎的第 13 次国际度量衡会议上规定，在铂 的凝固点（约 2042Ｋ）和气压为 101.325 帕斯卡下的绝对黑体，当其面积等于 1/600000 平方米时，沿着法线方向所发出的光的发光强度为／发光强度单位，称为 1 坎德拉。 10.3.4.2 光通量的单位 光通量单位流明（lm）（lumen），它是 1 坎德拉的光源发射到单位立体角的光通量。 10.3.4.3 照度的单位 照度单位是辐透，相当于 1 流明的光通量均匀的分布在 1 立方厘米的面积上时所产 生的照度。为了实用的目的，有采用毫辐透和勤克斯等单位。 面发光的单位和照度单位相同。 1 勤克斯相当于 1 流明的光通量均匀分布在 1 平方米的表面上所产生的照度。 1 勤克斯（1X）＝10－４辐透＝10－１毫辐透。 10.3.4.4 亮度的单位：熙提 亮度的单位是熙提，1 平方厘米表面沿着它的法线方向发出 1 坎德拉强度的那块面 积的亮度
第10章光电传感器 ·173· 10.3.4.5光功当量 光功当量是为了获得1流明光通量引起感觉所必需的功率。 10.3.4.6发光效率 发光效率为光功当量的倒数称为发光效率。 10.4光电传感器 10.4.1光电效应 光电传感器的理论基础是光电效应。光电效应一般分为外光电效应、内光电效应。 内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。 10.4.1.1光电效应 光电效应：光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子（称为光子）所构成，每 个光子具有的能量M正比于光的频率v,当光束投射到固体表面时，进入体内的光子 如果直接与电子起作用（吸收、动量传递等），引起电子运动状态的改变，则固体的电 学性质随之发生改变，这类现象统称为固体的光电效应。 （1)外光电效应 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射 效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料
10 ·173· 10.3.4.5 光功当量 光功当量是为了获得 1 流明光通量引起感觉所必需的功率。 10.3.4.6 发光效率 发光效率为光功当量的倒数称为发光效率。 光电传感器的理论基础是光电效应。光电效应一般分为外光电效应、内光电效应。 内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。 10.4.1.1 光电效应 光电效应：光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子（称为光子）所构成，每 个光子具有的能量 M 正比于光的频率ν ，当光束投射到固体表面时，进入体内的光子 如果直接与电子起作用（吸收、动量传递等），引起电子运动状态的改变，则固体的电 学性质随之发生改变，这类现象统称为固体的光电效应。 （1）外光电效应 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射 效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料
·174 传感器技术设计与应用 (2)内光电效应 在光线作用下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体电阻率发生改变或产生 光生电动势的效应称为内光电效应。 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量后而引起物质电导率发生变化的现 象称为光电导效应。 光生伏特效应（阻挡层光电效应）：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动 势的现象。光电池、光敏晶体管等属于这类光电器件。 10.4.2光电管 10.4.2.1结构 光电管的结构如图10-9所示。在一个真空的玻璃 泡内，装有两个电极：光电阴极，光电阳极。光电阴极 有的是帖附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属 图109光电管的结构 片上，阴极对光敏感的一面是向内的，在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。 10.4.2.2原理 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这 样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流
·174· （2）内光电效应 在光线作用下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体电阻率发生改变或产生 光生电动势的效应称为内光电效应。 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量后而引起物质电导率发生变化的现 象称为光电导效应。 光生伏特效应（阻挡层光电效应）：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动 势的现象。光电池、光敏晶体管等属于这类光电器件。 10.4.2.1 结构 光电管的结构如图 10-9 所示。在一个真空的玻璃 泡内，装有两个电极：光电阴极，光电阳极。光电阴极 有的是帖附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属 片上，阴极对光敏感的一面是向内的，在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。 10.4.2.2 原理 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这 样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。 图 10-9 光电管的结构