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