光电式传感器测量转速

任务描述

光电式传感器是一种基于光电效应的传感器，利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等检测能转换成光学量变化的其他非电学量。

光电转速传感器为非接触式测转速的方法，测量误差更小，精度更高;光电转速传感器的结构紧凑，非常便于携带、安装和使用;光电转速传感器的抗干扰性好;光电转速传感器的测量能力好，运行稳定，有良好的可靠性，测量的精度较高，能满足使用者的测量要求。

任务目标

●掌握光电传感器性能检测方法

●学会根据实际要求选用光电接近开关

●学会光电传感器的应用场合和应用方法

任务分析

在环境磁场较强的场合测速时，不适宜采用磁性传感器，而光电传感器则可以解决这一问题。利用光电传感器实现转速测量时，可以采用光电反射、光电对射式测量，也可采用光电编码器来实现。

任务实施

一、任务准备

采用光电反射式传感器测量转速时，只需在转轴上贴一张反光纸或涂黑的纸即可，如图3-7所示。

光电反射实现起来简单、方便，每转一圈产生一个脉冲信号，一般用于便携式转速测量仪。实际应用中通常采用红光电传感器，这一类传感器目前也比较多，如ST602型，其结构、底视图及内部电路示意图如图3-8所示，参数见表3-3。ST602的测量距离为4～10mm。

图3-7 光电反射示意图

图3-8 ST602外形结构与引脚图

表3-3 ST602的光电特性(Ta=25℃)

采用光电对射(也称直射或透射)测量转速时，其测量结构示意图如图3-9(a)所示。它是在转轴上安装一个圆盘，圆盘边缘开若干个孔(比如60个)，这样圆盘每转一圈即可产生60个脉冲信号。如ST155光电直射传感器，其结构如图3-9(b)所示，内部原理示意图如图3-9(c)所示，参数见表3-4。

图3-9 光电直射式传感器示意图

表3-4 ST155的光电特性(Ta=25℃)

采用光电传感器实现转速测量时，要设计检测电路及信号处理电路，最终得到标准的脉冲信号(如TTL电平)。虽然电路比较复杂，但价格便宜，很容易实现一个测速系统。

除了使用光电传感器之外，还可以采用光电接近开关来实现。光电接近开关是将输入及控制电路及输出电路、信号处理电路做成一个整体，其输出就是标准的脉冲信号，使用起来比较方便，其输出可直接接转速测量仪表。

二、任务实施

光电转速仪由光电转盘、光电对射传感器、闸门、时基信号产生电路及计数与显示装置等部分组成，其整机电路原理如图3-10所示。

图3-10 光电转速仪电路原理图

图中，光电转盘安装在被测转轴上，与被测轴同时转动。光被遮住时，由光电传感器组成的检测电路输出为低电平(此时流过电阻R5的电流为暗电流，非常小);转盘上的小孔转到传感器时，光电传感器接收到光信号，输出为高电平，之后又为低电平;这样，转盘上每个小孔经过传感器时，传感器输出一个脉冲信号，每转一圈就可产生60个脉冲信号。此信号与时基电路产生的时基信号同时被送到闸门U3A输入端，如果此时时基信号为低电平，则闸门呈关闭状态，转速信号无法通过闸门加到计数器输入端。时基电路产生的闸门信号为高电平时，打开闸门U3A，此时转速信号加到计数器输入端;同时，闸门信号也加到由R6、R7、R8、C3、VD2及VD3组成的微分复位电路，在R8上产生的复位脉冲使计数器清零;而且，该闸门信号也使LE端呈寄存状态，在时基信号为高电平期间(1s)，计数器对转速信号进行计数。时基信号变为低电平时，使闸门U3A关闭;该信号使锁存信号端为低电平，将计数器的计数结果送到寄存器中，并经译码器译码后，由驱动电路驱动显示器显示计数结果(转速)。第二个时基信号到来时，又重复上述过程。但在第二次计数期间，寄存器的数据将保持不变，只有当锁存信号再由高到低变化时，才将新的计数结果送入寄存器，以显示新的转速数据。

时基信号产生电路由NE555电路及外围元件构成的一个多谐振荡器组成，闸门信号由3脚输出。RP1用于调节时基信号，使其闸门时间为1s。

计数与显示装置由计数器、寄存器、译码器、驱动器及显示器五部分组成，使电路更简捷，实现直来更方便;可以采用专业模块，如CL102，也可以采用数字电路来实现，此处不再阐述。

系统电源可采用电池供电，也可以采用220V市电经降压、整流、滤波后由三端稳压器7805得到5V电压，电路比较简单，故此处没有给出，读者感兴趣的话可以自己加上去。

三、任务检测

电路制作完成后，即可进行电路调试工作。

1.电源电路调试

如果自己制作电源的话，首先调试电源。检测电源对地电阻，确保无短路现象。接通电源，测量7805的输出电压，应为5V左右，否则应检查相应电路。

2.时基电路调试

接通电源后，用示波器观察闸门信号，通过调节RP1使闸门信号的脉宽为1s。

3.传感器检测电路的调试

启动机器，用示波器观察传感器的输出信号，若没有信号或信号比实际的少，则可能是传感器安装位置过低，适当调整传感器的位置，直到输出信号正常为止。

启动机器，此时数码管显示的即为被测转轴的转速。若数码管显示数据不变，则可用示波器检测送到闸门两输入端及输出端的信号，从而可以判断故障的范围，以进行检修。

相关知识

一、光电器件

1.外光电效应

一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定:

E=hν

式中，h为普朗克常量，其值为6.626×10-34J·s; ν是光的频率，单位为Hz。

所以，光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大;反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。

在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过A0部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理知

式中，m为电子质量;v0为电子逸出速度。

式(3-9)为爱因斯坦光电效应方程。由式(3-9)可知: 光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子;入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比;光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为0，必须加负的截止电压。

2.内光电效应

在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应，称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类:

(1)光电导效应

在光线作用下，半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子—空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减小，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。

(2)光生伏特效应

在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势，这种现象称为光生伏特效应。基于该效应制作的光电器件有光电池。

二、光敏电阻

1.光敏电阻的结构与工作原理

光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可加交流电压。无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流(暗电流)很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，它的阻值(亮电阻)急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。

光敏电阻的结构很简单，图3-11(a)为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂有一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了减小周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图3-11(b)所示。图3-11(c)为光敏电阻的接线图。

图3-11 光敏电阻结构

2.光敏电阻的主要参数

(1)暗电流

光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。

(2)亮电流

光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。

(3)光电流

亮电流与暗电流之差称为光电流。

3.光敏电阻的基本特性

(1)伏安特性

在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端电压的关系，称为光敏电阻的伏安特性。图3-12为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，在一定的电压范围内，光敏电阻I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压、电流无关。

图3-12 硫化镉光敏电阻的伏安特性

(2)光照特性

光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间关系的，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图3-13为硫化镉光敏电阻的光照特性。

图3-13 光敏电阻的光照特性

(3)光谱特性

光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图3-14为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，故常被用作光度量测量(照度计)的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，常用作火焰探测器的探头。

图3-14 光敏电阻的光谱特性

(4)频率特性

实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数(毫秒数量级)，因而它们的频率特性也就各不相同。图3-15为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。相比较而言，硫化铅的使用频率范围较大。

图3-15 光敏电阻的频率特性

(5)温度特性

光敏电阻与其他半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变。尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻，受温度影响更大。图3-16为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。

图3-16 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性

光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外，许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数并不一致，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。

三、光敏二极管和光敏晶体管

1.结构原理

光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射(图3-17)。

光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态(图3-18)，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这个反向电流称为暗电流。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处内电场的作用下定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。

图3-17 光敏二极管结构简图和符号

图3-18 光敏二极管接线图

光敏晶体管与一般晶体管类似，具有两个PN结，如图3-19(a)所示，只是它的发射极一般做得很大，以扩大光的照射面积。光敏晶体管接线如图3-19(b)所示，大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压。当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高。这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。

图3-19 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路

光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图3-20是达林顿光敏管的等效电路，它是由一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，输出电流的能力大大加强，甚至可以不必经过进一步放大便可直接驱动灵敏继电器。但由于该光敏管无光照时的暗电流也很大，适合于开关状态或位式信号的光电变换。

图3-20 达林顿光敏管的等效电路

图3-21 光敏二极(晶体)管的光谱特性

2.基本特性

(1)光谱特性

光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流(或用相对灵敏度表示)与入射光波长的关系。硅和锗光敏二极(晶体)管的光谱特性曲线如图3-21所示。从曲线可以看出硅管的峰值波长约为0.9μm，锗管的峰值波长约为1.5μm，此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，性能较差，故在可见光或探测炽热状态物体时一般都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。

(2)伏安特性

图3-22(a)为硅光敏二极管的伏安特性，横坐标表示所加的反向偏压。当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行。所以，只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。图3-22(b)为硅光敏晶体管的伏安特性，图中纵坐标为光电流，横坐标为集电极—发射极电压。

图3-22 硅光敏管的伏安特性

(3)频率特性

光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流(或相对灵敏度)随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10μs。光敏晶体管的频率特性受负载电阻的影响，图3-23为光敏晶体管频率特性，减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小。

图3-23 光敏晶体管的频率特性

(4)温度特性

光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图3-24所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小［图3-24 (b)］，而对暗电流影响很大［图3-24(a)］。所以，在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。

图3-24 光敏晶体管的温度特性

四、光电耦合器件

光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。根据其结构和用途不同，它又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。

1.光电耦合器

光电耦合器的发光元件和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。发光器件通常采用砷化镓发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。光电接收元件可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。图3-25(a)(b)分别为光敏三极管和达林顿光敏管输出型的光电耦合器。为了保证光电耦合器有较高的灵敏度，应使发光元件和接收元件的波长匹配。

图3-25 光电耦合器组合形式

2.光电开关

光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”“关”信号的器件。

图3-26为典型的光电开关结构图。图3-26(a)是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。图3-26(b)是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。

图3-26 光电开关的结构

用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高”“低”(1、0)之分即可。图3-27是光电开关的基本电路示例。图3-27(a)(b)表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况，图3-27(c)表示用晶体管放大光电流的情况。

图3-27 光电开关的基本电路示例

光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装生产线及安全装置中，作为光控制和光探测装置;也可在自动控制系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等。

单元小结

本单元内容为速度的测量，围绕速度这个被测量的测量方式，主要介绍了霍尔式传感器和光电式传感器。本单元通过任务驱动的方式来引入，分别介绍了两种传感器测量速度电路和测量速度原理。

本单元知识点梳理

综合测试

一、填空题

1.霍尔式传感器是利用______效应进行测量的。

2.霍尔式传感器是由______材料制成的，______和______不能用作霍尔式传感器。

3.光电式传感器的工作基础是______效应，能将光信号的变化转换为电信号的变化。

4.按照工作原理的不同，光敏晶体管传感器可分为 ______、 ______、______ 和______四种类型。

5.光电效应通常分为 ______、 ______和 ______三种类型。

二、选择题

1.常用( )制作霍尔式传感器的敏感材料。

A.金属 B.半导体 C. 塑料

2.霍尔式传感器基于( )。

A.霍尔效应 B.热电效应

C.压电效应 D.电磁感应

3.霍尔电动势与( )。

A.激励电流成正比 B.激励电流成反比

C.磁感应强度成反比 D.磁感应强度成正比

4.光敏电阻的工作基础是( )效应。

A.外光电效应 B.内光电效应 C.光生伏特效应

5.光敏电阻在光照下，阻值( )。

A.变小 B.变大 C.不变

三、简答题

1.什么是霍尔效应? 霍尔电动势与哪些因素有关?

2.光电式传感器可分为哪几类? 分别举出几个例子加以说明。

3.光电效应有哪几种? 与之对应的光电元件有哪些?

四、实训题

霍尔转速传感器测速实验(参照附录一实验七)。