光敏传感器测量转速实验

元件

实验六光敏传感器测量转速
光纤传感器和光电传感器都是光敏传感器。
光纤传感器和光电传感器的物理机理和测量转速的方法各不相同。
光电传感器以光电转换器件为传感元件，主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。
光电转化器可用于检测直接引起光量变化或转化成光量变化的非电量。它具有非接触、响应
快、性能可靠等优点。自光电效应发现至今，光电器件得到飞速的发展和广泛的应用。常用
的光电效应转换器件有光电倍增管、光敏电阻、光电池、光敏二极管和三极管、CCD 等。
这里只简介基于半导体内光电效应的光电转换器件光敏二极管和三极管。
光电传感器通常由四部分组成，如图6-1 所示。其中， 1 x 表示被测量能直接引起光量变
化的检测方式， 2 x 表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。
[实验目的]
1．了解光电传感器测量转速的原理，掌握其测量转速的方法。
2．了解光纤传感器测量转速的原理，掌握其测量转速的方法。
[实验原理]
1．光电效应。
光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的光照射下，释放出光
电子的现象。如果当光照射金属，金属氧化物或半导体材料的表面时，被这些材料内的电子
所吸收，当光子能量足够大（大于材料的禁带宽度ΔEg ，通常本征半导体的禁带宽度
ΔEg ≈ 1ev ）。吸收光子后的电子（称为光电子）挣脱原子束缚并逸出材料表面，这种现象
为光电子发射，又称外光电效应。（基于这种原理工作的光电器件有光电倍增管等。）而有些
物质受到光的照射时，其内部原子释放的电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加。（即
物体的电阻率发生变化或产生电动势，前者称光电导效应，后者为光生伏特效应。）基于这
种原理工作的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管、三极管等。2．光敏二极管和光敏三极管基本工作原理。
光敏二极管的PN 结可以光电导效应工作，也可以光
生伏特效应工作。如图6-2 所示，处于反向偏置的PN 结
在无光照时显高阻特性，反向暗电流很小，一般为nA（纳
安）数量级；当光照时，结区产生电子一空穴对，在结电场图6-2 光电二极管原理图
作用下，电子向N 区运动，空穴向P 区运动，形成光电流，方向与反方向电流一致。光的
照度愈大，光电流愈大。光照时的反向电流基本上与光强成正比。
光敏三极管可看作是一个bc 结为光敏二极管的三极管。
其原理和等效电路如图6-3 所示。在光照作用下，光敏二极
管将光信号转换成电流信号，再被晶体三极管放大。当晶体
管电流增益为β 时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二图6-3 光电三极管原理图
极管大β 倍。
3．光电传感器测量转速的原理。
光电传感器测量转速原理如图6-4 所
示。在电机轴上装一机械调制盘，由发光
二极管发出的恒定红外光，以遮断式工作
方式调制成随时间变化的调制光。同时，
利用光电转换元件光敏三极管（3DU）受
光照或元件光照时“有”或“无”信号输
出的光电开关特性，将被测量转换成持续
变化的开关信号。然后，经放大、整形电图6-4 光电传感器测量转速原理图
路，输出整齐的脉冲（方波）信号。转速可由脉冲信号的频率来决定。
4．反射式强度外调制光纤传感器测量转速的原理。
当光纤探头与反射面的相对位置发生周期
性变化，光电转换器输出电量也发生相应变化，
经V/F 电路转换，成方波频率信号输出。
反射面是一脉冲调宽式机械制盘，如图
6-5（a）所示。调制盘绕中心轴旋转目标像点
不动。当目标像点落于中心轴附近，反射的辐
射波形如图6-5（b）所示。而当目标像点落于图6-5 脉冲宽度调制盘