光電傳感器論文487260001

1、題目：光電傳感器院系：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)：物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)號(hào)：姓名：時(shí)間：2014.5.14光電傳感器在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，人類巳經(jīng)入瞬息萬(wàn)變的信息時(shí)代，人們?cè)谌粘Ｉ?，?產(chǎn)過(guò)程中，主要依靠檢測(cè)技術(shù)對(duì)信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)，目 前我國(guó)已將檢測(cè)技術(shù)列入優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。由于微電于技術(shù)，光電半導(dǎo)體技術(shù)， 光導(dǎo)纖維技術(shù)以尺光柵技術(shù)的發(fā)展，使得光電傳感器的應(yīng)用與日俱增。這種傳感器具有結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、非接觸、高可靠性、高精度、可測(cè)參數(shù)多、反應(yīng)快以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單形式靈活多樣等優(yōu) 點(diǎn)，在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中得到丁廣泛應(yīng)用，它一種是以光電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，由光電材料構(gòu)成 的器件。

2、一、理論基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng)一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。光照在照在光電材料上，材料表面的電于吸收的能長(zhǎng)、若電于吸收的能長(zhǎng)足夠大是，電 于會(huì)克服束縛脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，從而改變光電于材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為 外光電效應(yīng)根據(jù)爰因斯坦的光電于效應(yīng)，光子是運(yùn)動(dòng)著的粒于流，每種光于的能長(zhǎng)為hv（v為光波 頻率，h為普朗克常數(shù)，h = 6.63*10-34 J/HZ）,由此可見(jiàn)不同頻率的光于具有不同的能長(zhǎng)， 光波頻率越高，光于能長(zhǎng)越大。假設(shè)光于的全部能晝交給光于，電于能長(zhǎng)將會(huì)增加，増加的 能長(zhǎng)一部分用于克服正離于的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電于能長(zhǎng)根據(jù)能長(zhǎng)守恒定律：mv2 = hv- A

3、2式中，m為電于質(zhì)長(zhǎng),v為電于逸出的初速度,A微電于所做的功。由上式可知，要使光電于逸出陰極表面的必要條件是hAo由于不同材料具有不同的 逸出功，因此對(duì)每一種陰極材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻 率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電于發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長(zhǎng)Xx式 he中，C為光速，A為逸出功。久K =K二、光電元件及特性根據(jù)外光電元件制造的光電元件有光電于，充氣光電管和光電倍曾管。1. 光電管 光電管的種類繁多，典型的產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管，光它的外形和 結(jié)構(gòu)如圖1所示，半凰筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽(yáng)極A封 裝在抽成真空的

4、玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光于就把它的全部能長(zhǎng)傳遞給陰極 材料中的一個(gè)自由電于，從而使自由電于的能旻增加h。當(dāng)電于獲得的能長(zhǎng)大于陰極材料的 逸出功A時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電于發(fā)射。這種電于稱為光電于， 光電于逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為（1/2”光電管正常工作時(shí)，陽(yáng)極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于“紅限”的前 提下，從陰極表面逸出的光電于被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電于流, 稱為光電流。此時(shí)若光強(qiáng)增大，轟擊陰極的光于數(shù)増多，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電于數(shù)也就增 多，光電流變大。在圖2所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從 而實(shí)

5、現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)光線照射到光電陰極K上時(shí)，電于從陰極表面逸出，并被光電陽(yáng)極的 正電廠吸收，外電路產(chǎn)生電流I,在負(fù)載電阻只上的電壓5光電管旳光電特性如圖3所示，從圖中可知，在光通長(zhǎng)不太大時(shí)，光電特性基本是一U圖1光電光結(jié)構(gòu)示總圖2光電倍曾管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制丁具有放大光電流能力的光 電倍增管。圖4是光電倍増管結(jié)構(gòu)示意圖。圖4光電倍増 結(jié)構(gòu)示意圖從圖中可以看到光電倍増管也有一個(gè)陰極K和一個(gè)陽(yáng)極A,與光電管不同的是在它的 陰極和陽(yáng)極間設(shè)直了若干個(gè)二次發(fā)射電極，PH、D2、D3它們稱為第一倍增電極、第二倍 増電極、，倍增電極通常為1015級(jí)。光電倍増管工作時(shí)，相鄰電極之間保持一定電位

6、 差，其中陰極電位最低，各信增電極電位逐級(jí)升高，陽(yáng)極電位最高。當(dāng)入射光照射陰極K 時(shí)，從陰極逸出的光電于被第一倍增電極E加速，以高速轟擊D1 ,弓|起二次電于發(fā)射， 一個(gè)入射的光電于可以產(chǎn)生多個(gè)二次電子，D1發(fā)射出的二次電于又被DI、02問(wèn)的電場(chǎng)加 速，射向D2并再次產(chǎn)生二次電于發(fā)射，這樣逐級(jí)產(chǎn)生的二次電于發(fā)射，使電于數(shù)星迅 速增加，這些電于晟石到達(dá)陽(yáng)極，形成較大的陽(yáng)極電流。若倍増電極有n級(jí)，各級(jí)的倍增率 為e ,則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是cN ,因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出 電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良奸的線性關(guān)系。光電倍増管 的這個(gè)特點(diǎn)，使它多用于

7、微光測(cè)長(zhǎng)，3、光敏電阻光敏電阻的工作原理是墓于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上 電極引線，將其封在帶有透明竊的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下:1）暗電阻光敏電阻直于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)電阻 的電流稱為暗電流。2）亮電阻光敏電阻直于室溫和一定光照條件下測(cè)得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時(shí)流過(guò) 電阻的電流稱為亮電流。4、伏安特性光敏電阻兩端所加的電壓和流過(guò)光敏電阻的電流間的關(guān)系稱為伏安特性, 如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時(shí)應(yīng)限制光敏電阻兩端的電壓，以免 超過(guò)虛線所示的功耗區(qū)。5. 光電特性 光敏電阻兩極間電壓固定不變時(shí)，光照度與亮電

8、流間的關(guān)系稱為光電特 性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點(diǎn)之一。三. 光電傳感器光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如 圖6,它首先把被測(cè)長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)光電傳感器一般由光源，光學(xué)通路和光電元件三部分組成光電檢測(cè)方法具有精度高, 反應(yīng)快，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參教多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器 在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛.光源f信號(hào)電子測(cè)可用信號(hào)量電路電參星圉6光電伎感器的基本結(jié)構(gòu)圖7光電傳感器是一種依靠被測(cè)物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來(lái)達(dá)到測(cè)長(zhǎng)目的的，因此

9、 光電傳感器的光源扮演著很重:要的角色，光電傳感器的電源要是一個(gè)恒光源，電源穩(wěn)定性的 設(shè)計(jì)至關(guān)重:要，電源的檢定性宜接影響到測(cè)長(zhǎng)的準(zhǔn)確性，常用光源有以下幾種：1、發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命 長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電站相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器 儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對(duì)紅外 光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)可加濾色片將鴨絲燈泡的可見(jiàn)光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這 樣，可有效防止其他光線的干擾。光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可

10、以配以放大 電路,如圖9所示。0/甸9光敏晶粹管測(cè)墾電路Q光敏二極管測(cè)量電昭 3光敏三極管測(cè)量電昭由于光敏電池即使在強(qiáng)光照射下，曇大輸出電壓也僅0.6V,還不能使下一級(jí)晶體管有 較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9 (a)所示。為丁減小晶體管基板電路阻抗變 化，盡星降低光電池在無(wú)光照時(shí)承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個(gè)電阻?；蛘呦髨D 9 (b)所示的那樣利用錯(cuò)二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時(shí)產(chǎn)生的電壓疊加，使硅 管6 b極間電壓大于0.7V,而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10 (c)a)所示。圖10光電也測(cè)星電路半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電笳也可以使用集成運(yùn)算放大

11、器。硅光敏二極管通過(guò)集成運(yùn) 放可得到較大輸出幅度，如圖11 （a）所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為時(shí)，輸出電壓為了保證 光敏二極管處于反向偏直，在它的正極要加一個(gè)負(fù)電壓。圖11 （b）給出硅光電池的光電轉(zhuǎn) 換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運(yùn)放的正、反相輸入端之 間，利用這兩端電位差接近于零的特點(diǎn)，可以得到較奸的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓U =U 11使用放大器的光敏元件放大電路a）硅光敏二極管放犬電路b）硅光電池放犬電路由光通長(zhǎng)對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件 （光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)）輸出長(zhǎng)性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開(kāi)關(guān)）式光電傳感器模擬 式光電傳感器是將被測(cè)長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)長(zhǎng)間呈單值關(guān)系模擬式光電傳 感器按被測(cè)長(zhǎng)德測(cè)目標(biāo)物體）方法可分為透射（吸收）式，漫反射式,遮光式（光束阻檔）三大類所 謂透射式是指被測(cè)物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能長(zhǎng)穿過(guò)被測(cè)物，部份被吸收后,透射光 投射到光電元件上，如測(cè)液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計(jì)等;所謂漫反射式是指恒 光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上，再?gòu)谋粶y(cè)物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫