光電傳感器論文

1、光電傳感器關鍵字：光電效應 光電元件 光電特性 傳感器分類 傳感器應用 摘要：在科學技術高速發(fā)展的現(xiàn)代社會中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息時代，人們在日常生活，生產(chǎn)過程中，主要依靠檢測技術對信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實現(xiàn)制動控制，自動調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測技術列入優(yōu)先發(fā)展的科學技術之一。 由于微電子技術，光電半導體技術，光導纖維技術以及光柵技術的發(fā)展，使得光電傳感器的應用與日俱增。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反應快以及結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣等優(yōu)點，在自動檢測技術中得到了廣泛應用，它一種是以光電效應為理論基礎，由光電材料構(gòu)成的器件。正文：一、理論基礎光電效應光電效應

2、一般有外光電效應、光導效應、光生伏特效應。光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料表面而進入外界空間，從而改變光電子材料的導電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應根據(jù)愛因斯坦的光電子效應，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律：1 m2=h-A 2式中，m為電子質(zhì)量,v為電子逸出的初速度,A

3、微電子所做的功。由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限hcK=稱為“紅限”。相應的波長為A式中，c為光速，A為逸出功。 當受到光照射時，吸收電子能量，其電阻率降低的導電現(xiàn)象稱為光導效應。它屬于內(nèi)光電效應。當光照在半導體上是，若電子的能量大與半導體禁帶的能級寬度，則電子從價帶躍遷到導帶，形成電子，同時，價帶留下相應的空穴。電子、空穴仍留在半導體內(nèi)，并參與導電在外電場作用下形成的電流。除金屬外，多數(shù)絕緣體和半導體都有光電效應

4、，半導體尤為顯著，根據(jù)光導效應制造的光電元件有固有入射光頻率，當光照在光電阻上，其導電性增強，電阻值下降。光強度愈強，其阻值愈小，若停止光照，其阻值恢復到原阻值。 半導體受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，據(jù)此效應制造的光電器件有光電池，光電二極管，管控晶閘管和光耦合器等。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子，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，半圓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極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料

5、中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初2(2)mv始動能為光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，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子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(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成函數(shù)關系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。當光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極表面逸出，并被光電陽極的正電廠吸

6、收，外電路產(chǎn)生電流I，在負載電阻 R上的電壓U0 L光電管的光電特性如圖3 所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性基本是一條直線。圖3光電管的光電特性 圖2光電管測量電路 2.光電倍曾管 由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)圖構(gòu)示意光圖電倍增4從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A，與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設置了若干個二次發(fā)射電極，D1、D2、D3它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、，倍增電極通常為1015級。光電倍增管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級升高，陽極

7、電位最高。當入射光照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1 ，引起二次電子發(fā)射，一個入射的光電子可以產(chǎn)生多個二次電子， D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這樣逐級產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這些電子最后到達陽極，形成較大的陽極電流。若倍增電極有n級，各級的倍增率為 ，則光電倍增管的倍增率可以認為是N ，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)具有良好的線性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。3、光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應。在半導體

8、光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下：1）暗電阻 光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。2)亮電阻 光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流過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光敏電阻的電流間的關系稱為伏安特性，如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。圖5光敏電阻的伏安特性5、光電特性 光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性

9、，這是光敏電阻的主要缺點之一。6、光譜特性 入射光波長不同時，光敏電阻的靈敏度也不同。入射光波長與光敏器件相對靈敏度間的關系稱為光譜特性。使用時可根據(jù)被測光的波長范圍，選擇不同材料的光敏電阻。7、響應時間 光敏電阻受光照后，光電流需要經(jīng)過一段時間（上升時間）才能達到其穩(wěn)定值。同樣，在停止光照后，光電流也需要經(jīng)過一段時間（下降時間）才能恢復到其暗電流值，這就是光敏電阻的時延特性。光敏電阻上升響應時間和下降響應時間約為10-110-3s，即頻率響應為10Hz1000Hz，可見光敏電阻不能用在要求快速響應的場合，這是光敏電阻的一個主要缺點。8、溫度特性 光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電流增大，

10、靈敏度下降，這也是光敏電阻的另一缺點。9、頻率特性 頻率特性是指外加電壓和入射光強一定是，光電流I與入射光的調(diào)制頻率f之間的關系，I=（f），光電二極管的頻率特性較光電三極管的頻率特性好，這是由于光電三極管的基射結(jié)存在電容和載流子基區(qū)需要時間的緣故。利用內(nèi)光電效率原理制造的光電元件的頻率特性最差，這是由于俘獲載流子和釋放電荷都需要一定時間的緣故。三、光電傳感器 光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如圖6，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精

11、度高,反應快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛.光電傳感器一般由三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路，如圖7所示，發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電開關的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導纖維，三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束

12、準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。圖7光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關系，來達到測量目的的，因此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恒光源，電源穩(wěn)定性的設計至關重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準確性，常用光源有以下幾種：1、發(fā)光二極管 是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。

13、如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，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。3、激光 激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點，是很理想的光源。由光源、光學通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當?shù)臏y量電路。測量電路能夠把光電效應造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測量電路也不相同。下面介紹幾種半導體光電元件常用的測量電路。半導體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備放大器。在要求較大的輸出功率時，可用圖8所示的電路。圖9（a）給

14、出帶有溫度補償?shù)墓饷舳O管橋式測量電路。當入射光強度緩慢變化時，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進行補償。圖中一個光敏二極管做為檢測元件，另一個裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對兩只光敏二極管的影響相同，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖9所示。由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級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。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端

15、并聯(lián)一個電阻?；蛘呦髨D9（b）所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10（c）所示。半導體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖11（a）所示。當光照產(chǎn)生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。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系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電

16、壓由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)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物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上，如測液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等;所

17、謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。而紅外線光電傳感器分類和工作方式一般有以下幾種：1、槽型光電傳感器 把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控

18、制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。2、對射型光電傳感器 若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關就稱為對射分離式光電開關，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。3、反光板型光電開關 把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器

19、收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。4、擴散反射型光電開關 它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關信號。四、我對光電傳感器的想法 隨著科學技術的發(fā)展人們對測量精度有了更高的要求，這就促使光電傳感器不得不隨著時代步伐而更新，改善光電傳感器性能的主要手段就是應用新材料、新技術制造性能更優(yōu)越的光電元件。例如今天光電傳感器的雛形，是一種小的金屬圓柱形設備,發(fā)射器帶一個校準鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝

20、置接到一個真空管放大器上在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈作為光源的一種堅固的白熾燈傳感器。由于這種傳感器存在各種缺陷，逐漸在測量領域銷聲匿跡。到了光纖出現(xiàn)，因為它的各種優(yōu)越的性能，于是出現(xiàn)了光纖與傳感器配套使用的無源元件,另外光纖不受任何電磁信號的干擾,并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一層金屬外皮，這層金屬外皮的密度比光芯要低,因而折射率低，光束照在這兩種材料的邊界處(入射角在一定范圍內(nèi),),被全部反射回來.根據(jù)光學原理,所有光束都可以由光纖來傳輸。兩條入射光束(入射角在接受角以內(nèi))沿光纖長度方向經(jīng)多次反射后,從另一端射出，另一條入射角超出接受

21、角范圍的入射光,損失在金屬外皮內(nèi).這個接受角比兩倍的最大入射角略大,這是因為光纖在從空氣射入密度較大的光纖材料中時會有輕微的折射。光在光纖內(nèi)部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響(彎曲半徑要大于最小彎曲半徑)。大多數(shù)光纖是可彎曲的,很容易安裝在狹小的空間。光電傳感器是一種非接觸式測小型電子測量設備,依靠檢測出其接收到的光強的變化，來達到測量目的，同時它也是一種容易受到外界干擾而失去測量準確度的器件。所以在設計時除了選擇先進光電元件，還必須設置參比信號和溫度補償措施，用來削弱或消除這些因素的影響。光電傳感器必須經(jīng)過光波調(diào)制，光波的調(diào)制像無線電波的傳送和接收，將收音機調(diào)到某臺,就可以忽略其他的無線電波信號未經(jīng)調(diào)制的傳感器只有通過使用長焦距鏡頭的機械屏蔽手段,使接收器只能接收到發(fā)射器發(fā)出的光,才能使其能量變得很高.相比之下,經(jīng)過調(diào)制的接收器能忽略周圍的光,只對自己的光或具有相同調(diào)制頻率的光做出響應.未經(jīng)調(diào)制的傳感器用來檢測周圍的光線或紅外光的輻射,如剛出爐的紅熱瓶子,在這種應用場合如果使用其它的傳感器,可能會有誤動作。光電傳感器由于非接觸、高可靠性等優(yōu)點，在測量時對變被測物體損害小， 所以自其發(fā)明以來就在測量領域有著舉足輕重的地位，目前它已廣泛應用于測量機械量、熱工量、成分量、智能車系統(tǒng)等?，F(xiàn)在它在電力系統(tǒng)自動并網(wǎng)裝