光電傳感器在的應(yīng)用

1、光電傳感器的研究 摘要:隨著微電子技術(shù)、光電半導(dǎo)體技術(shù)、光導(dǎo)纖維技術(shù)以及光柵技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，光電傳感器種類也日益增多，光電傳感器得到越來越多的應(yīng)用。且光電傳感器具有其他傳感器不能取代的優(yōu)越性，故它還具有很大的發(fā)展前景。光電傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，它由光電材料構(gòu)成的器件，既用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，也可用來檢測(cè)其他的能轉(zhuǎn)換成光量變化的非電量。此外，光電傳感器還具有非接觸測(cè)量、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此它被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)中。關(guān)鍵詞：光電傳感器 光電效應(yīng) 傳感器應(yīng)用 傳感器特點(diǎn) Pick to: With the appear and development of microe

2、lectronic technique , photoelectric semiconductor technology,optical fiber technology ,and grating technology, he types of photoelectric sensor become increasing ,which makes photoelectric sensor more be used. Moreover, photoelectric sensor and sensor cannot replace the other advantages , therefore

3、it also has great development prospects.The physical basis of the photoelectric sensor is the photoelectric effect, device which is composed of a photoelectric material, both for detecting directly caused by light changing non-electrical, can also be used to detect other energy converted into light

4、changes of non-electric. In addition, the photoelectric sensor also has non-contact measurement, fast response, reliable performance, etc, so it is widely used in all walks of life.Key words: photoelectric sensor, the photoelectric effect, Sensor applications,Sensor characteristics1. 引言隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展

5、，自動(dòng)化已經(jīng)應(yīng)用到各行各業(yè)中，而一個(gè)國(guó)家的自動(dòng)化水平是用檢測(cè)與轉(zhuǎn)換儀表以及傳感器的種類和數(shù)量的多少來衡量的，故傳感器在先當(dāng)社會(huì)中發(fā)揮著很重要的作用。基于這個(gè)背景，產(chǎn)生了光電傳感器這個(gè)實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)課題。光電傳感器的應(yīng)用非常廣泛，且光電式傳感器的種類和形式很多，故本文將在正文中簡(jiǎn)要介紹光電傳感器的特點(diǎn)、分類、各種傳感器的工作原理以及技術(shù)參數(shù)和傳感器的應(yīng)用。了解這些內(nèi)容后，我們可以輕松的確定出在那種場(chǎng)合，應(yīng)該選用那種光電傳感器比較好，讓它既可以滿足控制的要求和具有較高的可靠性，又能最大的滿足其經(jīng)濟(jì)性，以減小投資。2.光電傳感器的特點(diǎn) （1）可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。 光電測(cè)量時(shí)不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，傳感器使用壽

6、命長(zhǎng)，對(duì)被檢物無損害。 （2） 可實(shí)現(xiàn)顏色判別。 利用被測(cè)物體光的反射率和吸收率，根據(jù)被投光的光線波長(zhǎng)和被測(cè)物體的顏色組合的差異性，對(duì)被測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。（3） 檢測(cè)精度高，可靠性高。 通過設(shè)計(jì)可使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)高分辨率，可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。（4） 對(duì)被測(cè)物體限制少。 在光電傳感器檢測(cè)物體時(shí)，以檢測(cè)物體引起的遮光、反射、直射為檢測(cè)原理，所以可對(duì)金屬、木材、液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)。（5） 反應(yīng)快，響應(yīng)頻率高。 光本身具有高速的特性，且傳感器電路都是電子器件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間極短，使得單位時(shí)間內(nèi)響應(yīng)的頻率

7、提高。（6） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可測(cè)參數(shù)多。 一般僅有光源、光學(xué)通路和光電元件組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、加速度、位移、溫度、濃度、濁度等參數(shù)的測(cè)量。3.光電傳感器的分類 由于光通量對(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，觀點(diǎn)傳感器也有很多種類，常有以下幾種分類方法。 根據(jù)傳感器傳感頭設(shè)計(jì)的原理不同可以分為：有源型光電傳感器和無源型光電傳感器兩種。 根據(jù)光電效應(yīng)原理，光電傳感器可分為： 外光電效應(yīng)：光電管、光電倍增管等 內(nèi)光電效應(yīng)：光敏電阻、光敏晶體管等 光生伏特效應(yīng)：光電池等 按照光電傳感器中光電元件輸出電信號(hào)的形式可分為模擬式和脈沖式兩大類。(1) 、模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器中

8、光電元件接收的光通量隨被測(cè)量連續(xù)變化，故輸出的光電流也是連續(xù)變化的，且與被測(cè)量呈某種確定的單值函數(shù)關(guān)系，例如：位移式光電傳感器。根據(jù)被測(cè)物、光源、光電元件三者之間的關(guān)系，又可將次類傳感器分為下述四種類型，如圖3-1所示。（1） 光源本身是被測(cè)物，被測(cè)物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)，如高溫比色溫度計(jì)、光照度計(jì)、照相機(jī)曝光量控制等，如圖3-1 a）所示。（2） 恒光源發(fā)射的光通量穿過被測(cè)物，一部分光由被測(cè)物吸收，剩余部分投射到光電元件上，吸收量決定與被測(cè)物的某些參數(shù)，如透明度計(jì)、濁度計(jì)等，如圖3-1 b）所示。（3） 恒光源發(fā)出的光通量投射到被測(cè)物體，然后從被測(cè)

9、物體表面反射到光電元件體上，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的某些參數(shù)，如用反射式光電測(cè)轉(zhuǎn)速、測(cè)量工件表面粗糙度、紙張的厚度等，如圖3-1 c）所示。（4） 恒光源發(fā)出的光通量在到達(dá)光電元件的途中遇到被測(cè)物，照射到光電量、工件尺寸測(cè)量等，如圖3-1 d)所示。 圖3-1 光電傳感器的類型a） 被測(cè)物是光源；b）被測(cè)物吸收光通量；c）被測(cè)物有反射光的表面；d）被測(cè)物遮擋光通量 1被測(cè)物；2光電元件；3恒光源(2) 、脈沖式光電傳感器 脈沖式光電傳感器的光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的，故光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，既“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)。它的輸出通常是有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖信號(hào)，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式

10、轉(zhuǎn)速測(cè)量等場(chǎng)合。例如：轉(zhuǎn)速傳感器、光柵式傳感器4.光電傳感器的結(jié)構(gòu) 光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制的，它通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分構(gòu)成，如圖4-1所示。 圖4-1 光電傳感器的結(jié)構(gòu)框圖 圖4-1中是光源發(fā)出的光信號(hào)，是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)量可以是或者，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號(hào)I。5.光電傳感器的工作原理及性能參數(shù)光電傳感器是采用光電元件做為檢測(cè)元件的傳感器，它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路的處理，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流輸出。故

11、光電元件使館電傳感器中最重要的部件，而光電元件的工作原理都是基于不同的光電效應(yīng)。所謂的光電效應(yīng)是指:用光照射某一物體，可以看成是一連串能量為hv的光子轟擊在此物體上，此時(shí)光子將能量傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性被一個(gè)電子所吸收，電子得到能量后其狀態(tài)就發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)的物理現(xiàn)象。5.1 外光電效應(yīng)器件5.1.1 工作原理5.1.1.1 光電管 光電管正常工作時(shí),陽(yáng)極電位高于陰極,如圖5-1所示.在人射光頻率大于"紅限"的時(shí),從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引,在光電管內(nèi)形成光電流。此時(shí)若光強(qiáng)增大,轟擊陰極的光子數(shù)增多,單位

12、時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多,光電流變大。在圖5-1所示的電路中,電流和負(fù)荷電阻只上的電壓降U0就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 圖5-1 光電管測(cè)量電路5.1.1.2 光電倍增管光電倍增管工作時(shí)，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(jí)升高，陰極電位最高。當(dāng)有光子入射到光陰極K上,只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功,就會(huì)有電子從陰極的表面逸出而成為光電子。在K和D1之間的電場(chǎng)作用下,光電子被加速后轟擊第一倍增極D1,從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射.每一個(gè)電子的轟擊約可產(chǎn)生35個(gè)二次電子,這樣就實(shí)現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場(chǎng)加速后轟擊

13、D2,.這樣的過程一直持續(xù)到最后一級(jí)倍增極Dn,每經(jīng)過一級(jí)倍增極,電子數(shù)目便被放大一次,倍增極的數(shù)目有813個(gè),最后一級(jí)倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽(yáng)極A收集。若倍增電極有n級(jí),各級(jí)的倍增率為,則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是n,因此,光電倍增管有極高的靈敏度。 圖5-2 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖5.2 內(nèi)光電效應(yīng)器件5.2.1 光敏電阻1、 工作原理 圖5-3 光敏電阻器的工作原理圖 光敏電阻是一種內(nèi)光電效應(yīng)半導(dǎo)體器件,它的體電阻系數(shù)隨照明強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小。在黑暗的環(huán)境里，它的電阻值很高。當(dāng)有光照射時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，光照會(huì)在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)會(huì)增加半導(dǎo)

14、體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而是光敏電阻阻值下降。光照越強(qiáng)，阻值越低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)將自行復(fù)合，光敏電阻的阻值也會(huì)恢復(fù)原值二、主要參數(shù) 1亮電阻 亮電阻是指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。 2暗電阻 暗電阻是指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時(shí)的電阻值。 3最高工作電壓 最高工作電壓是指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。 4亮電流 視電流是指在無光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓受到光照時(shí)所通過的電流。 5暗電流 暗電流是指在無光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。 6時(shí)間常數(shù) 時(shí)間常數(shù)是指光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的6

15、3%時(shí)所需的時(shí)間。 7電阻溫度系數(shù) 溫度系數(shù)是指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1時(shí)，其電阻值的相對(duì)變化。 8靈敏度 靈敏度是指光敏電阻器在有光照射和無光照射時(shí)電阻值的相對(duì)變化。 9.光電流 光電流是亮電流與暗電流之差。5.2.2 光敏晶體管一、工作原理1.光敏二極管 光敏二極管的外型與一般二極管一樣，常工作在反向偏置的工作狀態(tài)下。當(dāng)無光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小。當(dāng)有光照PN結(jié)且光子能量大于材料的禁止寬度時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使得P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度增大。在外加反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，載流子參于導(dǎo)電，形成很大的反向電流。當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的濃度

16、也相應(yīng)的變化（它們之間成正比），通過外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨著變化，光敏二極管就將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為了電信號(hào)。 圖5-4 光敏二極管結(jié)構(gòu)圖2. 光敏三極管光敏三極管的外型與一般三極管相差不大，如圖所示，它的集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時(shí)，管子流過的電流很小，比一般三極管的穿透電流還小。當(dāng)有光照射在集電結(jié)時(shí)，會(huì)激發(fā)大量的電子-空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大。而三極管的基極電流和集電極電流滿足=（1+），可見集電極電流也將增大。因此，光敏二極管對(duì)電流也有放大作用，將集電極電流放大為愿時(shí)光電流的（1+）倍。 圖5-5 光敏三極管結(jié)構(gòu)圖和工作電路2、 主要參數(shù)l)暗電流。在無光照的情況下，集電極與發(fā)

17、射極間的電壓為規(guī)定值時(shí)，流 過集電極的反向漏電流稱為光敏晶體管的暗電流。2) 光電流。在規(guī)定光照下，當(dāng)施加規(guī)定的工作電壓時(shí)，流過光敏晶體管的 電流稱為光電流，光電流越大，說明光敏晶體管的靈敏度越高。3) 響應(yīng)時(shí)間，光敏晶體管對(duì)人射光信號(hào)的反應(yīng)速度，一般為十的負(fù)三次方到十的負(fù)七次方。4) 集電極一發(fā)射極擊穿電壓。在無光照下，集電極電流I。為規(guī)定值時(shí)， 集電極與發(fā)射極之間的電壓降稱為集電極一發(fā)射極擊穿電壓。5) 最高工作電壓。在無光照下，集電極電流Ie為規(guī)定的允許值時(shí)，集電 極與發(fā)射極之間的電壓降稱為最高工作電壓。6) 最大功率。最大功率指光敏晶體管在規(guī)定條件下能承受的最大功率。5.3 光生伏特效

18、應(yīng)器件一、 工作原理 光電池是一種自發(fā)式的光電元件，它受到光照射時(shí)自身能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)，在不加電源的情況下，只要接通外電路，就有電流流通。光電池種類很多，現(xiàn)以硅光電池為例說明其工作原理。硅光電池的工作是基于光生伏特效應(yīng)的,它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻人一些P型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積PN結(jié)。如圖5-6所示，當(dāng)光照射P區(qū)表面時(shí),若光子能量大于硅的禁帶寬度,則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì),P區(qū)表面吸收的光子最多,激發(fā)的電子空穴最多,越向內(nèi)部越少。這種濃度差便形成從表面向體內(nèi)擴(kuò)散的自然趨勢(shì)。由于PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的,它使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子空穴對(duì)分離,光生電子被推向N區(qū),光生空穴被留在P區(qū).從而使N區(qū)帶負(fù)電,P區(qū)帶正電,形