《光電傳感器論》word版

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1、光電傳感器 摘要：在科學(xué)技術(shù)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(shù)對信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實(shí)現(xiàn)制動控制，自動調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測技術(shù)列入優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。 由于微電子技術(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)簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反應(yīng)快以及結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，在自動檢測技術(shù)中得到了廣泛應(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。 關(guān)鍵字：檢測技術(shù)；傳感器；光電效應(yīng) 一、理論基礎(chǔ)——光電效應(yīng)

2、 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(jìn)入外界空間，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng) 根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運(yùn)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)，h＝6.63*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(shè)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： 式中，m為電子質(zhì)量,v為

3、電子逸出的初速度,A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(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強(qiáng)多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長為 式中，c為光速，A為逸出功。 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

4、封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)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中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光

5、電轉(zhuǎn)換。當(dāng)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收，外電路產(chǎn)生電流I，在負(fù)載電阻 上的電壓 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 圖1光電光結(jié)構(gòu)示意圖 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。 圖4光電倍增結(jié)構(gòu)示意圖 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(shè)置了若干個二次發(fā)射電極，D1、D2、D3…它

6、們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、…，倍增電極通常為10～15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，陽極電位最高。當(dāng)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(dá)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σ ，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是σN ，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流

7、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(guān)系。光電倍增管的這個特點(diǎn)，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(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(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

8、使用時應(yīng)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(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 光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)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(jìn)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(xué)通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點(diǎn),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(yīng)用非

9、常廣泛. 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(guān)系，來達(dá)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(shè)計(jì)至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準(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、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀

10、表和自動控制設(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。 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(qiáng)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，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻。或者象圖9（b）所示的那

11、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(dǎo)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(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光敏二極管通過集成運(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，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(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)，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓

12、 由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)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(guān))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(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(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(jì)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(jì)和光照度計(jì)等

13、;所謂遮光式是指當(dāng)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(guān)，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(guān)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(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。 四、結(jié)論 隨著科學(xué)技術(shù)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(yīng)用新材料、新技術(shù)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(shè)備,發(fā)

14、射器帶一個校準(zhǔn)鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝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(jiān)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(lǐng)域銷聲匿跡。到了光纖出現(xiàn)，因?yàn)樗母鞣N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。 時代在發(fā)展，科學(xué)技術(shù)在更新，光電傳感器種類也日益增多，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，例如近來一種紅外光電傳感器已在智能車方面得了到應(yīng)用，其中一種基于紅外傳感器的智能車的核心就是反射式紅外傳感器，它運(yùn)用反射式紅外傳感器設(shè)計(jì)路徑檢測模塊和速度監(jiān)

15、測模塊；另外一種基于紅外傳感器的自尋跡小車則利用紅外傳感器來采集數(shù)據(jù)． 光電傳感器具有其他傳感器所不能取代優(yōu)越性，因此它發(fā)展前景非常好，應(yīng)用也會越來越廣泛． 參考文獻(xiàn)： 林德杰 林均淳 許錦標(biāo) 曾憲云 .電器檢測技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.1999年 徐潔．檢測技術(shù)與儀表．清華大學(xué)出版社．2004年 陳照章.朱湘臨.光電測速傳感器及其信號調(diào)理電路.傳感器技術(shù).2002年 余瑞芬.傳感器原理.北京航空工業(yè)出版社.1995 金捷.機(jī)電檢測技術(shù).中國人民大學(xué)出版社.2002年 賈伯年，俞樸. 傳感器技術(shù)．東南大學(xué)出版社.1999年 董曉嬌 蘇紹興 顏曉河．<<電子工業(yè)專用設(shè)備>>.光電傳感器器及其應(yīng)用.2006年第35 卷第1期