光电传感器论文87573

光电传感器 0811 电信 08328105贺绪林 摘要：在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人 们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来 实现制动控制， 自动调节， 目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。 由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光 电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精 度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术 中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 正文 一、理论基础——光电效应 光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。 光照在照在光电材料上， 材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足 够大是， 电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的 导电性，这种现象成为外光电效应 根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为 hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数，h＝6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率 的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交 给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部 分转换成电子能量。根据能量守恒定律： 1 式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,A 微电子所做的功。 m2 h-A 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hA。由于不同材料具2 有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入 射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限 称为“红限” 。相应的波长为式中，c 为光速，A 为逸出功。 hc 二、光电元件及特性  K  A 根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。 1.光电管 光电管的种类繁多， 典型的产品有真空光电管和充气光电管，光 它的外形和结构如图 1 所示， 半圆筒形金属片制成的阴极 K 和位于阴极轴心的金 属丝制成的阳极 A 封装在抽成真空的玻壳内， 当入射光照射在阴极上时，单个光 子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子， 从而使自由电子的能量 增加 h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A 时，它就可以克服金属表面 束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初 2(1 2)mv 始动能为 光电管正常工作时， 阳极电位高于阴极， 如图 2 所示。 在人射光频率大于 “红 限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管 内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单 位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图 2 所示的电路中，电流和 电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电 阴极 K 上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电 流 I，在负载电阻 R上的电压U L 0 光电管的光电特性如图 3 所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特 性基本是一条直线。 图1 光电光结构示意图图 3 光电管的光电特性 图 2 光电管测量电路 2.光电倍曾管 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电 流能力的光电倍增管。图 4 是光电倍增管结构示意图。 结 图 构 示 意 光 图 电 倍 增 4 从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极 K 和一个阳极 A，与光电管不同的 是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3…它们称为第一 倍增电极、第二倍增电极、…，倍增电极通常为10～15 级。光电倍增管工作时， 相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高， 阳极电位最高。当入射光照射阴极 K 时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极 D1 加速，以高速轰击 D1 ，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以产生多个 二次电子， D1 发射出的二次电子又被 D1、D2 问的电场加速，射向 D2 并再次产 生二次电子发射……，这样逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这 些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。若倍增电极有 n 级，各级的倍增率 为σ ，则光电倍增管的倍增率可以认为是σN ，因此，光电倍增管有极高的灵 敏度。 在输出电流小于 1mA 的情况下， 它的光电特性在很宽的范围内具有良好的 线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。 3、光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料 的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电 阻的特性和参数如下： 1）暗电阻 光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时 流过电阻的电流称为暗电流。 2)亮电阻 光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电 阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。 4、 伏安特性 光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为 伏安特性，如图5 所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏 电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。 图 5 光敏电阻的伏安特性 5、 光电特性 光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称 为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。 三、光电传感器 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的， 它的 基本结构如图 6，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元 件进一步将光信号转换成电信号 .光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件 三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多, 传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常 广泛. 图 7 光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目 的的， 因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个 恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性， 常用光源有以下几种： 1、发光二极管 是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功 耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广 泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。 2、丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电 元件对红外光敏感， 构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用 它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。 光敏三极管在低照度入射光下工作时， 或者希望得到较大的输出功率时，也可 以配以放大电路，如图 9 所示。 由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅 0.6V，还不能使下一 级晶体管有较大的电流输出，故必须加正向偏压，如图 9（a）所示。为了减小 晶体管基极电路阻抗变化，尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压，可在光 电池两端并联一个电阻。或者象图 9（b）所示的那样利用锗二极管产生的正向 压降和光电池