1、 光电传感器 摘要 ： 光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。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，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。 关键字 ： 光电管 ， 光电倍增管 ， 光敏电阻 ， 光电池 ， 光敏二极管和光敏三极管 ， 光电效应 。 引言 ： 光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器 。光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测 量，而且精度高，分辨力高，可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小，重量轻，功耗低，便于集成等优点，因而
2、广泛应用于军事，宇航，通信，检测与工业自动化控制等多种领域中 一 光敏传感器的原理 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。 光电传感器（光电开关）是一种小型电子设备， 是采用光电元件作为检测元 件 的传感器 ， 它可以检测出其接收到的光强的变化，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制。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。在一般 情况下，光电传感器由三部分构成：发送器、接收器和检测电路。其结构如图 1 所示： 1 图 1 光电传感器结构示意图 发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LE
3、D)、激光二极管及红外发射二极管。接收器包括光电二极管、光电三极管、光电 池等。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等；在其后面是检测电路，它能滤出有效信号并应用该信号。 此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维 。 二，光电传感器的分类 光电传感器通常可分为对射型和反射型两类。 (1) 对射型光电传感器。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器产生响应并输出一个开关控制信号。 (2) 反射型光电 开关。反射型光电开关把发光器和收
4、光器装入同一个装置内，利用反射原理完成光电控制作用。一种情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到，一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号；另一种情况下，发光器发出的光并不被专门的反光板反射，但当光路上有检测物通过时，光在检测物表面反射回来并被接收器接收从而产生一个开关信号 三 ，光电效应与光电器件 光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空光电元件和半导体光电元件两大类。它们的工作原理都基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二 象2 性，我们可以认为光是一种以光速运动的 粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为 E=h 式中， 为光波频
5、率； h 为普朗克常数， h 6.63*10-34 J/Hz 由此可见，对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为 Au的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们 把这种物理现象称为光电效应。通常把光电效应分为三类： 1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电信增管等。 2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光
6、电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。 3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 光电管 (1) 原理 光电管是利用外光电效应制成的光电元件。光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电 管和离子光电管两类。两者结构相似，如图 2。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。 3 图 2 光电管的结构示意图 (2) 主要性能 光电管器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。 1.
7、光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如 3 图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据 图 3a 真空光电管的伏安特性 图 3b 充气光电管的伏安特性 2. 光电管的光照特性 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如 4 图所示。曲线 1 表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流 I 与光通量成线性关系。曲线 2 为锑铯阴极的光电管光4 照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。 3. 光电管光谱特性
8、 由于光阴极对光谱有选 择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。 光电倍增管 (1) 原理 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光 电流很小，只有零点几 A，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，图
9、 5 为光电倍增管内部结构示意图。 5 图 5 光电倍增管内部结构示意图 光电倍增管由光阴极、次阴极 (倍增电极 )以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极 是在镍或铜 -铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达 30 级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的 倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。 (2) 主要特性 1. 倍增系数 M 倍增系数 M等于 n 个倍增电极的二次电子发射系数 的乘积。 M与所加电压有关，在 之间，稳定性为 1左
10、右，此时要求加速电压稳定性要在0.1以内。 2. 光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达 10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 3. 暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时 ，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入6 射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为
11、暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。 4. 光电倍增管的光谱特性 光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与 照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于 lm 时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图 6 所示。 图 6 光电倍增管的光照特性 以上两种为外光电传感器。 利用物质在
12、光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管等 四，光电传感器的应用 1、烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行 监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到7 达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。 2、光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和
13、制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监 视器和燃气轮机的熄火保护装置等。 3、 光电转速传感器 在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲 信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定 4、 光电液位检测 5、 光电开关的应用 6、 防盗报警 7、 自动照明灯 五，个人总结 为 了随时了解烟尘排放浓度，及时了解除尘装置收尘情况，使除尘装置处于最佳运行状
14、态，均需要烟尘连续监测仪。近几年，连续、快速的烟尘浓度监测仪发展很快，在工业发达国家 ，已得到广泛应用，并形成工业化生产。我国烟尘浓度连续监测仪处于开发和研究阶段。仅有少数工厂使用。 单光束法的光学系统比较简单， 要求电源稳定性好 ，价格比较便宜，不能自动校零和自动校正。双光束法可克服上述缺点，但结构比较复杂，价格昂贵。 南京化工研究院研制的 GD 1 型工业测尘仪是我国最早研制的测尘仪。该仪器采用单光路的透射式光学法原理，适于测量不透明粉尘。反映含尘浓度的电8 信号由电位差计予以连续显示记录。主要技术指标如下：量程范围： 0 2.0 克 /标米 3，仪器稳定性：在 24 小时内仪器零漂移 5
15、%，工作环境温度 0 45 ，含尘气体温度：大于露点温度。该仪器结构简单，价格便宜，但光源未进行调制，所以受日光和其它光源的干扰，读数不直观。 由于用的是单光路法所以光源未进行调制，受日光和其他光源的影响而读数不直观。如何使仪器既结构简单，价格便宜而且还不受日光和其他光源的干扰使得读数更加直观是值得研究事情。 既然单光束法 结构简单，价格便宜 但 读数不直观 ； 双光束法结构比较复杂，价格昂贵 但读数直观。是否可以考虑将单光束法和双光束法结合起来使用，这样结合了两者的优点既 结构简单，价格便宜 又读数直观。 光吸收式测尘法 恒定 的光束通过含尘气流时，光的强度由于尘粒的吸收而衰减，光强的变化与
16、气体的含尘浓度存在一函数关系。测出光强的衰减量，可测出烟尘浓度。 要更充分的利用仪器那么 测点位置应尽可能选择气流比较稳定，浓度场比较均匀的管道上 ， 其中垂直管道优于水平管道 。 烟尘浓度连续监测仪需经过标定后，才能用来测量烟尘浓度。测量装置和接受装置中的保护镜片要定期用清洁镜头布擦试，以保持仪器测量精度。 将单光速法和双光束法综合的合理运用可更充分的利用资源。使仪器相对结构简单，价格便宜，而读数既各项指标均达到要求。 9 参考文献 1 ， http:/ 中国自动化网 2， http:/ 西北工业大学网 3， 125.71.228.222/wlxt/ncourse/st/web/sensor . 2009-5-22 4， http:/ 5，黄贤武编著 传感器实际应用电路设计成都：电子科技大学出版社，1997 6，何希才编著传感器及其运用北京：国防工业出版社， 2001 7，张福学编著现代实用传感器电路 北京：中国计量出版社， 1997 8， 丁镇生 传感及其遥控遥测技术的应用 北京：电子工业出版社， 2003 9，贺安之，阎大鹏现代传感器原理及应用北京：宇航出版社， 1995 10， http:/ 11， http:/ 12， http:/www.sz-
