1、光电传感器 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。关键 字：光电效应 光电元件 光电特性 传感器分类 传感器应用 正文： 一、理论基础 光电
2、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： 式中， m 为电子质量 ,v 为电子
3、逸出的初速度 ,A 微电子所做的功。 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。 当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低 的导电现象称为光导效应。它属于内光电效应。当光照在半导体上是，若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度，则电子从价带跃迁到导带，形成电子，同时，价带留下相应的空穴。电子、空穴仍留在半导体内，并参与导电在外电场作用下形成的电流。 除金属外，多数绝缘体
4、和半导体都有光电效应，半导体尤为显著，根据光导效应制造的光电元件有固有入射光频率，当光照在光电阻上，其导电性增强，电阻值下降。光强度愈强，其阻值愈小，若停止光照，其阻值恢复到原阻值。 半导体受光照射产生电动势的现象称为光生伏特效应，据此效应制造的光电器件有光电池，光电 二极管，管控晶闸管和光耦合器等。 二、光电元件及特性 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增管。 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，它 A -h m 2 12=A hc K = 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
5、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始动能为 2 2(mv . 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
6、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 L R 上的电压 0U 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。 2. 光电倍增管 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。 图 4 光电倍增管的结构示意图 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、 ，
7、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并再次产图 2光电管测量电路 图 3光电管的光电特性 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 ，则光电倍增管 的倍增率可以认为是 N ，因此，光电倍增
8、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
9、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。 6、光谱特性 入射光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光谱特性。使用时可根据被测光的波长范围， 选择不同材料的光敏电阻。 7、响应时间 光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性
10、。光敏电阻上升响应时间和下降响应时间约为 10-1 10-3s ，即频率响应为 10Hz 1000Hz ，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个主要缺点。 8、温度特性 光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降，这也是光敏电阻的另一缺点。 9、频率特性 频率特性是指 外加电压和入射光强一定是，光电流 I 与入射光的调制频率 f 之间的关系，）（ f =I ，光电二极管的频率特性较光电三极管的频率特性好，这是由于光电三极管的基射结存在电容和载流子基区需要时间的缘故。利用内光电效率原理制造的光电元件的频率特性最差，这是由于俘获载流子 和释放电荷都需要一定时间的缘
11、故。 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 . 光电传感器一般由三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路，如图 7所示，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 (LED、激光二极管
12、及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。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， 它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维，三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴 0到 25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。 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
13、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。 3、激光 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。 由光源、光学通路和 光电器件组
14、成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路。 半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用图 8所示的电路。 图 9（ a ）给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。图中一 个光敏二极管做为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影
15、响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。 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受到光照时产生的电压叠加，使硅管 e 、 b 极间电压大于 0.7V ，而导通工作。这种情况下也可以使用硅光电池组，如图 10（ c ）所示。 半
16、导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。硅光敏二极管 通过集成运放可得到较大输出幅度，如图 11（ a）所示。当光照产生的光电流为 时，输出电压为了保证光敏二极管处于反向偏置，在它的正极要加一个负电压。 图 11（ b）给出硅光电池的光电转换电路，由于光电池的短路电流和光照成线性 关系，因此将它接在运放的正、反相输入端之间，利用这两端电位差接 近于零的 特点，可以得到较好的效果。在图中所示条件下，输出电压 由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的 , 按光电元件 (光学测控系统输出量性质可分二类 ,即模拟式光电传感器和脉冲 (开关式光电传感器 .模拟式光电传
17、感器是将被测量转换成连续变化的光电流 , 它与被测量间呈单值关系 .模拟式光电传感器按被测量 (检测目标物体方法可分 为透射 (吸收式 ,漫反射式 ,遮光式 (光束阻档三大类 .所谓透射式是指被测物体 放在光路中 ,恒光源发出的光能量穿过被测物 ,部份被吸收后 ,透射光投射到光电 元件上，如测液体、 气体透明度和混浊度的光电比色计等 ;所谓漫反射式是指恒 光源发出的光投射到被测物上 ,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上，如 光电比色温度计和光照度计等 ;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光 遮其中一部份 ,使投射刭光电元件上的光通量改变 ,改变的程度与被测物体在光 路位置有关，如振动
18、测量、工件尺寸测量；而在脉冲式光电传感器中在这种传感 器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态， 它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号， 多用于光电计数和 光电式转速测量等场合。 而红外线光电传感器分类和工作方式一般有以下几种： 1、槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两 侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到 光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关 控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离 因为受整体结构的限制一般只有几厘米。 2
19、、对射型光电传感器 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。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，收光器就动作输出一个开 关控制信号。 3、反光板型光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装 一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式 (或反射镜反 射式光电开关。正常情况下，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。
20、4、扩散反射型光电开关 它的检测头里也装有一个发 光器和一个收光器，但前 方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时 挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。 四、我对光电传感器的想法 随着科学技术的发展人们对测量精度有了更高的要求， 这就促使光电传感器 不得不随着时代步伐而更新，改善光电传感器性能的主要手段就是应用新材料、 新技术制造性能更优越的光电元件。例如今天光电传感器的雏形，是一种小的金 属圆柱形设备 ,发射器带一个校准镜头 ,将光聚焦射向接收器 ,接收器出电缆将这 套装置接到一个真空管放大器上在金 属圆筒内有一个小的白炽灯作为光
21、源的一 种坚固的白炽灯传感器。由于这种传感器存在各种缺陷，逐渐在测量领域销声匿 迹。到了光纤出现，因为它的各种优越的性能，于是出现了光纤与传感器配套使 用的无源元件 ,另外光纤不受任何电磁信号的干扰 ,并且能使传感器的电子元件 与其他电的干扰相隔离。光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯 ,光芯外面包一层金属 外皮，这层金属外皮的密度比光芯要低 ,因而折射率低，光束照在这两种材料的 边界处 (入射角在一定范围内 ,被全部反射回来 .根据光学原理 ,所有光束都可 以由光纤来传输。 两条入射光束 (入射角在 接受角以内沿光纤长度方向经多次反 射后 ,从另一端射出， 另一条入射角超出接受角范围的入射光 ,损失在金属外皮内 . 这个接受角比两倍的最大入射角略大 ,这
