新型传感器设计

1、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。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也

2、称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内光电效应类传感器。关键词：新型，传感器，光电AbstractIn science and technology high speed development of modern society, mankind has into rapidly changing information era, people in daily life, the production process,

3、rely mainly on detection technology for information by acquiring, screening and transmission, to achieve the brake control, automatic adjustment, at present our country has put detection techniques listed in one of the priority to the development of science and technology. Because of microelectronic

4、s technology, photoelectric semiconductor technology, optical fiber technology and the development of the grating technology, makes the increasing application of photoelectric sensor. This kind of sensor has the advantages of simple structure, non-contact, high reliability, high precision, measurabl

5、e parameters, quick reaction and simple structure, the advantages of flexible and varied in form, has been widely used in the automatic detection technology, it is a kind of photoelectric effect, the photoelectric material consisting of devices.Photoelectric effect is usually divided into two major

6、categories of the photoelectric effect and the photoelectric effect. The photoelectric effect refers to the light, the electrons outside surface emission phenomenon, also known as the photoelectric emission effect, based on the effect of photoelectric devices have a photocell, photomultiplier tubes,

7、 etc. The photoelectric effect refers to the incident light intensity changes of the material conductivity of physical phenomenon, called the photoconductive effect, most of the photoelectric sensor control applications, such as , photodiode and photosensitive , silicon photocell as part of the phot

8、oelectric effect within the sensor.Key words：new type、sensing element、 photoelectricity目录第一章 理论基础光电效应1第二章 光电元件及特性2第一节 光电管2第二节 光电倍增管3第三节 光敏电阻4第四节 伏安特性4第三章 光电传感器5第一节 发光二极管5第二节 丝灯泡5第四章 光电传感器的应用9结束语10谢 辞11参考文献12第一章 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

9、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，h6.63*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

10、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。 第二章 光电元件及特性第一节 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2-1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始动能为光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，

11、如图2-2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2-2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 上的电压。光电管的光电特性如图2-3 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2-1阴极高于阳极 图2-2电压与光强的关系图2-3光电管的光电特性第二节 光电倍增管由于真

12、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2-4是光电倍增管结构示意图。图2-4光电倍增管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1015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

13、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 ，则光电倍增管的倍增率可以认为是N ，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。第三节 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

14、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。第四节 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2-5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2-5光敏电阻的伏安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。第三章 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3-1，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

15、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3-1光电感应器的基本结构 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。第一节 发光二极管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

16、用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。第二节 丝灯泡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3-2所示。图3-2光敏电阻测量电路图3-3光敏晶体管测量电路在强光下图3-4光敏晶体管测量电路弱光下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3-3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

17、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3-4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。半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3-5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3-6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

18、，输出电压 图3-5使用放大器的光敏元件放大电路在负极加压图3-6使用放大器的光敏元件放大电路在正极加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

19、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。 第四章 光电传感器的应用光敏电阻可用于进行光的测量和光的控制，测量方面主要是用于测量光强，控制方面最常见的就是路灯控制和楼道感应灯的控制，在电路接通的状态

20、下，路灯会随着周围光强的变化而变化，楼道中的灯白天不亮晚上亮也利用了光敏电阻的对光的感应特点。光敏电阻还被应用于海上导航，通常海上的浮标用的就是光敏电阻作为航道灯的开关，到晚上光敏电阻阻值变小，接通控制电路，将灯打开；白天光敏电阻增大将控制电路断开，关掉电灯。光敏管大体有开关作用，环境光检测作用，各种光线接收作用。在太阳能自动跟踪控制中，做光电检测用，接受太阳光，校正方位。光敏二级管被应用于收音机、电视、电脑等设备中，比如用LED发光二极光替代液晶显示器背后的光源，能达到节能且稳定的作用。光敏三极管可用来控制开关的状态，其主要原因是三极管对光照强度十分敏感，可以根据根据光照强弱来控制电流大小，

21、从而在继电器的配合下控制开关的通断状态，实现自动化控制。由于光敏管对光的敏感性很高，还可用于测量温度，因为不同温度的物体辐射的光不同，以此可以间接测量温度。此外，光敏三极管还可用于传输信号，如光藕合器，光耦合器亦称光电隔离器，简称光耦，光耦合器以光为媒介传输电信号，它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。另外，红光光敏管可用于测量红外线，这一点可用来做夜视仪硅光电池在日常生活中也是十分常见的，因为它能将光能转变为电能，像一些太阳能发电板和太阳能电池中就有硅光电池，被广泛用于卫星、太阳能发电、太阳能热水器以及手机等。光电传感器的用途很多很广，还有一些等待我们去发现。比如我们经常抱怨阳光下看不清手机和电脑，我们可以利用光敏器件来改变手机和电脑的屏幕亮度，从而更能看清楚，。还有我们的空调，可以通过检测红外线自动调至人的舒适温度，当温度过低或过高就开启调节