光电传感器在的应用

1、光电传感器的研究 摘要:随着微电子技术、光电半导体技术、光导纤维技术以及光栅技术的出现和发展，光电传感器种类也日益增多，光电传感器得到越来越多的应用。且光电传感器具有其他传感器不能取代的优越性，故它还具有很大的发展前景。光电传感器的物理基础是光电效应，它由光电材料构成的器件，既用于检测直接引起光量变化的非电量，也可用来检测其他的能转换成光量变化的非电量。此外，光电传感器还具有非接触测量、响应快、性能可靠等特点，因此它被广泛的应用于各行各业中。关键词：光电传感器 光电效应 传感器应用 传感器特点 Pick to: With the appear and development of microe

2、lectronic technique , photoelectric semiconductor technology,optical fiber technology ,and grating technology, he types of photoelectric sensor become increasing ,which makes photoelectric sensor more be used. Moreover, photoelectric sensor and sensor cannot replace the other advantages , therefore

3、it also has great development prospects.The physical basis of the photoelectric sensor is the photoelectric effect, device which is composed of a photoelectric material, both for detecting directly caused by light changing non-electrical, can also be used to detect other energy converted into light

4、changes of non-electric. In addition, the photoelectric sensor also has non-contact measurement, fast response, reliable performance, etc, so it is widely used in all walks of life.Key words: photoelectric sensor, the photoelectric effect, Sensor applications,Sensor characteristics1. 引言随着当今科学技术的飞速发展

5、，自动化已经应用到各行各业中，而一个国家的自动化水平是用检测与转换仪表以及传感器的种类和数量的多少来衡量的，故传感器在先当社会中发挥着很重要的作用。基于这个背景，产生了光电传感器这个实训设计课题。光电传感器的应用非常广泛，且光电式传感器的种类和形式很多，故本文将在正文中简要介绍光电传感器的特点、分类、各种传感器的工作原理以及技术参数和传感器的应用。了解这些内容后，我们可以轻松的确定出在那种场合，应该选用那种光电传感器比较好，让它既可以满足控制的要求和具有较高的可靠性，又能最大的满足其经济性，以减小投资。2.光电传感器的特点 （1）可实现非接触测量。 光电测量时不与被测对象直接接触，传感器使用寿

6、命长，对被检物无损害。 （2） 可实现颜色判别。 利用被测物体光的反射率和吸收率，根据被投光的光线波长和被测物体的颜色组合的差异性，对被测物体的颜色进行检测。（3） 检测精度高，可靠性高。 通过设计可使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率，可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。（4） 对被测物体限制少。 在光电传感器检测物体时，以检测物体引起的遮光、反射、直射为检测原理，所以可对金属、木材、液体等几乎所有物体进行检测。（5） 反应快，响应频率高。 光本身具有高速的特性，且传感器电路都是电子器件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间极短，使得单位时间内响应的频率

7、提高。（6） 结构简单，可测参数多。 一般仅有光源、光学通路和光电元件组成，可实现对速度、加速度、位移、温度、浓度、浊度等参数的测量。3.光电传感器的分类 由于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，观点传感器也有很多种类，常有以下几种分类方法。 根据传感器传感头设计的原理不同可以分为：有源型光电传感器和无源型光电传感器两种。 根据光电效应原理，光电传感器可分为： 外光电效应：光电管、光电倍增管等 内光电效应：光敏电阻、光敏晶体管等 光生伏特效应：光电池等 按照光电传感器中光电元件输出电信号的形式可分为模拟式和脉冲式两大类。(1) 、模拟式光电传感器模拟式光电传感器中

8、光电元件接收的光通量随被测量连续变化，故输出的光电流也是连续变化的，且与被测量呈某种确定的单值函数关系，例如：位移式光电传感器。根据被测物、光源、光电元件三者之间的关系，又可将次类传感器分为下述四种类型，如图3-1所示。（1） 光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，如高温比色温度计、光照度计、照相机曝光量控制等，如图3-1 a）所示。（2） 恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分光由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定与被测物的某些参数，如透明度计、浊度计等，如图3-1 b）所示。（3） 恒光源发出的光通量投射到被测物体，然后从被测

9、物体表面反射到光电元件体上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数，如用反射式光电测转速、测量工件表面粗糙度、纸张的厚度等，如图3-1 c）所示。（4） 恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电量、工件尺寸测量等，如图3-1 d)所示。 图3-1 光电传感器的类型a） 被测物是光源；b）被测物吸收光通量；c）被测物有反射光的表面；d）被测物遮挡光通量 1被测物；2光电元件；3恒光源(2) 、脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的光电元件接受的光信号是断续变化的，故光电元件处于开关工作状态，既“通”与“断”的开关状态。它的输出通常是有两种稳定状态的脉冲信号，多用于光电计数和光电式

10、转速测量等场合。例如：转速传感器、光栅式传感器4.光电传感器的结构 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，它通常由光源、光学通路和光电元件三部分构成，如图4-1所示。 图4-1 光电传感器的结构框图 图4-1中是光源发出的光信号，是光电器件接受的光信号，被测量可以是或者，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。5.光电传感器的工作原理及性能参数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把光信号转换成电信号，在经过适当的测量电路的处理，将电信号转换成所需要的电压或电流输出。故

11、光电元件使馆电传感器中最重要的部件，而光电元件的工作原理都是基于不同的光电效应。所谓的光电效应是指:用光照射某一物体，可以看成是一连串能量为hv的光子轰击在此物体上，此时光子将能量传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性被一个电子所吸收，电子得到能量后其状态就发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应的物理现象。5.1 外光电效应器件5.1.1 工作原理5.1.1.1 光电管 光电管正常工作时,阳极电位高于阴极,如图5-1所示.在人射光频率大于"红限"的时,从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引,在光电管内形成光电流。此时若光强增大,轰击阴极的光子数增多,单位

12、时间内发射的光电子数也就增多,光电流变大。在图5-1所示的电路中,电流和负荷电阻只上的电压降U0就和光强成函数关系,从而实现光电转换。 图5-1 光电管测量电路5.1.1.2 光电倍增管光电倍增管工作时，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，阴极电位最高。当有光子入射到光阴极K上,只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功,就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下,光电子被加速后轰击第一倍增极D1,从而使D1产生二次电子发射.每一个电子的轰击约可产生35个二次电子,这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击

13、D2,.这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn,每经过一级倍增极,电子数目便被放大一次,倍增极的数目有813个,最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。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。 图5-2 光电倍增管结构示意图5.2 内光电效应器件5.2.1 光敏电阻1、 工作原理 图5-3 光敏电阻器的工作原理图 光敏电阻是一种内光电效应半导体器件,它的体电阻系数随照明强度的增强而减小。在黑暗的环境里，它的电阻值很高。当有光照射时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，光照会在半导体材料中产生电子-空穴对，电子-空穴对会增加半导

14、体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而是光敏电阻阻值下降。光照越强，阻值越低。入射光消失后，由光子激发产生的电子-空穴对将自行复合，光敏电阻的阻值也会恢复原值二、主要参数 1亮电阻 亮电阻是指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。 2暗电阻 暗电阻是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。 3最高工作电压 最高工作电压是指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压。 4亮电流 视电流是指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压受到光照时所通过的电流。 5暗电流 暗电流是指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。 6时间常数 时间常数是指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的6

15、3%时所需的时间。 7电阻温度系数 温度系数是指光敏电阻器在环境温度改变1时，其电阻值的相对变化。 8灵敏度 灵敏度是指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。 9.光电流 光电流是亮电流与暗电流之差。5.2.2 光敏晶体管一、工作原理1.光敏二极管 光敏二极管的外型与一般二极管一样，常工作在反向偏置的工作状态下。当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小。当有光照PN结且光子能量大于材料的禁止宽度时，载流子被激发，产生电子-空穴对，使得P区和N区少数载流子浓度增大。在外加反向电压和PN结内电场的作用下，载流子参于导电，形成很大的反向电流。当光照强度变化时，产生的电子-空穴对的浓度

16、也相应的变化（它们之间成正比），通过外电路的光电流强度也会随着变化，光敏二极管就将光信号转换为了电信号。 图5-4 光敏二极管结构图2. 光敏三极管光敏三极管的外型与一般三极管相差不大，如图所示，它的集电结反偏，发射结正偏。在无光照时，管子流过的电流很小，比一般三极管的穿透电流还小。当有光照射在集电结时，会激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大。而三极管的基极电流和集电极电流满足=（1+），可见集电极电流也将增大。因此，光敏二极管对电流也有放大作用，将集电极电流放大为愿时光电流的（1+）倍。 图5-5 光敏三极管结构图和工作电路2、 主要参数l)暗电流。在无光照的情况下，集电极与发

17、射极间的电压为规定值时，流 过集电极的反向漏电流称为光敏晶体管的暗电流。2) 光电流。在规定光照下，当施加规定的工作电压时，流过光敏晶体管的 电流称为光电流，光电流越大，说明光敏晶体管的灵敏度越高。3) 响应时间，光敏晶体管对人射光信号的反应速度，一般为十的负三次方到十的负七次方。4) 集电极一发射极击穿电压。在无光照下，集电极电流I。为规定值时， 集电极与发射极之间的电压降称为集电极一发射极击穿电压。5) 最高工作电压。在无光照下，集电极电流Ie为规定的允许值时，集电 极与发射极之间的电压降称为最高工作电压。6) 最大功率。最大功率指光敏晶体管在规定条件下能承受的最大功率。5.3 光生伏特效

18、应器件一、 工作原理 光电池是一种自发式的光电元件，它受到光照射时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，就有电流流通。光电池种类很多，现以硅光电池为例说明其工作原理。硅光电池的工作是基于光生伏特效应的,它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结。如图5-6所示，当光照射P区表面时,若光子能量大于硅的禁带宽度,则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子-空穴对,P区表面吸收的光子最多,激发的电子空穴最多,越向内部越少。这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势。由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的,它使扩散到PN结附近的电子空穴对分离,光生电子被推向N区,光生空穴被留在P区.从而使N区带负电,P区带正电,形