光电传感器性能参数分析

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题目：光电传感器性能参数分析

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光电传感器性能参数分析

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

目录

目录 (3)

1、引言 (4)

2、光电传感器 (4)

3、光电效应 (6)

4、光电传感器的前景 (6)

5、总结 (7)

参考文献 (8)

一、引言

随着工业生产技术的发展，对生产过程中的过程控制要求越来越高，而作为控制系统的核心之一，传感器越来越受工业技术人员的重视。人们对高性能检测技术的发展需求与日俱增。其中非电量测量的受欢迎程度最为广泛，可将距离、位移、振动等信号转换为电信号，并通过这些方法获得被测物体的状态。非电量检测技术分为接触式与非接触式检测。在工业生产环境中，有些场合不适用接触式检测，因为传感器与被测物体的接触，在工业现场环境中会造成被测体损伤、传感器磨损等问题。因此，需要性能良好的非接触式传感器以满足工业需求，相关技术的研究也成为传感器检测技术的发展方向。

光电检测技术作为目前检测技术之一，目前国内对于光电检测的研究已有一些成果，但目前产品还存在着一些问题，例如线性测量范围过短、对现场装配条件要求较高等，距离满足工业现场的要求还存在一定距离。所以，为了解决这些问题，光电效应对传感器性能的影响是很重要的研究方向之一，可以使光电传感器应用在更多的领域，推动光电检测技术的发展。

二、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，它的基本结构如下图，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1光电传感器原理图

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,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。

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。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。

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。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。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。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。

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。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。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。

红外线光电传感器分类有以下几种:

1、槽型光电传感器;

2、对射型光电传感器;

3、反光板型光电开关;

4、扩散反射型光电开关。

三、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，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h>A。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，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著。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。

A-hm 2 （1）

12vv=AhcK =λ（2）

四、光电传感器的前景

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。

光电传感器必须经过光波调制，光波的调制像无线电波的传送和接收，将收音机调到某台，就可以忽略其他的无线电波信号未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段，使接收器只能接收到发射器发出的光，才能使其能量变得很高.相比之下，经过调制的接收器能忽略周围的光，只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射，如刚出炉的红热瓶子，在这种应用场合如果使用其他的传感器，可能会有误动作。

光电传感器由于非接触、高可靠性等优点，在测量时对变被测物体损害小，所以自其发明以来就在测量领域有着举足轻重的地位，目前它已广泛应用于测量机械量、热工量、成分量、智能车系统等。现在它在电力系统自动并网装置中也起着非常重要的作用。

五、总结

时代在发展，科学技术在更新，光电传感器种类也日益增多，应用领域也越来越广泛，例如近来-种红外光电传感器已在智能车方面得了到应用，其中一种基于红外传感器的智能车的核心就是反射式红外传感器，它运用反射式红外传感器设计路径检测模块和速度监测模块;另外一种基于红外传感器的自寻迹小车则利用红外传感器来采集数据。

光电传感器具有其他传感器所不能取代优越性，因此它发展前景非常好，应用也会越来越广泛。

参考文献

［1］赵负周. 传感器集成电路手册［M］．北京：化学工业出版社，2002

［2］刘迎春，叶湘滨. 传感器原理设计与应用.第4版[M]. 国防科技大学出版社，2002

［3］余瑞芬.传感器原理[M].北京航空工业出版社，1995

［4］贾伯年，俞朴. 传感器技术[M]. 东南大学出版社，1999