光感式传感器原理及其应用

光电式传感器原理及其应用

姓名

(测仪111班，刘俊杰，5801211048) Principle and application of photoelectric sensor

英文姓名

(measurement of class 111, Junjie Liu, 5801211048)

摘要：光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测光量变化或直接引起光量变化的非电量，也可用于检测能转换成光量变化的其他非电量。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。光电式传感器具有响应快、精度高、能实现非接触测量等优点，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领域应用非常广泛。

关键词：光电式传感器；检测光量变化；电信号；检测与控制。

Abstract:photoelectric sensor is photoelectric device as a sensor element. It can be used for non electric quantity detection light intensity or directly caused by light intensity, and can also be used for detection can be converted into other non electrical quantity change. It divides the changes measured into optical signal changes, then with the help of optoelectronic devices to convert optical signals into electrical signals. Photoelectric sensor has the advantages of fast response, high precision, can realize the

non-contact measurement etc., and measurable parameters, the sensor has the advantages of simple structure, flexible and diverse forms, therefore, application of photoelectric sensors in the detection and control field is very wide.

Key words:photoelectric sensor; detection of light intensity; signal; detection and control.

1 前言

传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的信号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。例如传声器就是一种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电信号。又如电感式位移传感器能感受位移量的变化，并把它转换成相应的电信号。

光电测量时不与被测对象直接接触，光束的质量又近似为零，在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器有明显的优越性。

2 光电式传感器工作原理

2.1 光电效应

光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的导电特性发生变化的一种物理现象，可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应（光生伏特效应包含于内光电效应，在此为特意列出）三类。

外光电效应是指在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。光子是以量子化“粒子”的形式对可见光波段内电磁波的描述。光子具有能量hν，h为普朗克常数，ν为光频。光子通量则相应于光强。外光电效应由爱因斯坦光电效应方程描述：

EK=hν-W

当光子能量等于或大于逸出功时才能产生外光电效应。因此每一种物体都有一个对应于光电效应的光频阈值，称为红限频率。对于红限频率以上的入射光，外生光电流与光强成正比。

内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应，分为光电导效应和光生伏特效应两类。光电导效应是指，半导体材料在光照下禁带

中的电子受到能量不低于禁带宽度的光子

的激发而跃迁到导带，从而增加电导率的现象。能量对应于禁带宽度的光子的波长称光电导效应的临界波长。光生伏特效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不

同部位之间产生电位差的现象。

光生伏特效应首先是由光子转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。可分为势垒效应（结光电效应）和侧向光电效应。势垒效应的机理是在金属和半导体的接触区(或在PN结)中，电子受光子的激发脱离势垒（或禁带）的束缚而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，形成光生电动势。侧向光电效应是当光电器件敏感面受光照不均匀时，受光激发而产生的电子空穴对的浓度也不均匀，电子向未被照射部分扩散，引起光照部分带正电、未被光照部分带负电的一种现象。

2.2 光电器件

基于光电效应原理工作的光电转换元

件称为光电器件或光敏元件。光电效应分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应，相对应的光电器件也有光电发射型、光导型和光伏型三种。

光电发射型光电器件有光电管和光电

倍增管；光导型光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管；光伏型光电器件有光电池。

光电器件的基本特性有光电特性和光

照特性、光谱特性、伏安特性、频率特性以及温度特性。

光电式传感器是以光为媒介、以光电效应为基础的传感器，主要由光源、光学通路、光电器件及测量电路等组成。

光电式传感器的基本类型有透射式、反射式、辐射式、遮挡式和开关式。

2.3.1 外光电效应器件工作原理

光电管是利用外光电效应制成的光电

元件，其外形和结构如图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。

根据能量守恒定律有

A

-

h

m

2

1

2ν

ν=

式中，m为电子质量；v为电子逸出的初速度。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λK为

A

hc

K

=

λ

式中，c为光速；A为逸出功。光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。在入射光频率大于“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IФ和电阻只RL上的电压降U0就和光强成函数关系，从而实现光电转换。

图1 光电管结构示意图

图2 光电管测量电路图

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3是光电倍增管结构示意图。

图3 光电倍增管结构示意图

光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为λ的光辐射入射到光阴极时，一个入射光子产生的光电子数，定义为光阴极的量子效率。光阴极有很多种，常用的有双碱，S11及S20三种。光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成，光阴极接负高压，各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流计或负载电阻接在阳极A处，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3～5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8～13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б，则光电倍增管的倍增率可以认为是бn，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。若将灵敏检流计串接在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻RL作为负载，则可测量RL两端的电压，此电压正比于阳极电流。

图4 光电倍增管基本电路

图4所示为光电倍增管的基本电路。各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、……Rn获得的，阳极电流流经负载电阻RL得到输出电压U0。当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容C1、C2、…、Cn 和输出隔离电容C0都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接，从而使它能够响应变化缓慢的入射光通量。但当入射光通量为脉冲通量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接人隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接人，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。

2.3.2 内光电效应器件工作原理

光敏电阻是一种光电效应半导体器件，应用于光存在与否的感应以及光强度的测量等领域。它的体电阻系数随照明强度的增强而减小，容许更多的光电流流过。这种阻性特征使得它具有很好的品质：通过调节供应电源就可以从探测器上获得信号流，且有着很宽的范围。

光敏电阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底衬上覆一层光电半导体材料。金属接触点盖在光电半导体面下部。这种光电半导体材料薄膜元件有很高的电阻。所以在两个接触点之间，做的狭小、交叉，使得在适度的光线时产生较低的阻值。

光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图5a是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图5b所示。

图5a 光敏二极管结构示意图

图5b 光敏二极管基本电路

图6 光敏三极管结构示意图及其基本电路

光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其结构如图5a所示。

当光敏三极管按图5b所示的电路连接时，它的集电结反向偏置，发射结正向偏置。无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电流IC。这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流IC是原始光电流的(l+β)倍。这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。

3 光电式传感器应用举例

3.1 透射式光电传感器应用于烟尘浓度检

测

透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支架上。当槽内无物体时，发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从而产生一定大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面。

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。

图7 烟尘浓度检测系统组成框图

3.2 反射式光电传感器的应用

红外漫反射式光电传感器主要用于机

器人走迷宫或避障碍物、材料的定位剪切控制、流水线上产品的计数、液面的高低检测、光电测速、程控小车循黑线和避悬崖等。

4 结论

光电式传感器除了能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测

量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。光电测量时不与被测对象直接接触，光束的质量又近似为零，在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器有明显的优越性。

而且近年来，随着光电科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，光电式传感器技术得到了进一步的飞速发展。随着科学技术的不断进步，人们对现代科技认识的不断深入，光电式传感器必将迎来属于自己的时代。

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