光电传感器的应用与发展趋势

光电传感器的应用与发展趋势传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

光电传感器是采用光电元件作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将光信号转换成电信号。

一、应用背景光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。

光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。

此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。

最后，随着技术的不断发展，光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争。

因而光电传感器得到了广泛的应用与长足的发展。

二、光电效应光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。

这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect），一般包括外光电效应、光导效应与光生伏特效应。

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，增加的能量部分将克服正离子束缚，另一部分将转换成电子能量。

根据能量守恒定律：1/2mv²=hv-A(m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做功)，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。

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，若电子的能量与半导体禁带的能级宽度，则使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，导致电子空穴仍留在半导体内，并参与导电在外电场作用形成的电流。

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，根据光导效应制造的光电元件的固有入射光频率，当其光照在光电阻上时，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。

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，其结构如下：图1 光电传感器的结构由上可知，其首先把被测量的变化转换成光信号,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号；其次，光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成；再次，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,使光电式传感器在检测和控制中广泛应用。

1.光源光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源来达到测量目的的关系，因此光电传感器的光源有着重要的地位，常用光源有以下几种：⑴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。

⑵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。

⑶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。

另外，不同的光电元件，所要求的测量电路是不相同，并且在各种导体的光电元件常用测量电路与各种红外线传感器的工作方式更是各有所异，在此就不一一描述。

2.电子测量电路由光源、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。

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2所示的电路。

图2 光敏电阻测量电路图3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作为检测元件，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。

图3 光敏晶体管测量电路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4（a）所示。

当光照产生的光电流为I Ф时，输出电压U0=IФRF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4（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U0=2I ФRF。

图4 使用运放的光敏元件放大电路3.光电元件1.光电管光电管有真空光电管和充气光电管两类，在此只介绍光电管的结构、电路及特性。

（1）光电管结构图5 光电管结构示意图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，使自由电子能量增加到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（1/2） mv²（2）电管测量电路光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，其电路如下所示：图6 光电管测量电路在人射光频率大于“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。

在上图电路中，电流和电阻上的电压和光强成函数关系，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 RL上的电压U0(3)光电管的光电特性图7 光电管的光电特性从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本呈现一条直线。

2.光电倍曾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。

其结构如下：图8光电倍增结构图从图中可知光电倍增管有一个阴极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时，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的电场加速，射向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σ，则光电倍增管的倍增率可以认为是σN ，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。

3.光敏电阻特性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，其特性如下图：图9光敏电阻的伏安特性从上可知，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。

（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。

（7）响应时间和频率性光敏电阻的光电流不能随着光照量得改变而立即改变，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这个惰性通常用时间常数来描述。

因此，时间常数越小，响应越迅速。

但大多数光敏电阻的时间常数较大，这是它缺点之一。

（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。

四、光电传感器的分类1. 模拟式光电传感器这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定的函数关系，这类传感器通常有以下四种形式。

（1)光源本身是被测物，它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，如图10（a）所示。

这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。

（2)恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数。

如图10（b）所示。

可用于测量透明度、混浊度。

（3)恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如图10（c）所示。

反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。

（4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。

如图10（d）所示。

这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。

图10 模拟式光电传感器常见形式2.脉冲式光电传感器在这种传感器中，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。

五、常见光电传感器及应用1.透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用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。