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光電傳感器 摘要：在科學技術高速發(fā)展的現(xiàn)代社會中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息時代，人們在日常生活，生產(chǎn)過程中，主要依靠檢測技術對信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實現(xiàn)制動控制，自動調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測技術列入優(yōu)先發(fā)展的科學技術之一。 由于微電子技術，光電半導體技術，光導纖維技術以及光柵技術的發(fā)展，使得光電傳感器的應用與日俱增。這種傳感器具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反應快以及結構簡單,形式靈活多樣等優(yōu)點，在自動檢測技術中得到了廣泛應用，它一種是以光電效應為理論基礎，由光電材料構成的器件。 關鍵字：檢測技術；傳感器；光電效應 一、理論基礎——光電效應 光電效應一般有外光電效應、光導效應、光生伏特效應。 光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料表面而進入外界空間，從而改變光電子材料的導電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應 根據(jù)愛因斯坦的光電子效應，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)，h＝6.63*10-34 J/HZ)，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律： 式中，m為電子質量,v為電子逸出的初速度,A微電子所做的功。 由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應的波長為 式中，c為光速，A為逸出功。 二、光電元件及特性 根據(jù)外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。 1.光電管 光電管的種類繁多，典型的產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管，光它的外形和結構如圖1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為 光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖2所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強成函數(shù)關系，從而實現(xiàn)光電轉換。當光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極表面逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產(chǎn)生電流I，在負載電阻 上的電壓 光電管的光電特性如圖3 所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性基本是一條直線。 圖3光電管的光電特性 圖2光電管測量電路 圖1光電光結構示意圖 2.光電倍曾管 由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4是光電倍增管結構示意圖。 圖4光電倍增結構示意圖 從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A，與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設置了若干個二次發(fā)射電極，D1、D2、D3…它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、…，倍增電極通常為10～15級。光電倍增管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級升高，陽極電位最高。當入射光照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1 ，引起二次電子發(fā)射，一個入射的光電子可以產(chǎn)生多個二次電子， D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射……，這樣逐級產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這些電子最后到達陽極，形成較大的陽極電流。若倍增電極有n級，各級的倍增率為σ ，則光電倍增管的倍增率可以認為是σN ，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。 3、光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應。在半導體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下： 1）暗電阻 光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。 2)亮電阻 光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。 4、伏安特性 光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關系稱為伏安特性，如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。 圖5光敏電阻的伏安特性 5、光電特性 光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點之一。 三、光電傳感器 光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結構如圖6，它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛. 圖7 光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關系，來達到測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設計至關重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準確性，常用光源有以下幾種： 1、發(fā)光二極管 是一種把電能轉變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。 2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。 光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖9所示。 由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9（a）所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻?；蛘呦髨D9（b）所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10（c）所示。 半導體光電元件的光電轉換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖11（a）所示。當光照產(chǎn)生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖11（b）給出硅光電池的光電轉換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上，如測液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計數(shù)和光電式轉速測量等場合。 四、結論 隨著科學技術的發(fā)展人們對測量精度有了更高的要求，這就促使光電傳感器不得不隨著時代步伐而更新，改善光電傳感器性能的主要手段就是應用新材料、新技術制造性能更優(yōu)越的光電元件。例如今天光電傳感器的雛形，是一種小的金屬圓柱形設備,發(fā)射器帶一個校準鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈作為光源的一種堅固的白熾燈傳感器。由于這種傳感器存在各種缺陷，逐漸在測量領域銷聲匿跡。到了光纖出現(xiàn)，因為它的各種優(yōu)越的性能，于是出現(xiàn)了光纖與傳感器配套使用的無源元件,另外光纖不受任何電磁信號的干擾,并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。 時代在發(fā)展，科學技術在更新，光電傳感器種類也日益增多，應用領域也越來越廣泛，例如近來一種紅外光電傳感器已在智能車方面得了到應用，其中一種基于紅外傳感器的智能車的核心就是反射式紅外傳感器，它運用反射式紅外傳感器設計路徑檢測模塊和速度監(jiān)測模塊；另外一種基于紅外傳感器的自尋跡小車則利用紅外傳感器來采集數(shù)據(jù)． 光電傳感器具有其他傳感器所不能取代優(yōu)越性，因此它發(fā)展前景非常好，應用也會越來越廣泛． 參考文獻： 林德杰 林均淳 許錦標 曾憲云 .電器檢測技術.機械工業(yè)出版社.1999年 徐潔．檢測技術與儀表．清華大學出版社．2004年 陳照章.朱湘臨.光電測速傳感器及其信號調(diào)理電路.傳感器技術.2002年 余瑞芬.傳感器原理.北京航空工業(yè)出版社.1995 金捷.機電檢測技術.中國人民大學出版社.2002年 賈伯年，俞樸. 傳感器技術．東南大學出版社.1999年 董曉嬌 蘇紹興 顏曉河．<<電子工業(yè)專用設備>>.光電傳感器器及其應用.2006年第35 卷第1期