非电信号的检测方法与光电传感器原理分析

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非电信号的检测方法与光电传感器原理分析

-----光电传感器

机电一体化 09-4 王自恒 学号 10511032

摘要：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置叫做传感器，通常由敏感元件和转换元件组成。在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经进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。 关键词：光电传感器，检测，特性，原理，信号。

光电传感器的构成原理：

一、光电效应

它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，可分为外光电效应和内光电效应和光生伏特效应三类。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物理现象。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hv，h为普朗克常数，v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

其中，h 表示普朗克常量，ν 表示入射光的频率）。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。内光电效应又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。光生伏打效应是指光线作用能使半导体材料产生一定方向电动势的现象。光生伏打效应又可分为势垒

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。 二、光电元件及特性

根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。 1.光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图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，光电子逸出金属表面后的初

2

(2)mv始动能为

光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。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。在图2所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，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 R上的电压U0

L

从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。

图2光电管测量电路

图3光电管的光电特性

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。图4是光电倍增管结构示意图。

结图构示意光图电

倍增

4

从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极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，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问的电场加速，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 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。

3、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。

4、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。使用时可根据被测光的波长范围，选择不同材料的光敏电阻。

5、响应时间 光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性。光敏电阻上升响应时间和下降响应时间约为10-1～10-3s，即频率响应为10Hz～1000Hz，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个主要缺点。

6、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。

7、频率特性 频率特性是指外加电压和入射光强一定是，光电流I与入射光的调制频率f之间的关系，I（f），光电二极管的频率特性较光电三极管的频率特性好，这是由于光电三极管的基射结存在电容和载流子基区需要时间的缘故。利用内光电效率原理制造的光电元件的频率特性最差，这是由于俘获载流子和释放电荷都需要一定时间的缘故。 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，它的基本结构如图6，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.

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，如图7所示，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。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维，三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反

射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

图7

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。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。

2、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。

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。

光电传感器的各种检测：

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。下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路。

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8所示的电路。

图9（a）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，如图9所示。

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，如图9（a）所示。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。或者象图9（b）所示的那样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，如图10（c）所示。

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11（a）所示。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。图11（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

由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,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连

续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上，如测液体、气体透明度和混浊度的光电比色计等;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上，如光电比色温度计和光照度计等;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关，如振动测量、工件尺寸测量；而在脉冲式光电传感器中在这种传感器中，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。

而红外线光电传感器分类和工作方式一般有以下几种：

1、槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

2、对射型光电传感器 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

3、反光板型光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

4、扩散反射型光电开关 它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，

但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。

后续

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，例如近来一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．

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，光电式传感器技术飞速发展；随着技术的进一步完善，随着人们对现代科技认识的不断深入，光电式传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。

参考文献：

林德杰 林均淳 许锦标 曾宪云 .电器检测技术.机械工业出版社．１９９６年 徐洁．检测技术与仪表．清华大学出版社．２００４年

陈照章.朱湘临.光电测速传感器及其信号调理电路.传感器技术.2002年 余瑞芬.传感器原理.北京航空工业出版社.1995

金捷.机电检测技术.中国人民大学出版社.2002年