光电检测技术应用及其前景

光电检测技术与应用

论 文

论文题目:

光电检测技术应用及其前景

院 系 应用物理与材料学院

专 业 应用物理

学 号 11060112

学生姓名 郭 梓 浩

指导教师 孙 鲁

完成日期 2014年6月10日

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。

关键词 传感器 微电子 半导体 自动检测

Abstract In the high-speed development of science and technology of modern society, mankind has into rapidly changing information era, people in daily life, the production process, rely mainly on detection techniques of information by acquiring, screening and transmission, to achieve the brake control, automatic adjustment, at present our country has put detection techniques listed in one of the priority to the development of science and technology. Because of microelectronics technology, photoelectric semiconductor technology, the development of optical fiber and grating technology, makes the application of the photoelectric sensor is growing. This kind of sensor has the advantages of simple structure, non-contact, high reliability, high precision, measurable parameters, quick reaction and simple structure, the advantages of flexible and varied in form, has been widely applied in the automatic detection technology, it is a kind of based on the theoretical basis of the photoelectric effect, composed of photoelectric material device.

Key words The sensor microelectronics

semiconductor Automatic detection

目录

第1章 绪论............................................................................................. 1

1.1引言 ................................................................................................. 1

1.2 光电检测技术 ............................................................................... 1

1.3 发展趋势 ....................................................................................... 2

第2章 光电检测技术传感器 ................................................................ 3

2.1 理论基础——光电效应 ............................................................... 3

2.2光电元件及特性 ............................................................................ 3

2.3、光电传感器 ................................................................................. 6

2.3.1光电传感器的基本结构 ....................................................... 6

2.3.2光敏三极管 ........................................................................... 6

2.3.3硅光敏二极管 ....................................................................... 7

第3章 应用前景 .................................................................................... 9

第4章 结论........................................................................................... 10

参考文献 ................................................................................................... 11

图标目录

图1:光电检测系统工作原理图...............................................................1

图2光电光结构示意图………………………………………………....4 图3光电管测量电路…………………………………………………….4 图4光电管的光电特性………………………………………………….4 图5光电倍增结构示意图……………………………………………….4

图6光敏电阻的伏安特性.........................................................................5

图7光电传感器的基本结构.....................................................................6

图8 光敏电阻测量电路............................................................................7

图9 光敏晶体管测量电路........................................................................7

图10 光电池测量电路..............................................................................7

图11 使用放大器的光敏元件放大电路..................................................8

第1章 绪论

1.1引言

随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高， 光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，[1]已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点， 令其发展十分迅速， 并推动着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合， 广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。本文从光电检测技术本身特点出发， 分析其发展趋势及应用前景[2]。

1.2 光电检测技术

光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，它是以激光、红外、光纤等现代光电子其件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模 / 数转换接口输入计算机运算处理， 最后显示输出所需要的检测物理量等参数。其工作原理如图1所示：

图1:光电检测系统工作原理图

其技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，它具有如下特点：

1.高精度。光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。如用激光干涉法测量长度的精度可达 0.05μm/m；光栅莫尔条纹法测角可达到； 用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。

2.高速度。光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。

3.远距离、大量程。光是最便于远距离粗寒痹的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。

4.非接触测量。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种[3]。

1.3 发展趋势

从上面对光电检测技术特点的分析，并随着世界各国的激烈竞争正以日新月异的速度突飞猛进及科研技术的提高，光电检测技术的发展趋势主要表现在：高精度方向发展：检测精度向高精度方向发展，纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术是今后的发展热点；智能化方向发展：检测系统向智能化方向发展，如光电跟踪与光电扫描测量技术；数字化方向发展：检测结果向数字化，实现光电测量与光电控制一体化方向发展；多元化方向发展：光电检测仪器的检测功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展，并向人们无法触及的领域发展，如微空间三维测量技术和大空间三维测量技术；微型化方向发展：光电检测仪器所用电子元件及电路向集成化方向发展；光电检测系统朝着小型、快速的微型光、机、电检测系统发展；自动化方向发展：检测技术向自动化，非接触、快速在线测量方向发展，检测状态向动态测量方向发展；以上这些发展趋势是现代化生产的需要，是现代科学技术发展的需要，是国防建设的需要[4]。

第2章 光电检测技术传感器

2.1 理论基础——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，这种现象称为外光电效应。 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(v为光波频率，h为普朗克常数，h＝6.63*10-34J·s)，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： [5]

1m2h-A2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。 Khc

A

2.2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2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始动能为 (1/2)mv2。

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[6]。在图3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

光电管的光电特性如图4 所示，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光电光结构示意图

图3光电管测量电路 图4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5是光电倍增管结构示意图。

图5光电倍增结构示意图

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[7]。

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。

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，如图6所示。从图中可知，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。

图6光敏电阻的伏安特性

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。

2.3、光电传感器

2.3.1光电传感器的基本结构

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7，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7光电传感器的基本结构

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。

2.3.2光敏三极管

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8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。

2.3.3硅光敏二极管

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 U0=2IΘRF。

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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[8]、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。

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第3章 应用前景

光电检测技术的产生使人类能更有效地扩展自身的视觉能力，使视觉的长波延伸到亚毫米波、短波延伸到紫外线、x射线， 并可以在超快速度条件下检测诸如核反应、航空器发射等变化过程。光电检测技术以其所具有高精度、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点，将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等许多科学领域。

在工业领域方面主要表现在在线检测如零件尺寸、产品缺陷、装配定位；汽车传感器中如汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容，以及温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等。

家庭应用方面主要表现在我们日常生活的用品中，如数码相机、数码摄像机的自动对焦——红外测距传感器；自动感应灯的亮度检测——光敏电阻；空调、冰箱、电饭煲的温度检测——热敏电阻、热电偶；电话、麦克风的话音转换——驻极电容传感器等。

医疗卫生应用方面主要表现在：数字体温计中接触式——热敏电阻，非接触式有红外传感器；电子血压计的血压检测的压力传感器；血糖测试仪、胆固醇检测仪的离子传感器等[10]。

在国防和军事应用方面方面表现在夜视瞄准机系统的非冷却红外传感器技术、地基拦截器、早期预警系统、前沿部署（如雷达）、管理与控制系统、卫星红外线监测系统的方面。

光电检测技术在航天领域的应用主要用于检测参数——加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学等传感器方面。

从上面所述的应用现状可以看出，随着光电检测技术的发展及现代化进程的不断推进，光电检测技术的应用领域将越来越广，将广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等许多科学领域，其应用前景是相当乐观。

9 [9]

第4章 结论

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。

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．随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术将朝着检测结果高精度、系统智能化、检测结果数字化、检测功能多元化、检测器件微型化、检测系统自动化的放向发展，它将广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等许多科学领域，其应用前景是相当乐观[11]。

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参考文献

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[2] 徐洁．检测技术与仪表．清华大学出版社．２００４年

[3] 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

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[6] 贾伯年，俞朴. 传感器技术．东南大学出版社，1999年

[7] 董晓娇 苏绍兴 颜晓河．>.光电传感器器及其应用.2006年第35卷第1期

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[10] 邹江威. 强背景弱信号目标光电检测技术研究[D].国防科学技术大学,2004.

[11] 吕旗.基于虚拟仪器的光电检测实验台的研究[D].长春理工大学,2005.

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