光电传感器论文487260001

1、题目：光电传感器院系：计算机科学与技术学院专业：物联网工程学号：姓名：时间：2014.5.14光电传感器在科学技术高速发展的现代社会中，人类巳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。由于微电于技术，光电半导体技术， 光导纤维技术以尺光栅技术的发展，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丁广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成 的器件。

2、一、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，材料表面的电于吸收的能長、若电于吸收的能長足够大是，电 于会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电于材料的导电性，这种现象成为 外光电效应根据爰因斯坦的光电于效应，光子是运动着的粒于流，每种光于的能長为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于具有不同的能長， 光波频率越高，光于能長越大。假设光于的全部能昼交给光于，电于能長将会增加，増加的 能長一部分用于克服正离于的束缚，另一部分转换成电于能長根据能長守恒定律：mv2 = hv- A

3、2式中，m为电于质長,v为电于逸出的初速度,A微电于所做的功。由上式可知，要使光电于逸出阴极表面的必要条件是hAo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，都不会产生光电于发射，此频率限称为“红限”。相应的波长Xx式 he中，C为光速，A为逸出功。久K =K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于，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，半凰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

4、玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光于就把它的全部能長传递给阴极 材料中的一个自由电于，从而使自由电于的能旻增加h。当电于获得的能長大于阴极材料的 逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电于发射。这种电于称为光电于， 光电于逸出金属表面后的初始动能为（1/2”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于被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电于流, 称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光于数増多，单位时间内发射的光电于数也就增 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

5、现光电转换。当光线照射到光电阴极K上时，电于从阴极表面逸出，并被光电阳极的 正电厂吸收，外电路产生电流I,在负载电阻只上的电压5光电管旳光电特性如图3所示，从图中可知，在光通長不太大时，光电特性基本是一U图1光电光结构示总图2光电倍曾管由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制丁具有放大光电流能力的光 电倍增管。图4是光电倍増管结构示意图。图4光电倍増 结构示意图从图中可以看到光电倍増管也有一个阴极K和一个阳极A,与光电管不同的是在它的 阴极和阳极间设直了若干个二次发射电极，PH、D2、D3它们称为第一倍增电极、第二倍 増电极、，倍增电极通常为1015级。光电倍増管工作时，相邻电极之间保持一定电位

6、 差，其中阴极电位最低，各信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，从阴极逸出的光电于被第一倍增电极E加速，以高速轰击D1 ,弓|起二次电于发射， 一个入射的光电于可以产生多个二次电子，D1发射出的二次电于又被DI、02问的电场加 速，射向D2并再次产生二次电于发射，这样逐级产生的二次电于发射，使电于数星迅 速增加，这些电于晟石到达阳极，形成较大的阳极电流。若倍増电极有n级，各级的倍增率 为e ,则光电倍增管的倍增率可以认为是cN ,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奸的线性关系。光电倍増管 的这个特点，使它多用于

7、微光测長，3、光敏电阻光敏电阻的工作原理是墓于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上 电极引线，将其封在带有透明窃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）暗电阻光敏电阻直于室温、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）亮电阻光敏电阻直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5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。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

8、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。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,它首先把被测長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，而且可测参教多，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.光源f信号电子测可用信号量电路电参星圉6光电伎感器的基本结构图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，来达到测長目的的，因此

9、 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，电源的檢定性宜接影响到测長的准确性，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，并能和集成电站相匹配。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鸭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。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

10、以配以放大 电路,如图9所示。0/甸9光敏晶粹管测垦电路Q光敏二极管测量电昭 3光敏三极管测量电昭由于光敏电池即使在强光照射下，昙大输出电压也仅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。为丁减小晶体管基板电路阻抗变 化，尽星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)所示的那样利用错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6 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)a)所示。图10光电也测星电路半导体光电元件的光电转换电笳也可以使用集成运算放大

11、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直，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，可以得到较奸的效果。在图中所示条件下，输出电压U =U 11使用放大器的光敏元件放大电路a）硅光敏二极管放犬电路b）硅光电池放犬电路由光通長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）输出長性质可分二类，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長转换成连续变化的光电流，它与被测長间呈单值关系模拟式光电传 感器按被测長德测目标物体）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，恒光源发出的光能長穿过被测物，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