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光电传感器论文
传感器与检测技术论文
光电式传感器

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。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。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来,新的光电器件不断涌现,D图像传感器的诞生,为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。



1887年,赫兹发现光电效应,爱因斯坦第一个成功解释光电效应。爱因斯坦根据普朗克量子假说而进一步提出的光量子,即光子概念,对光电效应研究做出了决定性的贡献。爱因斯坦光子假说的核心思想是:表面上看起来连续的光波是量子化的。单色光由大量不连续的光子组成。若单色光频率为n,那么每个光子的能量为E=hv, 动量为
。
由爱因斯坦光子假说发展成现代光子论(photon theory)的两个基本点是:
(1) 光是由一颗一颗的光子组成的光子流。每个光子的能量为E = hv,动量为。由N个光子组成的光子流,能量为N hv。
(2) 光与物质相互作用,即是每个光子与物质中的微观粒子相互作用。
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根据能量守恒定律,约束得最不紧的电子在离开金属面时具有最大的初动
能,所以对于电子应有:
内光电效应
光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量,并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。
光电效应:当具有一定能量E的光子投射到某些物质的表面时,具有辐射能量的微粒将透过受光的表面层,赋予这些物质的电子以附加能量,或者改变物质的电阻大小,或者使其产生电动势,导致与其相连接的闭合回路中电流的变化,从而实现了光—电转换过程。在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应。属于内光电效应的光电转换元件有光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管等。

光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应(又称为光电效应、光敏效应),即光电导效应是光照射到某些物体上后,引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量,使非
传导态电子变为传导态电子,引起载流子浓度增大,因而导致材料电导率增大。在光线作用下,对于半导体材料吸收了入射光子能量, 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度, 就激发出电子-空穴对,使载流子浓度增加,半导体的导电性增加,阻值减低,这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。

光电转换元件的种类很多,常用的元件有光电管,光敏电阻,光电池等。限于篇幅这里我们着重讲解光电管的有关特性。

光电管的特性主要取决于光电极的材料,其基本的特性是光谱特性,光电特性和伏安特性。
①光谱特性
用单位辐射通量不同波长的光分别照射光电管,在光电管上产生大小不同的光电流。这里,光电流I与光波波长λ的关系曲线称为光谱特性曲线,又称频谱特性。
对于不同波长区域的光,应选用不同光电阴极的光电管。此外在测量与控制技术中,光电管可以担负人眼不能胜任的工作。
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②光电特性
光电管在固定阳极电压下,光通量与光电流(阳极电流)之间的关系称为光电特性。图4—34为光电管的光电特性曲线。从图4—34可知,光电管的光电特性基本上呈线性关系,直线的斜率为其灵敏度。
③伏安特性
光电管在光通量一定的情况下,阳极电压与阳极电流的关系称为伏安特性。图4—35为光电管的伏安特性曲线。在阳极电压大于50V时,光电流开始饱和,阳极电流近于常数,而与电压无关。真空光电管一般工作于伏安特性的饱和部分,内阻达几百兆欧。


由光通量对光电元件的作用原理[1]不同所制成的光学测控系统是多种多样
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的,按光电