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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 在科学技术髙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，自动调卩，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、髙可靠性、髙精度、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
2、 的器件。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，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能疑足够大是，电 子会克服朿缚脱离材料表而而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为 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，每种光子的能疑为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子具有不同的能量,光波频率越髙，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朿缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒泄律：mv=hv-
3、A 2 式中，m为电子质：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而的必要条件是hA。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”。相应的波长入X式 he 中，C为光速，A为逸出功。几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
4、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。当电子获得的能疑大于阴极材料的逸 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）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，从阴极表而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
5、电转换。:当光线照射到光电阴极K上时，电子从阴极表面逸岀，并被光电阳极的正 电厂吸收，外电路产生电流I,在负载电阻上的电压 6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卩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基础由光电材料构成的器件一理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导电性这种现象成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
6、子流每种光子的能疑为为光波频率为普朗克常数由此可见不同频率的光子具有不同的能量光波频率越髙光子能量越大假设光子的全部能量交给光子电子光电管的光电特性如图3所示，从图中可知，在光通量不太大时.光电特性基本是一 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。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 极和阳极间设宜了若干个二次发射电极，DI、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1015级。光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一左电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐
7、级升高，阳极电位最髙。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DI、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。，则光电倍增管的倍增率可以认为是（N,因此，光电倍增管有极髙的灵敏度。在输出电流小 于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范用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
8、电效应。在半导体光敏材料的两端装上 电极引线，将英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、全暗条件下的稳立电阻值称为暗电阻，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左光照条件下测得稳左电阻值称为亮电阻，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。图1光电光结构示总图 U 图4光电倍増 结构示意图 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
9、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卩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基础由光电材料构成的器件一理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导电性这种现象成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疑为为光波频率为普朗克常数由此可见不同频率的光子具有不同的能量光波频率越髙光子能量越大假设光子的全部能量交给光子电子 5、光电特性光敏电阻两极间电压固立不变时，光照度与
10、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。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 髙，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
11、个恒光源，电源稳立性的 设计至关重要，电源的稳左性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种：信号 -电子测 可用信号 量电路 -光源 f 电参星 圉6光电伎感器的基本结构 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卩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基础由光电材料构成的器件一理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导电性这种现象成为外
12、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疑为为光波频率为普朗克常数由此可见不同频率的光子具有不同的能量光波频率越髙光子能量越大假设光子的全部能量交给光子电子K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、机械强度髙等优点，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、统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鸽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
13、的输出功率时，也可以配以放大 电路，如图9所示。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，最大输岀电压也仅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“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。a)图 10 光电也测星电路 社会中人类已经入瞬息万变的信
14、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卩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基础由光电材料构成的器件一理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导电性这种现象成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疑为为光波频率为普朗克常数由此可见不同频率的光子具有不同的能量光波频率越髙光子能量越大假设光子的全部能量交给光子电子半导体光电元件的光电转
15、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 放可得到较大输岀幅度，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 TJ=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
16、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，它与被测虽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，再从被测物体表而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苴中一部份,使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路
17、位苣有关，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，它输岀的光电流通常是只有两种稳泄状态的脉冲形 式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。a)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卩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基础由光电材料构成的器件一理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导电性这种现象成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疑为为光波频率为普朗克常数由此可见不同频率的光子具有不同的能量光波频率越髙光子能量越大假设光子的全部能量交给光子电子