传感技术复习笔记（9）——光电式传感器

• 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。

1 光电效应

• 物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。
• 光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。

1.1 外光电效应

• 在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应,亦称光电发射效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
• 爱因斯坦光电效应方程
  $$h\nu =\frac{1}{2}m{v}_0^2+A_0$$

1.2 内光电效应

• 当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类

1.2.1 光电导效应

• 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
• 当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。
  
• 实现跃迁的条件是
  

1.2.2 光生伏特效应

• 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。
• 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。

2 光电器件

• 基于光电效应工作的器件

2.1 外光电效应器件

• 利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。

2.1.1 光电管及其基本特性

• 光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似，由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。
  
• 光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。
• 当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在外电路作用下形成电流。

充气光电管

（1）内充有少量的惰性气体，如氩、氖；
（2）当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的过程中，和气体的原子发生碰撞使气体电离；
（3）增大了光电流，从而使灵敏度增加；
（4）但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例，因而稳定性较差。

2.1.2 光电倍增管

• 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。
  

2.2 内光电效应器件

• 利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

2.2.1 光敏电阻

• 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。
• 优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。
• 不足：需要外部电源，有电流时会发热。
  
• 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。
• 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。

2.2.2 光电池

• 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。

2.2.3 光敏二极管和光敏三极管

• 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几十μA。

3 光电式传感器的应用

• 光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式：
  辐射、吸收、遮光、反射

3.1 辐射式：

• 光源本身是被测物，被测物发出的光量投射到光电器件上，光电器件的输出反映了光源的某些参数。典型应用如非接触式高温测量、光照度计等。

3.2 吸收式

• 光源发射的光量穿过被测物。一部分光量由被测物吸收，剩余的光量照射到光电器件上，被吸收的光量与被测物透明度有关。典型应用如透明度计、浊度计等。

3.3 遮光式

• 光源发射的光量被测物遮去一部分，使作用在光敏器件上的光减弱，减弱程度与被测物在光学通路中的位置有关。典型应用如非接触式测位置、工件尺寸测量等。

3.4 反射式

• 光源发射的光量照射到被测物上，被测物将部分光反射到光电器件上，反射的光通量与反射表面的性质、状态和光源间的距离有关。典型应用如位移、振动测试、工件表面的粗糙度等。