光电传感器调研报告

目录

前言：

一、理论基础——光电效应

二、光电传感器原理

三、光电元件

3.1光电管

3.2光敏电阻

四、光电传感器特性

4.1伏安特性

4.2光电特性

4.3光谱特性

五、光电传感器的应用

LED（发光二极管）

超声波传感器

光纤

六、总结

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前言：

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，它是一种以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。

一、理论基础——光电效应

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，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，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h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:

m=hv-W

式中，m为电子质量, v为电子逸出的初速度, w为电子所做的功。

由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>w.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，此频率限叫做“红限”。

当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。它属于内光电效应。当光照在半导体上是，若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度，则电子从价带跃迁到导带，形成电子，同时，价带留下相应的空穴。电子、空穴仍留在半导体内，并参与导电在外电场作用下形成的电流。除金属外，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著，根据光导效应制造的光电元件有固有入射光频率，当光照在光电阻上，其导电性增强，电阻值下降。光强度愈强，其阻值愈小，若停止光照，其阻值恢复到原阻值。半导体受光照射产生电动势的现象称为光生伏特效应，据此效应制造的光电器件有光电池，光电二极管，管控晶闸管和光耦合器等。

二、光电传感器原理

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，它的基本结构如图所示，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。

光电传感器一般由三部分构成，它们分为:发送器、接收器和检测电路，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维，三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳.上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一-样，反向电流很小(

图.光电传感器的基本结构 

三、光电元件

3.1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,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w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m。

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。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RL上的电压UO。 

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，光电特性基本是一条直线。

3.2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、全暗条件下的稳定的电阻值称为暗电阻，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的电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。

 

四、光电传感器特性

4.1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.光敏电阻的伏安特性 

4.2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。

4.3光谱特性

入射光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光谱特性。使用时可根据被测光的波长范围，选择不同材料的光敏电阻。

五、光电传感器的应用

LED（发光二极管）

发光二极管最早出现在19世纪60年代，LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。不像白炽灯那样，LED抗震动，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。(激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离)。LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。

超声波传感器

声波传感器所发射和接收的声波，其振动频率都超过了人耳所能听到的范围。它是通过计算声波从发射，.经被测物反射回到接收器所需要的时间，来判断物体的位置。对于对射式超声波传感器，如果物体挡住了从发射器到接收器的声波，则传感器就会检测到物体。与光电传感器不同，超声波传感器不受被测物透明度和反光率的影响，因此在许多使用超声波传感器的场合就不适合使用光电传感器来检测。

光纤

安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用，是无源元件，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。

光纤有一根玻璃光芯，外围包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比要低，因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处(入射角在一定范围内)，被全部反射回来。根据光学原理，所有光束都可以由光纤来传输。

两条入射光束(入射角在接受角以内)沿光纤长度方向经多次反射后，从另一端射出。另一条入射角超出接受角范围的入射光，损失在金属外皮内。这个接受角比两倍的最大入射角略大，这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响(弯曲半径要大于最小弯曲半径)。大多数光纤是可弯曲的，很容易安装在狭小的空间。

六、总结

光电传感器由于非接触、高可靠性等优点，在测量时，对被测物体损害小，所以自其发明以来就在测量领域有着举足轻重的地位，目前它已广泛应用于测量机械量、热工量、成分量、智能车系统等。现在它在电力系统自动并网装置中起到了非常重要的作用，因为发电机投入电网运行常采用准同法，必须满足频率一致，相位一致，电压幅值相等，其中的一个条件在系统设计时已经满足，后三个条件必须同时满足才能并网，当然人工并网比较困难，光电并网比较容易。

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，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。