光感式傳感器原理及其應用-0

1、機電工程系傳感器與檢測技術學習報告專業(yè)班級： 生產(chǎn)過程自動化14-2 姓 名： 張鵬宇 學 號： 2021060319 工程名稱： 光感式傳感器的應用與開展 指導教師： 劉輝 評定成績： 2021年12月15日 摘要：光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可用于檢測光量變化或直接引起光量變化的非電量，也可用于檢測能轉換成光量變化的其他非電量。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電式傳感器具有響應快、精度高、能實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制領域應用非常廣泛。關鍵詞：光

2、電式傳感器；檢測光量變化；電信號；檢測與控制。1 前言傳感器是將感受的物理量、化學量等信息，按一定規(guī)律轉換成便于測量和傳輸?shù)男盘柕难b置。電信號易于傳輸和處理，所以大多數(shù)的傳感器是將物理量等信息轉換成電信號輸出的。例如傳聲器就是一種傳感器，它感受聲音的強弱，并轉換成相應的電信號。又如電感式位移傳感器能感受位移量的變化，并把它轉換成相應的電信號。光電測量時不與被測對象直接接觸，光束的質量又近似為零，在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力。因此在許多應用場合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性。2 光電式傳感器工作原理2.1 光電效應光電效應是光照射到某些物質上，使該物質的導電特性發(fā)生變化

3、的一種物理現(xiàn)象，可分為外光電效應、內光電效應和光生伏特效應光生伏特效應包含于內光電效應，在此為特意列出三類。外光電效應是指在光線作用下，物體內的電子逸出物體外表向外發(fā)射的現(xiàn)象。光子是以量子化“粒子的形式對可見光波段內電磁波的描述。光子具有能量h，h為普朗克常數(shù)，為光頻。光子通量那么相應于光強。外光電效應由愛因斯坦光電效應方程描述：EK=h -W當光子能量等于或大于逸出功時才能產(chǎn)生外光電效應。因此每一種物體都有一個對應于光電效應的光頻閾值，稱為紅限頻率。對于紅限頻率以上的入射光，外生光電流與光強成正比。內光電效應是指在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應，分為光電導效應和光生

4、伏特效應兩類。光電導效應是指，半導體材料在光照下禁帶中的電子受到能量不低于禁帶寬度的光子的激發(fā)而躍遷到導帶，從而增加電導率的現(xiàn)象。能量對應于禁帶寬度的光子的波長稱光電導效應的臨界波長。光生伏特效應指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。光生伏特效應首先是由光子轉化為電子、光能量轉化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程?？煞譃閯輭拘Y光電效應和側向光電效應。勢壘效應的機理是在金屬和半導體的接觸區(qū)(或在PN結)中，電子受光子的激發(fā)脫離勢壘或禁帶的束縛而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下電子移向 N區(qū)外側，空穴移向 P區(qū)外側，形成光生電動勢。側向光電效應是當光電器

5、件敏感面受光照不均勻時，受光激發(fā)而產(chǎn)生的電子空穴對的濃度也不均勻，電子向未被照射局部擴散，引起光照局部帶正電、未被光照局部帶負電的一種現(xiàn)象。2.2 光電器件基于光電效應原理工作的光電轉換元件稱為光電器件或光敏元件。光電效應分為外光電效應、內光電效應和光生伏特效應，相對應的光電器件也有光電發(fā)射型、光導型和光伏型三種。光電發(fā)射型光電器件有光電管和光電倍增管；光導型光電器件有光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管；光伏型光電器件有光電池。光電器件的根本特性有光電特性和光照特性、光譜特性、伏安特性、頻率特性以及溫度特性。光電式傳感器是以光為媒介、以光電效應為根底的傳感器，主要由光源、光學通路、光電器件及測量

6、電路等組成。光電式傳感器的根本類型有透射式、反射式、輻射式、遮擋式和開關式。2.3.1 外光電效應器件工作原理光電管是利用外光電效應制成的光電元件，其外形和結構如圖1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬外表束縛而逸出，形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。根據(jù)能量守恒定律有 式中，m為電子質量；v為電子逸出的初速度。由上式可知，要使光電子逸出陰極外表的必要條件是h>A。由于不

7、同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不管光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限。相應的波長K為式中，c為光速；A為逸出功。光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在入射光頻率大于“紅限的前提下，從陰極外表逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內形成空間電子流，稱為光電流。此時假設光強增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖2所示的電路中，電流I和電阻只RL上的電壓降U0就和光強成函數(shù)關系，從而實現(xiàn)光電轉換。 圖1 光電管結構示意圖 圖2 光電管測量電路圖由于真空

8、光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖3是光電倍增管結構示意圖。 圖3 光電倍增管結構示意圖光陰極的量子效率是一個重要的參數(shù)。波長為的光輻射入射到光陰極時，一個入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù)，定義為光陰極的量子效率。光陰極有很多種，常用的有雙堿，S11及S20三種。光陰極通常由脫出功較小的銻銫或鈉鉀銻銫的薄膜組成，光陰極接負高壓，各倍增極的加速電壓由直流高壓電源經(jīng)分壓電阻分壓供給，靈敏檢流計或負載電阻接在陽極A處，當有光子入射到光陰極K上，只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功，就會有電子從陰極的外表逸出而成為光電子。在K和D1之間的電場作用下，光電子被加速后轟擊第一倍增極D

9、1，從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射每一個電子的轟擊約可產(chǎn)生35個二次電子，這樣就實現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場加速后轟擊D2，。這樣的過程一直持續(xù)到最后一級倍增極Dn，每經(jīng)過一級倍增極，電子數(shù)目便被放大一次，倍增極的數(shù)目有813個，最后一級倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽極A收集。假設倍增電極有n級，各級的倍增率為，那么光電倍增管的倍增率可以認為是n，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內具有良好的線性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。假設將靈敏檢流計串接在陽極回路中，那么可直接測量陽極輸出電流。假設在陽極

10、串接電阻RL作為負載，那么可測量RL兩端的電壓，此電壓正比于陽極電流。 圖4 光電倍增管根本電路圖4所示為光電倍增管的根本電路。各倍增極的電壓是用分壓電阻R1、R2、Rn獲得的，陽極電流流經(jīng)負載電阻RL得到輸出電壓U0。當用于測量穩(wěn)定的輻射通量時，圖中虛線連接的電容C1、C2、Cn和輸出隔離電容C0都可以省去。這時電路往往將電源正端接地，并且輸出可以直接與放大器輸入端連接，從而使它能夠響應變化緩慢的入射光通量。但當入射光通量為脈沖通量時，那么應將電源的負端接地，因為光電倍增管的陰極接地比陽極接地有更低的噪聲，此時輸出端應接人隔離電容，同時各倍增極的并聯(lián)電容亦應接人，以穩(wěn)定脈沖工作時的各級工作電

11、壓，穩(wěn)定增益并防止飽和。2.3.2 內光電效應器件工作原理光敏電阻是一種光電效應半導體器件，應用于光存在與否的感應以及光強度的測量等領域。它的體電阻系數(shù)隨照明強度的增強而減小，容許更多的光電流流過。這種阻性特征使得它具有很好的品質：通過調節(jié)供給電源就可以從探測器上獲得信號流，且有著很寬的范圍。光敏電阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底襯上覆一層光電半導體材料。金屬接觸點蓋在光電半導體面下部。這種光電半導體材料薄膜元件有很高的電阻。所以在兩個接觸點之間，做的狹小、交叉，使得在適度的光線時產(chǎn)生較低的阻值。光敏二極管的結構和普通二極管相似，只是它的PN結裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在P

12、N結上，圖5a是其結構示意圖。光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，如圖5b所示。 圖5a 光敏二極管結構示意圖 圖5b 光敏二極管根本電路 圖6 光敏三極管結構示意圖及其根本電路光敏三極管有兩個PN結，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。其結構如圖5a所示。當光敏三極管按圖5b所示的電路連接時，它的集電結反向偏置，發(fā)射結正向偏置。無光照時僅有很小的穿透電流流過，當光線通過透明窗口照射集電結時，和光敏二極管的情況相似，將使流過集電結的反向電流增大，這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子將大量注人基區(qū)，由于基區(qū)很薄，只有一小局部從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復

13、合，而大局部電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流IC。這個過程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流IC是原始光電流的(l+)倍。這樣集電極電流IC將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。3 光電式傳感器應用舉例3.1 透射式光電傳感器應用于煙塵濃度檢測透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等，以相對的方向裝在中間帶槽的支架上。當槽內無物體時，發(fā)光管發(fā)出的光直接照在光敏三極管的窗口上，從而產(chǎn)生一定大的電流輸出，當有物體經(jīng)過槽內時那么擋住光線，光敏管無輸出，以此可識別物體的有無。適用于光電控制、光電計量等電路中，可檢測物體的有無、運動方向、轉速等方面。防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。 圖7 煙塵濃度檢測系統(tǒng)組成框圖3.2 反射式光電傳感器的應用紅外漫反射式光電傳感器主要用于機器人走迷宮或避障礙物、材料的定位剪切控制、流水線上產(chǎn)品的計數(shù)、液面的上下檢測、光電測速、程控小車循黑線和避懸崖等。4 結論光電式傳感器除了能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干預等測