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第十章 光電傳感器 本章學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及光電傳感器的各種應(yīng)用，掌握光電開關(guān)及光電斷續(xù)器的使用方法。 1905年德國(guó)物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件 用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf 的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 紫外管外形 當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。 光敏電阻 當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)， 阻值減小。 光敏電阻演示 當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。 光敏二極管 將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。 光敏二極管外形 紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形 PIN光電二極管 PIN光電二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF 頻帶小信號(hào)開關(guān)、中波頻帶 APD光敏二極管（雪崩光敏二極管） 硅雪崩光電二極管是采用n+p-πp+型結(jié)構(gòu)的可見光和近紅外探測(cè)器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測(cè)、長(zhǎng)距離光纖通信、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對(duì)抗系統(tǒng)。 GD3250系列硅雪崩光電二極管的特性參數(shù) 光敏二極管的反向偏置接法 在沒有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。 光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁(yè)圖）及光電特性演示 在沒有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。 光敏三極管 光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。 光敏三極管外形 光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu) a)?內(nèi)部組成 b)管芯結(jié)構(gòu) c）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 1—集電極引腳 2—管芯 3—外殼 4—玻璃聚光鏡 5—發(fā)射極引腳 6—N+ 襯底 7—N型集電區(qū) 8—SiO2保護(hù)圈 9—集電結(jié) 10—P型基區(qū) 11—N型發(fā)射區(qū) 12—發(fā)射結(jié) 硅光敏晶體管的光譜特性 電磁波頻譜 光電特性 光電流 光敏晶閘管 光敏晶閘管有三個(gè)引出電極，即陽(yáng)極a、陰極k和門極g 。它的頂部有一個(gè)玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽(yáng)極與負(fù)載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負(fù)極，門極可懸空。當(dāng)有一定照度的光信號(hào)通過(guò)玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時(shí)，將產(chǎn)生門極電流，從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。要切斷已觸發(fā)導(dǎo)通的光敏晶閘管，必須使陽(yáng)極與陰極的電壓反向，或使負(fù)載電流小于其維持電流。光敏晶閘管的特點(diǎn)是：導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)控制。 光敏晶閘管外形 光敏面 基于光生伏特效應(yīng)的光電元件 ——光電池 在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子—空穴對(duì)， 光生 電子—空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。 光電池外形 能提供較大電流的大面積光電池外形 其他光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用 光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用 光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)） 光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)） 光電池的光電特性 一個(gè)典型的硅光電池的光電特性 1—開路電壓曲線 2—短路電流曲線 休 息 一 下 第
光電傳感器元件：光電傳感器工作原理
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光電傳感器工作原理
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光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。
[1]
中文名
光電傳感器工作原理
外文名
The working principle of photoelectric sensor
類 別
科學(xué)技術(shù)
屬 性
光電類
作 用
將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)
構(gòu) 成
光源、光學(xué)通路和光電元件
目錄
1
工作原理
2
分類和工作方式
光電傳感器工作原理工作原理
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語(yǔ)音
光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的
[1]
。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實(shí)用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過(guò)反射后，還是從這根反射線返回。
[1]
光電傳感器工作原理分類和工作方式
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⑴槽型光電傳感器把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無(wú)阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。⑵對(duì)射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測(cè)距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開關(guān)就稱為對(duì)射分離式光電開關(guān)，簡(jiǎn)稱對(duì)射式光電開關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。⑶反光板型光電開關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到;一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。⑷擴(kuò)散反射型光電開關(guān)它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測(cè)物通過(guò)時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來(lái)，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)。
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參考資料
1.
光電傳感器的工作原理
．半導(dǎo)體器件網(wǎng)[引用日期2013-06-06]
光電傳感器元件：光電傳感器的工作原理與光電元件的介紹
光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。
由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件（光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)）輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關(guān)）式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測(cè)量（檢測(cè)目標(biāo)物體）方法可分為透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻檔）三大類。所謂透射式是指被測(cè)物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過(guò)被測(cè)物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上，再?gòu)谋粶y(cè)物體表面反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物光遮其中一部份，使投射剄光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測(cè)物體在光路位置有關(guān)。
陰極材料不同的光電管，具有不同的紅限，因此適用于不同的光譜范圍。此外，即使入射光的頻率大于紅限，并保持其強(qiáng)度不變，但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會(huì)隨入射光頻率的變化而改變，即同一種光電管對(duì)不同頻率的入射光靈敏度并不相同。光電管的這種光譜特性，要求人們應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是紫外光、可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管，以便獲得滿意的靈敏度。
光電傳感器元件：光電傳感器的組成及分類
光電傳感器一般由處理通路和處理元件2 部分組成。其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電效應(yīng)是指用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為3 類：
（1 ）在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等；
（2 ）在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，如光敏電阻、光敏晶體管等；
（3 ）在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，如光電池等。
光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。
光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（可見及紫外鐳射光）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。
光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電物理量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁(yè)。
光電傳感器
光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。 把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
光電效應(yīng)原理
光電元件是光電傳感器中最重要的組成部分，它的核心工作原理是不同類型的光電效應(yīng)。根據(jù)波粒二象性，光是由光速運(yùn)動(dòng)的光子所組成， 當(dāng)物體受到光線照射時(shí)，其內(nèi)部的電子吸收了光子的能量后改變狀態(tài)，自身的電性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變，這樣的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。
根據(jù)電屬性狀態(tài)的不同變化，將光電效應(yīng)分為以下三種：
1）外光電效應(yīng)
在光線作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管，光電倍增管等
2）光電導(dǎo)效應(yīng)
半導(dǎo)體內(nèi)的電子吸收光子后不能躍出半導(dǎo)體，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻，光敏晶體管等
3）光生伏特效應(yīng)
在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池和光敏二極管、三極管等
光電元件工作原理
基于不同的光電效應(yīng)，我們來(lái)看一下他們分別是如何工作的：
外光電效應(yīng)器件
利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。
以光電管為例，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。 只有當(dāng)入射光的頻率高于極限頻率時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電子。
光電子產(chǎn)生之后，被真空管中的陽(yáng)極所吸收，從而產(chǎn)生電流。若此時(shí)增加光照強(qiáng)度，更多的光子將會(huì)照射到陰極材料，從而產(chǎn)生更多光電子，光電流也會(huì)相應(yīng)增加。在電阻R值確定的情況下，回路中的光電流與入射光的光照強(qiáng)度成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，通過(guò)測(cè)量電路讀取電流數(shù)，即可算出光照強(qiáng)度。
