第6章 光电传感器重点

1. 概述
光电传感器以光电效应为基础，是一种将光信号转换 为电信号的传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测 元件的传感器。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系统中应用非常广泛。
光电效应的分类： （1）在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为 外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍 增管等。 （2）在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为 内光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏 晶体管等。 （3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象 称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池 等。
2.1 外光电效应
当入射光照射在阴极上时，阴极受到光子轰击时，由于 一个光子的能量只能传给一个电子，因此，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hv。当自由电子获得的能量大于阴极材料的 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)mv2。根据能量守恒定律可知：
Байду номын сангаас
2. 光电效应及光电元件
根据爱因斯坦光子假设学说，光可以看作是一串具有一定 能量的运动着的粒子流，而这些光粒子称为光子。每个光子所 具有的能量等于普朗克常数h乘以频率γ 。由于光子的能量与 其频率成正比，故光的频率越高，其光子能量也越大。 当光线照射到某一物体上，可以看作是此物体受到一串能 量为hγ 的光子的不断轰击，物体由于吸收能量为hγ 的光子后 所产生的电效应即称为光电效应。光线照射到物体上所产生的 光电效应通常可以分为外光电效应（也称光电发射）、光电导 效应和光伏特效应三类。根据光电效应的不同可以制成不同的 光电元件。
A K
IΦ E RL U0
光电管结构示意图和测量电路
光电管有多种类型，最典型的是真空光电管。正常工作 时，阳极电位高于阴极。在入射光频率大于“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。电流IФ和电阻只RL上的电压降U0就和光强
发展史： 光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到 的光强的变化。 早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆 柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接 收器输出电缆接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个 小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天 光电传感器的雏形。
第六章 光电传感器
目的要求：通过学习要求掌握光电传感器的基本原理， 学会选用方法和技巧，能用其组成测量系统。
本章主要讲述的内容： 光电效应及光电元件 光的产生和常见光源 光电传感器的类型及应用 CCD图像传感器概述 电荷耦合器件（CCD） CCD的主要特性 CCD应用举例
1970年，人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点， 就是它能够以非常快的速度来开关，开关速度可达到KHz。 将接收器的放大器调制到发射器的调制频率，那么它就 只能对以此频率振动的光信号进行放大。 我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。 将收音机调到某台，就可以忽略其他的无线电波信号。经过 调制的LED发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相 当于收音机。
（3）因为一个光子能量只能传给一个电子，所以电子 吸收能量不需要积累能量的时间，在光一照到物体上，就立 即有光电子发出，据测该时间不超过10-9s。
根据外光电效应制成的光电元件类型很多，主要有光电 管、光电倍增管等。
（1）光电管
光电管是利用外光电效应制成的光电元件，其外形和结 构如图所示，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。
如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话，那么它 就可以被周围光源接收器可靠检测到。红外光LED是效率最高 的光束，同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。但是 有些传感器需要用来区分颜色（如色标检测），这就需要用可 见光源。 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。 光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外 皮。这层金属外皮的密度比光芯要低，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。
LED（发光二极管）最早出现在19世纪60年代，现在可 以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用。 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，所以能延长传感器的使用寿命。使用LED的光电传感 器能做得很小，且比白炽灯传感器可靠。LED抗震动抗冲击 能力强，并且没有灯丝。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。
1 2 hv mv A 2
该式称为爱因斯坦光电效应方程。
结论：（1）当光子能量hv大于逸出功A时，才能发射出 光电子，即才能产生光电效应；当光子能量hv小于逸出功A 时，物体不能发射出光电子，也就不能产生光电效应；当光 电子能量hv恰好等于逸出功A时，光电子获得的初速度v=0， 此时光电子相应的单色光频率为v0，且有：hv0=A，v0为该物 体产生光电效应的最低频率，称为红限频率。 （2）光电子的初动能取决于入射光的频率v。因为对于 某种物质而言，其电子的逸出功是一定的。入射光频率v越 高，则电子吸收的能量hv越大，即电子的初动能越大。电子 的初动能与频率成正比。