光感式传感器原理及其应用

光电式传感器原理及其应用

姓名

(测仪111班，刘俊杰，5801211048) Principle and application of photoelectric sensor

英文姓名

(measurement of class 111, Junjie Liu, 5801211048)

摘要：光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测光量变化或直接引起光量变化的非电量，也可用于检测能转换成光量变化的其他非电量。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。光电式传感器具有响应快、精度高、能实现非接触测量等优点，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领域应用非常广泛。

关键词：光电式传感器；检测光量变化；电信号；检测与控制。

Abstract:photoelectric sensor is photoelectric device as a sensor element. It can be used for non electric quantity detection light intensity or directly caused by light intensity, and can also be used for detection can be converted into other non electrical quantity change. It divides the changes measured into optical signal changes, then with the help of optoelectronic devices to convert optical signals into electrical signals. Photoelectric sensor has the advantages of fast response, high precision, can realize the

non-contact measurement etc., and measurable parameters, the sensor has the advantages of simple structure, flexible and diverse forms, therefore, application of photoelectric sensors in the detection and control field is very wide.

Key words:photoelectric sensor; detection of light intensity; signal; detection and control.

1 前言

传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的信号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。例如传声器就是一种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电信号。又如电感式位移传感器能感受位移量的变化，并把它转换成相应的电信号。

光电测量时不与被测对象直接接触，光束的质量又近似为零，在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器有明显的优越性。

2 光电式传感器工作原理

2.1 光电效应

光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的导电特性发生变化的一种物理现象，可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应（光生伏特效应包含于内光电效应，在此为特意列出）三类。

外光电效应是指在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。光子是以量子化“粒子”的形式对可见光波段内电磁波的描述。光子具有能量hν，h为普朗克常数，ν为光频。光子通量则相应于光强。外光电效应由爱因斯坦光电效应方程描述：

EK=hν-W

当光子能量等于或大于逸出功时才能产生外光电效应。因此每一种物体都有一个对应于光电效应的光频阈值，称为红限频率。对于红限频率以上的入射光，外生光电流与光强成正比。

内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应，分为光电导效应和光生伏特效应两类。光电导效应是指，半导体材料在光照下禁带

中的电子受到能量不低于禁带宽度的光子

的激发而跃迁到导带，从而增加电导率的现象。能量对应于禁带宽度的光子的波长称光电导效应的临界波长。光生伏特效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不

同部位之间产生电位差的现象。

光生伏特效应首先是由光子转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。可分为势垒效应（结光电效应）和侧向光电效应。势垒效应的机理是在金属和半导体的接触区(或在PN结)中，电子受光子的激发脱离势垒（或禁带）的束缚而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，形成光生电动势。侧向光电效应是当光电器件敏感面受光照不均匀时，受光激发而产生的电子空穴对的浓度也不均匀，电子向未被照射部分扩散，引起光照部分带正电、未被光照部分带负电的一种现象。

2.2 光电器件

基于光电效应原理工作的光电转换元

件称为光电器件或光敏元件。光电效应分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应，相对应的光电器件也有光电发射型、光导型和光伏型三种。

光电发射型光电器件有光电管和光电

倍增管；光导型光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管；光伏型光电器件有光电池。

光电器件的基本特性有光电特性和光

照特性、光谱特性、伏安特性、频率特性以及温度特性。

光电式传感器是以光为媒介、以光电效应为基础的传感器，主要由光源、光学通路、光电器件及测量电路等组成。

光电式传感器的基本类型有透射式、反射式、辐射式、遮挡式和开关式。

2.3.1 外光电效应器件工作原理

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

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。

根据能量守恒定律有

A

-

h

m

2

1

2ν

ν=

式中，m为电子质量；v为电子逸出的初速度。由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A。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，此频率限称为“红限”。相应的波长λK为

A

hc

K

=

λ

式中，c为光速；A为逸出功。光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。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。在图2所示的电路中，电流IФ和电阻只RL上的电压降U0就和光强成函数关系，从而实现光电转换。

图1 光电管结构示意图