新型传感器及其应用作业

光效应传感器报告

专业：控制理论与控制工程

姓名：贾亚飞

学号：S11081101053

光效应传感器报告

近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点。我国在传感器生产产业化过程中，应该在引进国外技术和自主创新两方面都不放松。在引进国外先进技术中，可以提高自己的技术，同时也满足了国内市场的需求，形成了传感器生产产业规模。

传感器是一种把非电量转变的电信号的器件，而检测仪表在模拟电路情况下，一般是包括传感器、检测点取样设备及放大器(进行抗干扰处理及信号传输)，当然还有电源及现场显示部分(可选择)，电信号一般分连续量、离散量两种，实际上还可分成模拟量、开关量、脉冲量等，模拟信号传输采用统一信号(4-20mADC 等)。数字化过程中，检测仪表变化比较大，经过几个阶段，近来多采用ASIC专用集成电路，而且把传感器和微处理器及网络接口封装在一个器件中，完成信息获取、处理、传输、存贮等功能。在自动化仪表中经常把检测仪称为变送器，如温度变送器、压力变送器等。

按引起传感效应的物理量来区分，新型传感效应可分为光效应、磁效应、力效应、化学效应、生物效应等。其中光效应传感器可按如下进行分类：光电效应（光电导效应、光生伏特效应）、电光效应（克尔效应、光弹效应）、光多普勒效应。以下着重介绍光电效应传感器的原理、传感系统及其应用。

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，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号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。

1.光电效应原理

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。

光电效应可以分成以下三类：

（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。

1.1 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2

)2/1(mv。根据能量守恒定律

可知：

1

hv+

=2

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。

（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。

1.2 内光电效应

物体受到光线照射后，其内部的原子会释放出电子，但这些被释放的电子并不能逸出物体表面，而是仍然留在物体内部，结果使物体的电阻率发生变化或产生一定方向的光电动势，这种现象称为内光电效应。前者称为光电导效应，后者称为光伏特效应。

半导体材料在外界光线的作用下，电导率增加的现象称为光电导效应。半导体材料的导电能力取决于半导体内部载流子的数目，如果载流子的数目增加，则半导体的导电率会增加。半导体中参与导电的载流子有自由电子和空穴两种。通常情况下，半导体原子中的价电子被束缚在价带中，当价电子从外界获取了足够的能量后，它会受到激发而从价带跃迁到导带，成为一个自由电子，与此同时价带原来价电子的位置上会形成空穴。由于自由电子和空穴都参与导电，所以使半导体的电导率增加了。

1.3 光伏特效应

光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。

光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅光电池，因为它有一系列优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高，能耐高温辐射等。另外，由于硒光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。

2. 光电效应传感系统

光电传感器在一般情况下，有三部分构成

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。分类和工作方式⑴槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。⑵对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。⑶反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光