光电传感器的发展及应用

光电传感器的发展及应用摘要: 近年来光电传感器得到了较大的发展,本文首先介绍了光电传感器的新应用,并且阐述了光电传感器技术在光电子材料、关键设备方面,在通信用光电子材料、器件与集成技术方面。

在面向信息获取、处理和利用的光电子材料方面所要取得的进步。

关键词: 光电传感器, 新应用, 新发展The new development and applicationof photoelectrical sensorAbstract: Recently Photoelectrical sensor made a rapid development, this Paper first introduces application of Photoelectricalsensor, and expounds Photoelectrical sensor technology will achievemuch progress in Photoelectron material and important equipment field,Photoelectron material using by communication and parts of an apparatusand integrated technology field、acquired-information ,dispose andutilize Photoelectron material field.Keywords: Photoelectrical sensor, new application, new development 一、前言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，因此在检测和控制领域中得到广泛应用。

常见的光电传感器有光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电祸合器、颜色传感器、红外光传感器、紫外线传感器、光纤传感器和CC D 图像传感器。

在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入信息时代，在人们平常生活、生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节。

由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的技术不断取得突破,应用也越来越广泛。

二、光电传感器的定义[2]光电传感器，是基于光电效应的传感器，在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。

它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如下图所示。

图中1Φ是光源发出的光信号，2Φ是光电器接受的光信号，被测量可以是X1或者X2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电流信号I 。

光电传感器结构框图三、光电传感器的简介1、我国目前的发展状况[1]我国的优势有：①已经形成了研究、生产和应用体系、人材队伍和部分传感技术的优势，是进一步发展的基础；②有一批先进的成果，如刀具／砂轮监控仪系列成果，石油油井用高温、高压传感检测系统、高精度热敏检测传感等等；③有一个量大面广的用户市场。

不足之处有：①研究开发战略在系统性上的不足，如：传感器与传感系统未能统一布置，形成两套并列，相互脱节的攻关；②对传统传感器的革新改进不足，微小型化步子慢，在国内与国际市场上形不成竞争力；③加紧特殊环境和工程项目传感技术的研究开发；④集成化、智能化和纳米技术与国外差距大。

2、理论基础——光电效应[2]用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为hv 的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性的被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物理现象称为光电效应。

通常把光电效应分为三类：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。

除金属外，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著，根据光导效应制造的光电元件有固有入射光频率，当光照在光电阻上，其导电性增强，电阻值下降。

光强度愈强，其阻值愈小，若停止光照，其阻值恢复到原阻值。

3、光电元件及特性[6]根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。

1）光电管光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图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，光电子逸出金属表面后的初始动能为2)21(mv光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。

在人射光频率大于“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，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。

当光线照射到光电阴极K上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I，在负载电阻LR上的电压0U光电管的光电特性如图3 所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。

2）光电倍曾管由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。

图4是光电倍增管结构示意图。

图1光电光结构示意图图2光电管测量电路图3光电管的光电特性从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极K 和一个阳极A ，与光电管不同的是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3…它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、…，倍增电极通常为10～15级。

光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。

当入射光照射阴极K 时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极D1加速，以高速轰击D1 ，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以产生多个二次电子， D1发射出的二次电子又被D1、D2问的电场加速，射向D2并再次产生二次电子发射……，这样逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。

若倍增电极有n 级，各级的倍增率为σ ，则光电倍增管的倍增率可以认为是σN ，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。

在输出电流小于1mA 的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。

光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。

3）光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。

光敏电阻的特性和参数如下：暗电阻：光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。

亮电阻：光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。

4）伏安特性 光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如下图所示。

从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。

5）光电特性 光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。

光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。

6）光谱特性 入射光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。

入图4光电倍增结构示意图伏安特性曲线射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光谱特性。

使用时可根据被测光的波长范围，选择不同材料的光敏电阻。

7）响应时间 光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。

同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性。

光敏电阻上升响应时间和下降响应时间约为10-1～10-3s ，即频率响应为10Hz ～1000Hz ，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个主要缺点。

8）温度特性 光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降，这也是光敏电阻的另一缺点。

9）频率特性 频率特性是指外加电压和入射光强一定是，光电流I 与入射光的调制频率f 之间的关系，）（f κ=I ，光电二极管的频率特性较光电三极管的频率特性好，这是由于光电三极管的基射结存在电容和载流子基区需要时间的缘故。

利用内光电效率原理制造的光电元件的频率特性最差，这是由于俘获载流子和释放电荷都需要一定时间的缘故。

四、光电传感器技术的典型应用光电传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量, 如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等; 也可用来检测能转换成光电量变化的其它非电量, 如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度, 以及物体形状、工作状态的识别等。

光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点, 因此在工业自动化装置和机器人中获得广一泛应用。

(1) 应用一: IR I 1001在重庆机场检测“非典”中的应用检测[3]英国IRI 1001红外线热成像仪通过接收人体热红外线辐射能量, 达到检测人的体表温度效果。

该系统成像分辩率高、对比度好、响应时间快、非接触式体温检测,有效的控制了“SARS ”的蔓延。

成为了防疫S A R S 的第一道防线。

工作原理:所有物体都会发出红外线能量。

物体越热,其分子就愈加活跃, 它所发出来的红外线能量也就越多, 英国IR I 10 1 红外线热成像仪是一台精致小巧, 操作方便的热成像仪, 它将光学镜头、传感器、电子驱动组件、光学调变器、以及充电电池等主要组件,全部整合在铝合金铸模盒内, 而总重量仅约1.3公斤左右。

使用者与个人计算机相连接,整合成一套可应用于机场进出口站、或火车站进出口站旅客的体温热像检测、监视系统。

它的光学镜头可以聚集来自人体的辐射红外线能量,并把该能量聚焦在探测器上。