光电传感器的应用与发展趋势

光电传感器的应用与发展趋势

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

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。

一、应用背景

光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。最后，随着技术的不断发展，光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争。因而光电传感器得到了广泛的应用与长足的发展。

二、光电效应

光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect），一般包括外光电效应、光导效应与光生伏特效应。

根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数，h＝6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量部分将克服正离子束缚，另一部分将转换成电子能量。根据能量守恒定律：1/2mv²=hv-A(m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做功)，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。

当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。它属于内光电效应。当光照在半导体上，若电子的能量与半导体禁带的能级宽度，则使电子从价带跃迁到导带形成电子。同时，价带留下相应的空穴，导致电子空穴仍留在半导体内，并参与导电在外电场作用形成的电流。

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的固有入射光频率，当其光照在光电阻上时，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。

半导体受光照射产生电动势的现象称为光生伏特效应，据此效应制造的光电器件有光电池，光电二极管，管控晶闸管和光耦合器等。

三、光电传感器

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，其结构如下：

图1 光电传感器的结构

由上可知，其首先把被测量的变化转换成光信号,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号；其次，光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成；再次，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,使光电式传感器在检测和控制中广泛应用。

1.光源

光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源来达到测量目的的关系，因此光电传感器的光源有着重要的地位，常用光源有以下几种：

⑴发光二极管

是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。

⑵丝灯泡

这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。

⑶激光

激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。

由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须

配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。另外，不同的光电元件，所要求的测量电路是不相同，并且在各种导体的光电元件常用测量电路与各种红外线传感器的工作方式更是各有所异，在此就不一一描述。

2.电子测量电路

由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用图2所示的电路。

图2 光敏电阻测量电路

图3给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。图中一个光敏二极管作为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。

图3 光敏晶体管测量电路

半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度，如图4（a）所示。当光照产生的光电流为I Ф时，输出电压U0=IФRF为了保证光敏二极管处于反向偏置，在它的正极要加

一个负电压。图4（b）给出硅光电池的光电转换电路，由于光电池的短路电流和光照成线性关系，因此将它接在运放的正、反相输入端之间，利用这两端电位差接近于零的特点，可以得到较好的效果。在图中所示条件下，输出电压U0=2I ФRF。

图4 使用运放的光敏元件放大电路

3.光电元件

1.光电管

光电管有真空光电管和充气光电管两类，在此只介绍光电管的结构、电路及特性。

（1）光电管结构

图5 光电管结构示意图

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，使自由电子能量增加到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（1/2） mv²