光電傳感器工作原理

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1、工作原理摘要：光電傳感器是利用光電子應(yīng)用技術(shù)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)從而檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)的一種裝置。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高，反應(yīng)快，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，體積小。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫和氣體成分等；也可用來檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度和加速度，以及物體形狀、工作狀態(tài)等。光電式傳感器具有非接觸，響應(yīng)快，性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是C

2、CD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁(yè)。關(guān)鍵字：光電元件、檢測(cè)技術(shù)、傳感器、應(yīng)用一、光電傳感器工作原理光電式傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng),即半導(dǎo)體材料的許多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化。光電效應(yīng)通常分為兩大類,即外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指物質(zhì)吸收光子并激發(fā)出自由電子的行為。當(dāng)金屬表面在特定的光輻照作用下,金屬會(huì)吸收光子并發(fā)射電子,發(fā)射出來的電子叫做光電子。光的波長(zhǎng)需小于某一臨界值(相等于光的頻率高于某一臨界值)時(shí)方能發(fā)射電子,其臨界值即極限頻率和極限波長(zhǎng)。由E=hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光電子在脫離金屬表

3、面后還有剩余的能量,也就是說有些光電子具有一定的動(dòng)能。因?yàn)椴煌碾娮用撾x某種金屬所需的功不一樣,所以它們就吸收了光子的能量并從這種金屬逸出之后剩余的動(dòng)能也不一樣。由于逸出功W是使電子脫離金屬所要做功的最小值,所以如果用E表示動(dòng)能最大的光電子所具有的動(dòng)能,那么就有下面的關(guān)系式E=hn-W(其中,h表示普蘭克常量,n表示入射光的頻率),這個(gè)關(guān)系式通常叫做愛因斯坦光電效應(yīng)方程。如圖1所示,當(dāng)光照射到距表面很近PN結(jié)上時(shí),如果光能足夠大,光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,電子就能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,成為自由電子,而價(jià)帶則相應(yīng)成為自由空穴。這些電子-空穴對(duì)在PN結(jié)的內(nèi)部電場(chǎng)作用

4、下,電子被推向N區(qū)外側(cè),使N區(qū)帶上負(fù)電,P區(qū)帶上正電。這樣,N區(qū)和P區(qū)之間就出現(xiàn)了電位差,于是PN結(jié)兩側(cè)邊產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。光敏電阻光敏電阻的原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng):在無光照時(shí),光敏電阻具有很高的阻值,在有光照時(shí),當(dāng)光子的能量大于材料禁帶寬度,價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶,激發(fā)出可以導(dǎo)電的電子-空穴對(duì),使電阻值降低;光照停止后,自由電子與空穴復(fù)合,導(dǎo)電性能下降,電阻恢復(fù)原值。光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于光電效應(yīng)只限于光照表面的薄層,一般都把半導(dǎo)體材料制成薄膜,并賦予適當(dāng)?shù)淖柚?電級(jí)構(gòu)造成梳型,這樣光敏電阻電極的距離短,載流子通過電極的時(shí)間少,而材料的載流子壽命

5、有比較長(zhǎng),于是就有很高的內(nèi)部增益,從而獲得很高的靈敏度,光電傳感器是將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來測(cè)量。在一般情況下,有三部分構(gòu)成。它們分為:發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。發(fā)送器是提供光源的,光源一般來源于半導(dǎo)體光源,發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。接收器由三部分組成;光電二極管、光電三極管、光電池。檢測(cè)電路,它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。工作方式:反射板反射式光電開關(guān):在一個(gè)裝置里裝入發(fā)光器和收光器,前方裝一反光板,利用反射原理的開關(guān)。一般看來;發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到,要是被物體擋住了,收光器接收不到光時(shí),光電開關(guān)就會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)。輸出

6、一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器,只是沒有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。要是檢測(cè)物體背光擋住了,只有部分光反射回,收光器就會(huì)收到信號(hào),作出相應(yīng)的反應(yīng)。二、光電式傳感器測(cè)量的具體過程光控電子開關(guān),它的“開”和“關(guān)”是靠可控硅的導(dǎo)通和阻斷來實(shí)現(xiàn)的,而可控硅的導(dǎo)通和阻斷又是受光的亮度的大小所控制的。該裝置適合作為街道、宿舍走廊或其它公共場(chǎng)所照明燈,起到日熄夜亮的控制作用,以節(jié)約用電。工作原理電路如圖3所示。當(dāng)在燈泡H上加載220V交流,經(jīng)全橋后變成直流脈動(dòng)電壓作為正向偏壓,從而得知此電壓在可控硅半導(dǎo)體VS及R支路上。在光亮強(qiáng)度大于

7、一定程度的白天,其中的光敏二級(jí)管電阻≤1kΩ,使三極管反相偏置而終止,發(fā)射極無電流輸出,單向可控硅VS因無觸發(fā)電流而阻斷。這時(shí)候燈泡H由于電流過小而不能發(fā)光。當(dāng)夜晚來臨時(shí)而使亮度小于一定程度時(shí),光敏二極管D呈現(xiàn)高阻狀態(tài)≥100kΩ,三極管導(dǎo)通使可控硅半導(dǎo)體VS觸發(fā)導(dǎo)通,燈泡H發(fā)光。三、光電傳感器的特點(diǎn)1、光電傳感器的元件應(yīng)用特點(diǎn)1)光敏電阻。特點(diǎn)是價(jià)格低廉，輸出電流大、受溫度的影響小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。它的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢。2)光敏二極管和光敏晶體管。特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，但它受溫度影響比較大，受光面小，而且有非常強(qiáng)的方向性，抗干擾能力弱