光电传感器的原理及应用-.docx

光电传感器的原理及应用

作者：寻艳芳

来源：《科技资讯》2012年第36期

寻艳芳

(济宁技师学院山东济宁272000)

摘要：在科学技术高度发展的现代社会中,我们主要依靠检测技术获取、筛选和传输信息,实现自动控制。光电传感器以其精度高、反应快、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、形式灵活等优点,在自动检测技术中得到了广泛的应用。本文主要介绍了光电传感器的原理及应用

关键词:光电效应外光电效应内光电效应光电子

中图分类号:TP212.1 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)12(c)-0117-01

在高度发达的现代社会中,科技突飞猛进,信息瞬息万变,生产过程自动化已成为社会发展的必然趋势。而这些必须建立在强大的信息产业基础之上,人们只有获取大量准确、可靠的信息,再经过一系列科学分析、加工、处理,才能正确认识和掌握自然界的发展规律,带动科学技术的发展。生产过程中,我们主要依靠检测技术获取、筛选和传输信息,实现自动控制。

随着现代信息技术的发展,光子以其独特的优点:响应速度快,频宽、信息容量大,信息效率高,具有越大越大的竞争力,光子技术与微电子技术相互结合、相互渗透,已成为现代信息技术的支柱之一。应用这种技术做成的光电传感器具有精度高、反应快、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、形式灵活等优点,在自动检测技术中得到了广泛的应用。

光电传感器是一种以光电效应为理论基础,采用光电元件作为检测器件的传感器。它可以把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件,把光信号转换成电信号输出。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

1理论基础——光电效应

光电效应分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指当光照射到某些物体上,电子从这些物体表面逸出的现象,外电光效应也称为光电发射效应。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。内光电效应指的是物体在光线作用下,其内部的原子释放电子,但是这些电子并不逸出物体表面,仍然留在物体内部,从而使物体的电阻率发生变化或产生电动势。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光电池等。

1.1外光电效应

光照在光电材料上,材料表面的电子吸收能量。如果电子吸收的能量足够多,电子就会克服束缚逸出表面而进入外界空间,这就是外光电效应。

根据爱因斯坦的光电子效应,光子是运动着的粒子流,每个光子的能量为h(h为普朗克常数,h=6.63×1034J/HZ,为光波频率)。不同频率的光子具有不同的能量,光波频率越高,光子的能量就越大。如果光子的能量全部交给电子,那么电子的能量就会增加,增加的能量一部分用于克服正离子的束缚,另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律:式中m为电子质量,v为电子逸出的初速度;w为逸出功。

因此,要使光电子逸出物体表面,前提是。不同材料具有不同的逸出功,对每一种材料,入射光都有一个确定的频率限,只有当入射光的频率大于此频率限时,才会有光电子发射,否则,不论光强多大,都不会有光电子发射,此频率限称为“红限”。

2内光电效应

半导体材料的价带与导带之间有一个带隙,能量间隔为。一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但是,如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子——空穴对。这里的电子虽然没有逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。这就是内光电效应。

要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限能量,即(是低频限)或者。入射光的频率大于或者波长小于时,才会发生电子的带间跃迁。光入射光能量较小,不能使光子由价带跃迁到导带时,也可能在一个能带内的亚能级结构间跃迁。

3光电传感器的应用

光电传感器可以直接检测光量变化和引起光量变化的非电量,在检测技术、工业自动化及智能控制等领域都得到了广泛的应用,下面我们就来举例说明这种传感器在生产和生活中的应用。

3.1光电隔离器

光电隔离器是由发光二级管和光敏晶体管安装在同一个管壳内构成的。发光二级管辐射能量能有效地耦合到光敏晶体管上。可以有多种形式,比如:发光二级管—光敏晶闸管、发光二极管—光敏电阻、发光二极管—光敏三极管。其中发光二级管—光敏三极管应用最为广泛,常应用于一般信号的隔离;发光二级管—光敏晶闸管常用在大功率的隔离驱动场合;发光二级管—达林顿管或者复合管常用在低