光電式傳感器概述

光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，具有非接觸，高精度，高可靠性和反應(yīng)快等特點(diǎn)，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

photoelectric transducer

光電式傳感器有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電二極管和光電三極管、光電池、半導(dǎo)體色敏傳感器、光電閘流晶體管、熱釋電傳感器、光電耦合器件等光電元件。另外，光電式傳感器還可分為模擬式光電式傳感器和脈沖式光電式傳感器兩類。

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。近年來(lái)，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電式傳感器已成為系列產(chǎn)品其品種及產(chǎn)量日益增加。用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格的產(chǎn)品它在機(jī)電控制、計(jì)算機(jī)、國(guó)防科技等方面。

它是光照射到某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)的導(dǎo)電特性發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象，可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三類。外光電效應(yīng)是指，在光線作用下物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的物理現(xiàn)象。光子是以量子化"粒子"的形式對(duì)可見(jiàn)光波段內(nèi)電磁波的描述。光子具有能量hv，h為普朗克常數(shù)，v為光頻。光子通量則相應(yīng)于光強(qiáng)。外光電效應(yīng)由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程描述:

Ek =hν -W

其中，h表示普朗克常量，ν表示入射光的頻率)。當(dāng)光子能量等于或大于逸出功時(shí)才能產(chǎn)生外光電效應(yīng)。因此每一種物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)于光電效應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率。對(duì)于紅限頻率以上的入射光，外生光電流與光強(qiáng)成正比。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。光電導(dǎo)效應(yīng)是指，半導(dǎo)體材料在光照下禁帶中的電子受到能量不低于禁帶寬度的光子的激發(fā)而躍遷到導(dǎo)帶，從而增加電導(dǎo)率的現(xiàn)象。能量對(duì)應(yīng)于禁帶寬度的光子的波長(zhǎng)稱光電導(dǎo)效應(yīng)的臨界波長(zhǎng)。光生伏打效應(yīng)是指光線作用能使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光生伏打效應(yīng)又可分為勢(shì)壘效應(yīng)(結(jié)光電效應(yīng))和側(cè)向光電效應(yīng)。勢(shì)壘效應(yīng)的機(jī)理是在金屬和半導(dǎo)體的接觸區(qū)(或在PN結(jié))中，電子受光子的激發(fā)脫離勢(shì)壘(或禁帶)的束縛而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下電子移向 N區(qū)外側(cè)，空穴移向 P區(qū)外側(cè)，形成光生電動(dòng)勢(shì)。側(cè)向光電效應(yīng)是當(dāng)光電器件敏感面受光照不均勻時(shí)，受光激發(fā)而產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的濃度也不均勻，電子向未被照射部分?jǐn)U散，引起光照部分帶正電、未被光照部分帶負(fù)電的一種現(xiàn)象。

光子，光子能量;光電子

外光電效應(yīng)是指在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。

在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng):光敏電阻、光敏二極管(晶體管)

光生伏特效應(yīng):光電池

無(wú)光照時(shí)，光敏電阻阻值很大，電路中電流很小;當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值急劇減小，電路中電流迅速增大。

1.光敏二極管

光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)

暗電流、光電流(光照越強(qiáng)，光電流?)

2.光敏三極管

基極無(wú)引出線，集電極相對(duì)于發(fā)射極為正電壓

當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí), 就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì), 從而形成光電流, 相當(dāng)于三極管的基極電流。因此集電極電流是光生電流的β倍, 所以光敏晶體管有放大作用。

一個(gè)大面積的PN節(jié)，光照下產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)向兩級(jí)擴(kuò)散，形成與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。

1.光電耦合器

2.光電開(kāi)關(guān)

結(jié)構(gòu):MOS電容器→光敏元或像素;MOS陣列→CCD器件

原理:如圖所示 :

基于外光電效應(yīng)的光電敏感器件有光電管和光電倍增管?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的有光敏電阻?；趧?shì)壘效應(yīng)的有光電二極管和光電三極管(見(jiàn)半導(dǎo)體光敏元件)。基于側(cè)向光電效應(yīng)的有反轉(zhuǎn)光敏二極管。光電式傳感器還可按信號(hào)形式分為模擬式光電傳感器(見(jiàn)位移傳感器)和數(shù)字式光電傳感器(見(jiàn)轉(zhuǎn)速傳感器、光柵式傳感器、數(shù)字式傳感器)。光電式傳感器還有光纖傳感器、固體圖像傳感器等。

1839年A.E.貝可勒爾發(fā)現(xiàn)當(dāng)光線落在浸沒(méi)于電介液中的兩個(gè)金屬電極上，它們之間就產(chǎn)生電勢(shì)，后來(lái)稱這種現(xiàn)象為光生伏特效應(yīng)。1873年W.史密斯和Ch.梅伊發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng)。1887年H.R.赫茲發(fā)現(xiàn)外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電管和光電倍增管屬真空電子管或離子管器件，曾在50~60年代廣泛應(yīng)用，直到目前仍在某些場(chǎng)合繼續(xù)使用。雖然早在1919年T.W.凱斯就已取得硫化鉈光導(dǎo)探測(cè)器的專利權(quán)，但半導(dǎo)體光敏元件卻是在60年代以后隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而開(kāi)始迅速發(fā)展的。在此期間各種光電材料都得到了全面的研究和廣泛的應(yīng)用。它們的結(jié)構(gòu)有單晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它們的成分有元素半導(dǎo)體的和化合物半導(dǎo)體的，也有多元混晶的。其中最重要的兩種是硅和碲鎘汞。硅的原料豐富,工藝成熟,是制造從近紅外到紫外波段光電器件的優(yōu)良材料。碲鎘汞是碲化汞和碲化鎘的混晶，是優(yōu)良的紅外光敏材料。通過(guò)對(duì)光電效應(yīng)和器件原理的研究已發(fā)展了多種光電器件(如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、場(chǎng)效應(yīng)光電管、雪崩光電二極管、電荷耦合器件等)，適用于不同的場(chǎng)合。光電式傳感器的制造工藝也隨薄膜工藝、平面工藝和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而達(dá)到很高的水平，并使產(chǎn)品的成本大為降低。被稱為新一代攝像器件的聚焦平面集成光敏陣列正在取代傳統(tǒng)的掃描攝像系統(tǒng)。光電式傳感器的最新發(fā)展方向是采用有機(jī)化學(xué)汽相沉積、分子束外延、單分子膜生長(zhǎng)等新技術(shù)和異質(zhì)結(jié)等新工藝。光電式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到紡織、造紙、印刷、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。在紅外探測(cè)、輻射測(cè)量、光纖通信，自動(dòng)控制等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的研究也有新發(fā)展。例如，硅光電二極管自校準(zhǔn)技術(shù)的提出為光輻射的絕對(duì)測(cè)量提供了一種很有前途的新方法。

光電傳感器的構(gòu)成

光電傳感器由光源、光學(xué)通路、光電元件構(gòu)成。

光電式傳感器應(yīng)用

1、光量變化的非電量;

2、能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。

光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。

光電式傳感器特點(diǎn)

非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。

6.1 氣測(cè)式位置傳感器

6.2 放大器

6.3 電感式傳感器

6.4 光電式傳感器

6.5 轉(zhuǎn)換器

6.6 壓力傳感器

物理傳感器是檢測(cè)物理量的傳感器。它是利用某些物理效應(yīng)，把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信號(hào)的裝置。其輸出的信號(hào)和輸入的信號(hào)有確定的關(guān)系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器等。作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，它直接檢測(cè)來(lái)自物體的輻射信息，也可以轉(zhuǎn)換其他物理量成為光信號(hào)。其主要的原理是光電效應(yīng):當(dāng)光照射到物質(zhì)上的時(shí)候，物質(zhì)上的電效應(yīng)發(fā)生改變，這里的電效應(yīng)包括電子發(fā)射、電導(dǎo)率和電位電流等。顯然，能夠容易產(chǎn)生這樣效應(yīng)的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說(shuō)光敏電阻。這樣，我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應(yīng)的光的照射，通過(guò)類似光敏電阻這樣的器件把光能轉(zhuǎn)化成為電能，然后通過(guò)放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號(hào)。這里的輸出電信號(hào)和原始的光信號(hào)有一定的關(guān)系，通常是接近線性的關(guān)系，這樣計(jì)算原始的光信號(hào)就不是很復(fù)雜了。其他的物理傳感器的原理都可以類比于光電式傳感器。