光电传感器检测技术
一、光电传感器概述
1.定义 1.定义 通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量， 通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并 能将光能转化成电信号的器件。 2.结构 2.结构 光源、 光源、光学元件和光电变换器三部分组成。 3.工作原理 3.工作原理 被测量使光源发射的光通量变化→ 被测量使光源发射的光通量变化→光电变换器接受到 的光通量相应变化→输出电量也作相应地变化。 的光通量相应变化→输出电量也作相应地变化。 4.优点 4.优点 结构简单、体积小、响应快，可靠性高、抗干扰能力强。 结构简单、体积小、响应快，可靠性高、抗干扰能力强。
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二、光电效应
定义
光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物 体的轰击， 体的轰击，物体吸收光子能量产生相应的电效应。
光子能量
E = h? f = h?
光的 频率
C
光速
λ
光的 波长
式中h=6.626× 式中h=6.626×10-34 J·S，为普朗克常数。 h=6.626 S 为普朗克常数。
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三、光电效应的分类
通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为 外光电效应和内光电效应。 外光电效应和内光电效应。
1.外光电效应 1.外光电效应
外光电效应(1887/赫兹/德国)：光照射固体而从 外光电效应(1887/赫兹/德国)：光照射固体而从 赫兹 )： 表面逸出电子的现象，称为外光电效应( 表面逸出电子的现象，称为外光电效应(光电发射效 应); 基于外光电效应 的光电器件属于光电 发射型器件, 发射型器件,有光电 光电倍增管等。 管、光电倍增管等。
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光电倍增管工作原理图
光电 阳极
K
光电 阴极
D1～D6光电 倍增极
(1)组成 光电阴极：由半导体材料锑-铯制造，入射光在它上面打出光电子。 光电阴极：由半导体材料锑-铯制造，入射光在它上面打出光电子。 光电倍增极：数目在4 14个不等 个不等。 光电倍增极：数目在4～14个不等。 光电阳极：收集电子，外电路形成电流输出。 光电阳极：收集电子，外电路形成电流输出。 在工作时,这些电极的电位是
逐级增高的。 在工作时,这些电极的电位是逐级增高的。
阴极K电位最低，阳极A电位最高。各电极之间保持上百伏的电压差。 阴极 电位最低，阳极A电位最高。各电极之间保持上百伏的电压差。 电位最低
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光电倍增管工作原理图
(2)工作原理： 工作原理： 光电倍增极→ 光 → 阴极 → 光电倍增极→ 阳极 → 光电流 光线→光电阴极( 正电位作用)→ )→加速并打在第一倍增极 光线→光电阴极(D1正电位作用)→加速并打在第一倍增极D1上,产生二
次发射; 次发射; 的二次发射电子( 正电位作用)→ )→加速入射到电极 D1的二次发射电子(D2正电位作用)→加速入射到电极D2上; …这样逐级前进,一直到达阳极A为止。由上述的工作过程可见,光电 这样逐级前进, 为止。由上述的工作过程可见, 这样逐级前进 流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。 流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。
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特点：产生光电流，对光电流有放大作用。 特点：产生光电流，对光电流有放大作用。
如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子， 如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被 第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有σ 第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有σ个 二次电子， 个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加σ 二次电子，这σ个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加σ 经过n个倍增极后，原先的1个电子将变成σ 个电子， 倍，经过n个倍增极后，原先的1个电子将变成σn个电子，这些电子最后被 阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。 阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。 构成倍增极材料的σ>1， 构成倍增极材料的σ>1，设σ=4，n=10，放大倍数为σ=410≈ 106 10，放大倍数为σ 可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。 可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。
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2、内光电效应
受光照物体(通常为半导体材料) 受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产 生光电动势的效应称为内光电效应。 生光电动势的效应称为内光电效应。 内光电效应按其工作原理分为两种： 内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光 生伏特效应。 生伏特效应。
(1)光电导效应
原理： 原理：光 → 半导体 → 电子吸收能 电子-空穴对→ 量 → 跃迁 → 电子-空穴对→导电 性能→电阻值。 性能→电阻值。 基于这种效应的光电器件有光敏电 光电导型) 阻(光电导型)和反
向工作的光敏二极 光敏三极管(光电导结型) 管、光敏三极管(光电导结型)。
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导带 禁带 价带 半导体能带图
a.光敏电阻(光导管) a.光敏电阻(光导管) 光敏电阻
特点：灵敏度高,体积 特点：灵敏度高, 重量轻, 小,重量轻,光谱响应 范围宽,机械强度高, 范围宽,机械强度高, 耐冲击和振动, 耐冲击和振动,寿命长 等优点。 等优点。
原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 原理：电阻器件，加直流偏压， 无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻)---暗电流很小 ---电子 ---电阻大 无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻)---暗电流很小 有光照---电子-空穴对增多---电阻小(亮电阻)---亮电流很大 ---电子 ---电阻小 有光照---电子-空穴对增多---电阻小(亮电阻)---亮电流很大
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主要参数： 主要参数：
暗电流：光照时，通过光敏电阻的电流; 暗电流：光照时，通过光敏电阻的电流; 亮电流：有光照时，通过光敏电阻的电流; 亮电流：有光照时，通过光敏电阻的电流; 光电流=亮电流- 光电流=亮电流-暗电流
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4. 基本特性
部分光敏元件的光谱特性 光谱特性 光照特性 伏安特性 频率特性 温度特性
光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波 长单色光的相对灵敏度。 长单色光的相对灵敏度。
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部分光敏元件的光谱特性
光敏电阻的光谱特性是指光电流对不 同波长单色光的相对灵敏度。 同波长单色光的相对灵敏度。
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光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光照特性是指在一定的电压 光电流I与光照强度E 下，光电流I与光照强度E的关系 。
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光敏电阻的伏安特性
光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光 照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。 照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。
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光敏电阻的频率特性
频率特性系指光敏电阻上的光电流对入 射光调制频率的响应特性 。
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硫光铅光谱温度特性
温度特性系指光敏电阻工作特性受温度的影响。 温度特性系指光敏电阻工作特性受温度的影响。
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b.光敏二极管和光敏三极管 b.光敏二极管和光敏三极管
光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的, 光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是 光照在半导体结上而已。 光照在半导体结上而已。
(a)光敏二极管
(b)光敏三极管
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2.光生伏特效应 2.光生伏特效应
光生伏特效应指半导体材料P 光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产 生一定方向的电动势的效应。 生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器 件是自发电式的,属有源器件。 件是自发电式的,属有源器件。以可见光作光源的光 电池是常用的光生伏特型器件, 电池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常用 的材料,也可以使用锗。 的材料,也可以使用锗。
硅光电池：在N型 硅光电池： 硅片上掺入P 硅片上掺入P型杂 质，形成一个大 面积的PN PN结 面积的PN结。
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硅光电池光照特性
光电池在不同光照强度下， 光电池在不同光照强度下，有不同的光生电 势或光生电流 。
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四、光电传感器的应用实例
由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多， 由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多， 又具有非接触、高精度、高分辨率、 又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和 响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、 响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、 CCD器件 光导纤维等的相继出现和成功应用， 器件、 CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用， 使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的 应用。 应用。
按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传 感器。 感器。 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、 反射式、辐射式四种基本形式。 反射式、辐射式四种基本形式。
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下图表明了四种形式的工作方式。 下图表明了四种形式的工作方式。
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下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。直射式光电转 下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。 速传感器的结构见下图。 速传感器的结构见下图。
开孔圆盘
工作原理： 工作原理：开孔圆盘上 有许多小孔， 有许多小孔，开孔圆盘 旋转一周， 旋转一周，光敏元件输 出的电脉冲个数等于圆 盘的开孔数，因此， 盘的开孔数，因此，可 通过测量光敏元件输出 的脉冲频率， 的脉冲频率，得知被测 转速。 转速。
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直射式光电转速传感器
开孔圆盘
60 f n= r / min m
转速; 式中n——转速; 转速 f——脉冲频率; 脉冲频率; 脉冲频率 。m——圆盘开孔数。 圆盘开孔数。 圆盘开孔数
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比色温度计 ：通过测量热辐射体在两个以上波长 的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表。 的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表。
被测对象经物镜1成像经光栏3与光导棒4投射到分光镜6 被测对象经物镜1成像经光栏3与光导棒4投射到分光镜6上，它使长波 红外线)辐射线透过，而使短波(可见光)部分反射。 (
红外线)辐射线透过，而使短波(可见光)部分反射。透过分光镜的辐射 线再经滤光片9将残余的短波滤去， 后被红外光电元件硅光电池10接收， 10接收 线再经滤光片9将残余的短波滤去，之后被红外光电元件硅光电池10接收， 转换成电量输出;由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去， 转换成电量输出;由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去，而被 可见光硅光电池8接收， 可见光硅光电池8接收，转换成与波长亮度成函数关系的电量输出。
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将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比， 将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比， 即可读出被测对象的温度值。 即可读出被测对象的温度值。 光栏3前的平行平面玻璃2将一部分光线反射到瞄准反射镜5 光栏3前的平行平面玻璃2将一部分光线反射到瞄准反射镜5上，在经 反射镜11 目镜12和棱镜13 11、 12和棱镜13， 反射镜11、目镜12和棱镜13，便能从观察系统中看到被观测对象的状 以便校准仪器的位置。 态，以便校准仪器的位置。
