光電傳感器的原理及應用

摘 要：在科學技術(shù)高度發(fā)展的現(xiàn)代社會中，我們主要依靠檢測技術(shù)獲取、篩選和傳輸信息，實現(xiàn)自動控制。光電傳感器以其精度高、反應快、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、形式靈活等優(yōu)點，在自動檢測技術(shù)中得到了廣泛的應用。本文主要介紹了光電傳感器的原理及應用

關(guān)鍵詞：光電效應 外光電效應 內(nèi)光電效應 光電子

中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0117-01

在高度發(fā)達的現(xiàn)代社會中，科技突飛猛進，信息瞬息萬變，生產(chǎn)過程自動化已成為社會發(fā)展的必然趨勢。而這些必須建立在強大的信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)之上，人們只有獲取大量準確、可靠的信息，再經(jīng)過一系列科學分析、加工、處理，才能正確認識和掌握自然界的發(fā)展規(guī)律，帶動科學技術(shù)的發(fā)展。生產(chǎn)過程中，我們主要依靠檢測技術(shù)獲取、篩選和傳輸信息，實現(xiàn)自動控制。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，光子以其獨特的優(yōu)點：響應速度快，頻寬、信息容量大，信息效率高，具有越大越大的競爭力，光子技術(shù)與微電子技術(shù)相互結(jié)合、相互滲透，已成為現(xiàn)代信息技術(shù)的支柱之一。應用這種技術(shù)做成的光電傳感器具有精度高、反應快、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、形式靈活等優(yōu)點，在自動檢測技術(shù)中得到了廣泛的應用。

光電傳感器是一種以光電效應為理論基礎(chǔ)，采用光電元件作為檢測器件的傳感器。它可以把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。

1 理論基礎(chǔ)——光電效應

光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應。外光電效應是指當光照射到某些物體上，電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象，外電光效應也稱為光電發(fā)射效應?；谕夤怆娦墓怆娫泄怆姽堋⒐怆姳对龉艿?。內(nèi)光電效應指的是物體在光線作用下，其內(nèi)部的原子釋放電子，但是這些電子并不逸出物體表面，仍然留在物體內(nèi)部，從而使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動勢?；趦?nèi)光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光電池等。

1.1 外光電效應

光照在光電材料上，材料表面的電子吸收能量。如果電子吸收的能量足夠多，電子就會克服束縛逸出表面而進入外界空間，這就是外光電效應。

根據(jù)愛因斯坦的光電子效應，光子是運動著的粒子流，每個光子的能量為h（h為普朗克常數(shù)，h=6.63×1034 J/HZ，為光波頻率）。不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子的能量就越大。如果光子的能量全部交給電子，那么電子的能量就會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律：式中m為電子質(zhì)量，v為電子逸出的初速度；w為逸出功。

因此，要使光電子逸出物體表面，前提是。不同材料具有不同的逸出功，對每一種材料，入射光都有一個確定的頻率限，只有當入射光的頻率大于此頻率限時，才會有光電子發(fā)射，否則，不論光強多大，都不會有光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。

2 內(nèi)光電效應

半導體材料的價帶與導帶之間有一個帶隙，能量間隔為。一般情況下，價帶中的電子不會自發(fā)地躍遷到導帶，所以半導體材料的導電性遠不如導體。但是，如果通過某種方式給價帶中的電子提供能量，就可以將其激發(fā)到導帶中，形成載流子，增加導電性。光照就是一種激勵方式。當入射光的能量時，價帶中的電子就會吸收光子的能量，躍遷到導帶，而在價帶中留下一個空穴，形成一對可以導電的電子—— 空穴對。這里的電子雖然沒有逸出形成光電子，但顯然存在著由于光照而產(chǎn)生的電效應。這就是內(nèi)光電效應。

要使價帶中的電子躍遷到導帶，也存在一個入射光的極限能量，即（是低頻限）或者。入射光的頻率大于或者波長小于時，才會發(fā)生電子的帶間躍遷。光入射光能量較小，不能使光子由價帶躍遷到導帶時，也可能在一個能帶內(nèi)的亞能級結(jié)構(gòu)間躍遷。

3 光電傳感器的應用

光電傳感器可以直接檢測光量變化和引起光量變化的非電量，在檢測技術(shù)、工業(yè)自動化及智能控制等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用，下面我們就來舉例說明這種傳感器在生產(chǎn)和生活中的應用。

3.1 光電隔離器

光電隔離器是由發(fā)光二級管和光敏晶體管安裝在同一個管殼內(nèi)構(gòu)成的。發(fā)光二級管輻射能量能有效地耦合到光敏晶體18UK/OQCawy494F/A31UHJhPGtrDdXppzC9mKbIfstc=管上。可以有多種形式，比如：發(fā)光二級管—光敏晶閘管、發(fā)光二極管—光敏電阻、發(fā)光二極管—光敏三極管。其中發(fā)光二級管—光敏三極管應用最為廣泛，常應用于一般信號的隔離；發(fā)光二級管—光敏晶閘管常用在大功率的隔離驅(qū)動場合；發(fā)光二級管—達林頓管或者復合管常用在低功率負載的直接驅(qū)動場合。

3.2 文具盒的測光電路

學生在光線不均的環(huán)境中學習，很容易損害視力。應用光電池這種光電元件做成的文具盒測光電路能顯示光線的強弱，指導學生保護視力。把硅光電池安裝在文具盒的表面，直接感受光的強弱，用兩只發(fā)光二極管作為光照強弱的指示燈。當光照小于100 lx時，光電池產(chǎn)生的電壓比較小，兩只發(fā)光二級管都不亮；當光照在100～200 lx時，其中一個發(fā)光二級管點亮，表示光照適中；當光照大于200 lx時，光電池產(chǎn)生的電壓比較高，兩只發(fā)光二級管都點亮，表示光照太強了。

3.3 條形碼掃描筆

當掃描筆筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈現(xiàn)高阻抗，處于截止狀態(tài)。當遇到白色間隔時，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導通。

整個條形碼被掃描之后，光敏三極管將條形碼變成一個個電脈沖信號，該信號經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計算機處理，就完成了對條形碼信息的識別。

3.4 光電式緯線探測器

光電式緯線探測器是應用于噴氣織機上，判斷緯線是否斷線的一種探測器。當緯線在噴氣作用下前進時，紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，經(jīng)緯線反射，被光電池接收，如果光電池接收不到反射信號，則說明緯線已斷。因此，利用光電池的輸出信號，通過后續(xù)電路放大、脈沖整形等，控制機器是正常運轉(zhuǎn)還是關(guān)機報警。

由于緯線很細，又是擺動著前進，形成光的漫反射，削弱了反射光的強度，還伴有背景雜散光，因此要求探緯器具備高的靈敏度和分辨力。為此，紅外發(fā)光管采用占空比很小的強電流脈沖供電，這樣既保證發(fā)光管使用壽命，又能在瞬間射出強光，以提高檢測靈敏度。

光電傳感器用途廣泛，還有一些等待我們?nèi)パ芯?、去發(fā)現(xiàn)。比如我們在陽光下看不清手機和電腦，這時我們可以利用光敏器件來改變手機和電腦的屏幕亮度。再如我們的空調(diào)，可以通過檢測紅外線自動調(diào)節(jié)至人體的舒適溫度，當溫度過高或者過低時，開啟空調(diào)調(diào)節(jié)裝置，而當人體處在舒服范圍內(nèi)，則可關(guān)閉調(diào)節(jié)裝置，以節(jié)省能源。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，光電傳感器會使我們的生活更加方便。

參考文獻

[1]張夢欣.自動檢測與傳感器應用[J].中國勞動社會保障出版社.

[2]李科杰.現(xiàn)代傳感技術(shù).