光電式傳感器的原理及其特性

韓璐斌

摘? 要：通過(guò)物體上光的變化，我們很難了解到其中包含的信息，而光電式傳感器可以作為一種轉(zhuǎn)換裝置將其經(jīng)過(guò)一系列處理形成電信號(hào)以便于人們理解的形式展現(xiàn)出來(lái)。光電式傳感器最基本的部件組成為光電元件，基于不同種類的光電效應(yīng)得到了不同類型的光電元件，例如光敏電阻。于此同時(shí)，這些光電元件的基本特性存在較大的差別，通過(guò)它們的特性可以對(duì)其適合的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析，以發(fā)揮其最大效益。光電式傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合較為豐富，這歸因于其較高的測(cè)量精度以及非接觸的特性。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng);光電元件;轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TP212? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）10-0077-02

Abstract： It is difficult to know what information is contained in the change of light in an object， but the photoelectric sensor can be used as a conversion device to present it in the form of an electrical signal that can be processed in a series of ways for people to understand. The most basic components of the photoelectric sensor are composed of photoelectric elements. Different types of photoelectric elements， such as photosensitive resistors， are obtained based on different types of photoelectric effects. At the same time， the basic characteristics of these photoelectric components are quite different， through their characteristics can be suitable for the analysis of the application field， in order to give full play to their benefits. The applications of photoelectric sensors are abundant， which is due to their high measurement accuracy and non-contact characteristics.

Keywords： photoelectric effect; photoelectric element; conversion

引言

光電式傳感器是對(duì)被測(cè)量進(jìn)行線性計(jì)量并不與被測(cè)物進(jìn)行接觸的儀器，這在一定程度上拓展了光電式傳感器的應(yīng)用范圍。光電元件是其最基本的部件組成，不同類的光電效應(yīng)決定不同類型光電元件的性質(zhì)，這些性質(zhì)也決定了光電式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

光電式傳感器是一種基于光電效應(yīng)的傳感器[3]，即外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)，從伏安特性、光照特性以及穩(wěn)定性等幾個(gè)方面可以對(duì)光電元件的特性進(jìn)行分析。

1 光電式傳感器的基本原理

光電元件的外光電效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)構(gòu)成了光電式傳感器將能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換的基本條件，在這一基礎(chǔ)上光信號(hào)實(shí)現(xiàn)了向電信號(hào)的有效轉(zhuǎn)換，再以人們能夠理解的形式展現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)對(duì)所受光照的變化規(guī)律進(jìn)行分析。光子以電子流的形式進(jìn)行移動(dòng)，電子的能量隨光波頻率的增大而增大，在受光條件下電子吸收光照所釋放的能量，進(jìn)而電子能量快速增大，電子利用這部分能量在掙脫正離子束縛的同時(shí)，將剩下的能量保存下來(lái)作為自身運(yùn)動(dòng)的能量。由此可得光照射物體后物體的溢出功小于物體中電子所獲的能量而發(fā)生表面逸出電子的現(xiàn)象即為外光電效應(yīng)，光照強(qiáng)度的大小并不能決定該效應(yīng)的發(fā)生，而在于受光物體自身所特有的紅限頻率，若低于該紅頻限率，無(wú)論光照強(qiáng)度多大都無(wú)法使電子脫離物體表面，逸出時(shí)的初始動(dòng)能使得該類光電元件在沒(méi)有加壓時(shí)也能產(chǎn)生光電流，進(jìn)而可以脫離電源獨(dú)立工作，具有極大的便利性。在相同條件作用下未出現(xiàn)電子逸出而是發(fā)生電子由鍵合狀態(tài)至自由狀態(tài)導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象即為光電導(dǎo)效應(yīng)，在受光條件下以本征半導(dǎo)體為材料的光電導(dǎo)體原處于價(jià)帶上的電子移至導(dǎo)帶，該現(xiàn)象發(fā)生的條件是光電導(dǎo)體所受光照輻射較強(qiáng)。這一過(guò)程引起了在導(dǎo)帶的電子數(shù)目的上升以及價(jià)待的空穴數(shù)目的增加，導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增強(qiáng)。內(nèi)光電效應(yīng)的類型分為兩種，除此之外還有受光條件下產(chǎn)生定向電動(dòng)勢(shì)的光生伏特效應(yīng)。結(jié)光電效應(yīng)以及側(cè)向光電效應(yīng)是光生伏特效應(yīng)的兩種類型，結(jié)光電效應(yīng)受光條件下半導(dǎo)體于PN結(jié)接觸面產(chǎn)生的光電動(dòng)勢(shì)，對(duì)于在不均勻受光條件下的光電元器件，半導(dǎo)體中的載流子濃度會(huì)呈現(xiàn)一定的差異，其形成的梯度是側(cè)向光電效應(yīng)產(chǎn)生的重要原因。

利用光電式傳感器對(duì)一被測(cè)量進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換需要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟，同時(shí)也包含三個(gè)模塊，即光源、光學(xué)通路和光電元器件。光電元器件在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中占據(jù)核心地位，也是將光信號(hào)處理形成電信號(hào)的末端裝置，對(duì)光電式傳感器的靈敏度有著較大的影響。其中第一步需要采用的檢測(cè)方式應(yīng)滿足光量直接能由被測(cè)量的改變而發(fā)生改變的性質(zhì)，這能更好地對(duì)被測(cè)量的變化狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再由光學(xué)通路將傳播中的被測(cè)量調(diào)制為最終的光量，即光信號(hào)。這一信號(hào)基于光電元件的內(nèi)光電效應(yīng)或外光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)電信號(hào)，x1、x2分別為兩種檢測(cè)方式，工作原理如圖1所示。

2 光電元件的基本特性

光電元件作為光電式傳感器最基本的部件有較多種類，其中光電管、光電倍增管等光電元件是基于外光電效應(yīng)原理的，光敏電阻、光敏二極管、光電池等光電元件是基于內(nèi)光電效應(yīng)原理的。[1]

將光電管置于光源附近區(qū)域，再對(duì)光電管的陰極兩端施加一定大小的電壓，由此在光電管陽(yáng)極產(chǎn)生的電流與之的關(guān)系是光電管的伏安特性。其次，在光電管兩極之間施加恒定的電壓，其光電流與光通量的關(guān)系是光照特性，不同種類的陰極材料會(huì)導(dǎo)致不同的特性。

光電管陰極材料中的電子脫離材料本身需要做大量的功，而其對(duì)應(yīng)功值的大小取決于其材料的類型，從而產(chǎn)了不同的光線頻率閥值，即紅限頻率。強(qiáng)度相同且頻率超過(guò)紅限頻率的光照也會(huì)因?yàn)槠漕l率的改變導(dǎo)致從陰極逸出的光電子數(shù)量發(fā)生改變，光電管的靈敏度也隨之發(fā)生改變，即為光電管的光譜特性。鑒于光電管的此類特性，其陰極材料的選取應(yīng)以光的波長(zhǎng)區(qū)域范圍為準(zhǔn)，以發(fā)揮光電管的最佳性能。

光電管在受光條件較差時(shí)所產(chǎn)生的電流極小，甚至低至μA級(jí)別，這也導(dǎo)致一般的傳感器不易對(duì)其探查和檢測(cè)。使用光電倍增管可與有效解決這一問(wèn)題，光電倍增管通過(guò)對(duì)光電流的放大來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。光電倍增管的靈敏程度受極間電壓的影響，過(guò)高的極間電壓會(huì)破壞陽(yáng)極電流的穩(wěn)定性。靈敏度高這一特性也為光電倍增管帶來(lái)了不利的影響，強(qiáng)光條件下會(huì)對(duì)其造成極大的破壞。因此光電倍增管使用場(chǎng)所應(yīng)較為陰暗，這樣能避免強(qiáng)光對(duì)光電倍增的損傷，實(shí)現(xiàn)對(duì)所受光照的獨(dú)立檢測(cè)。暗電流也同樣存在于光電倍增管中，這是由周圍的熱輻射以及溫度變化而導(dǎo)致的，對(duì)光電倍增管加壓且無(wú)光信號(hào)條件下陽(yáng)極電流不為零，補(bǔ)償電路用以消除熱發(fā)射以及場(chǎng)發(fā)射所產(chǎn)生的該類暗電流。光電倍增管還可能產(chǎn)生一類特殊的電流，即本底電流。該電流于光電倍增關(guān)的暗電流相比要大一些，其值超過(guò)暗電流部分由放置于光電倍增管附近的閃耀體受宇宙射線而激發(fā)并以脈沖形式存在的電流。光電倍增管在陽(yáng)極上產(chǎn)生的電流與其陰極上所受光照的通量由一定的關(guān)系，要使這一關(guān)系在較大的區(qū)間范圍內(nèi)呈線性關(guān)系就要選擇性能優(yōu)良的光電倍增管，光通量超過(guò)一定值該關(guān)系就轉(zhuǎn)變成非線性。

光敏電阻一般不用于定量檢測(cè)的場(chǎng)合，這是由于任何種類光敏電阻的光照特性曲線均為非線性，這一特性使得光敏電阻的應(yīng)用范圍較小，也是其通常應(yīng)用于控制系統(tǒng)啟停場(chǎng)合的重要原因。對(duì)于光敏電阻的兩端的電壓、電流、光照強(qiáng)度，電阻兩端電壓或光照強(qiáng)度一定時(shí)，其他兩個(gè)量呈同一趨勢(shì)增加或減少的特性為其伏安特性。除此之外，光敏電阻的穩(wěn)定性較強(qiáng)，在正確使用及密封性較佳的條件下，其使用時(shí)間甚至可以達(dá)到無(wú)限長(zhǎng)，這一特性較好地保證了傳感器的使用壽命，在一定程度上提高了其在生產(chǎn)中的效率。光敏電阻有一特殊屬性，在受脈沖形式的光照條件下，光電流的穩(wěn)定值在較長(zhǎng)時(shí)間后才能達(dá)到，光敏電阻的電流在其突然離開(kāi)關(guān)照后也不會(huì)馬上降為零。其次，該特性還受到光敏電阻材料種類的影響，頻率特性受其電阻延時(shí)特性的影響而有所區(qū)別。正是光明電阻的這一特性使得其在對(duì)光電元器件相應(yīng)速度有所要求的場(chǎng)合無(wú)法進(jìn)行應(yīng)用。

光電池在受光條件下其無(wú)需外加電源即可產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)并同時(shí)輸出電流，即為光生伏特效應(yīng)。光波長(zhǎng)的差異對(duì)同一光電池的影響不同，各類光電池光譜特性中對(duì)應(yīng)的最高相對(duì)靈敏度的光波長(zhǎng)有較大差異。除此之外，部分類型的光電池能應(yīng)用于較大的波長(zhǎng)范圍。對(duì)于不同的頻率，光電池對(duì)于其反應(yīng)程度存在差異，硅光電池對(duì)頻率的響應(yīng)程度較為突出。光電池在開(kāi)路以及短路的條件下其電流會(huì)受到周圍溫度的影響，其周圍的溫度甚至?xí)?duì)測(cè)量的精確度產(chǎn)生較大的影響，因此溫度特性在光電池的特殊性中占有極為重要的地位。開(kāi)路時(shí)光電池的電壓隨溫度的變化呈反向趨勢(shì)變化，而光電池短路時(shí)的電流與溫度變化呈同一趨勢(shì)變化。對(duì)于光電池在這一特性的研究對(duì)合理應(yīng)用光電池有著較大的作用。

光敏二極管常以反向的形式進(jìn)行工作，未受光條件下暗電流極小，這是由其極大的反向電阻所導(dǎo)致的，該電阻對(duì)電流起到了很強(qiáng)的阻斷作用。在光敏晶體管集電結(jié)的反向偏壓是由于在其集電極上施加較于發(fā)射極為正的電壓而導(dǎo)致的，在集電結(jié)受光條件下的光電流由集電極周圍的電子-空穴對(duì)產(chǎn)生。光敏二極管及晶體管的光譜特性與光電池的特性較為相似，其性能可與由暗電流值的大小這方面來(lái)進(jìn)行判斷。普通二極管能產(chǎn)生的光電流較小，而光敏晶體管的電流以百倍大于同類二極管。溫度變化通常會(huì)對(duì)光敏晶體管的電流產(chǎn)生一定影響，但對(duì)于光電流和暗電流的影響程度不同，兩者相比之下，溫度對(duì)光敏電阻暗電流的影響極大，為減小輸出誤差應(yīng)對(duì)其進(jìn)行一定程度的溫度補(bǔ)償。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)光電式傳感器的原理及其特性的分析，可得這種傳感器具有許多其它同類傳感器不具備的特點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、穩(wěn)定性好等。[2]對(duì)于不同的檢測(cè)情形，應(yīng)考慮其光電元件的特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王濤.光電傳感器的原理及應(yīng)用探討[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2018（07）：64+122.

[2]丁喜波，張忠典，陸鳳霞，等.光電式傳感器原理及其應(yīng)用[J].傳感器技術(shù)，1996（05）：49-51.

[3]張靜.淺談光電式傳感器[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（03）：263.