光電傳感器的原理及應用研究

劉海杰

摘要：科學技術的快速發(fā)展極大地促進了光電傳感器技術和檢測技術的進步，通過光電傳感器能有效獲取和篩選傳輸信息，并實現(xiàn)自動化控制。目前已被廣泛應用于科學研究、工業(yè)生產、國防領域和信息自動檢測等領域，光電傳感器成為信息化時代不可或缺的重要技術，具有響應時間短、非接觸檢測、精度和可靠性都比較高等優(yōu)點，是基于光電效應基礎理論和光 電元器件為檢測器件的傳感器。本文首先對光電傳感器的原理做了簡要介紹，然后探討了光電傳感器在一些相關領域的應用情況。

關鍵詞：光電傳感器;光電效應;光電子;應用

1、光電傳感器的基本原理

一些作用材料的光電效應是光電傳感器實現(xiàn)能量轉換的物理基礎，從而實現(xiàn)光信號和電信號之間的相互轉換，按電子是否逸出材料表面，光電效應可分為外和內兩類光電效應。其中，外光電效應是指因光照射，電子從被照射物體表面逸出的現(xiàn)象，也稱為電光效應，光電管，光電倍增管等光電元件是基于外光電效應原理的。內光電效應是指在光照射作用下，被照射物體內部的原子釋放電子，但是這些電子留在物體內部并不逸出物體表面的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)物體的電阻率發(fā)生變化并產生電動勢的現(xiàn)象。光敏電阻、光敏二極管、光電池等光電元件是基于內光電效應原理的。

1.1外光電效應

外光電效應的機理為光電材料被光照射，材料表面的電子吸收光照能量，當吸收的能量達到某個閾值時，電子會掙脫束縛逸出材料表面進入外部空間。根據(jù)愛因斯坦的光電子效應理論，光子是移動的粒子流 ，光子能量為 hv（h 為普朗數(shù) ，h=6.63×1034J/Hz，ν 是光波頻率 ）。由該公式可知光子能量和光波頻率成正比，假如光子的能量全部轉移給電子，那么就會增加電子的能量，一部分能量用于克服正離子的束縛，另一部分能量轉換成電子自身能量。由能量守恒定律：mv2 =hv-w，其中電子質量為 m，電子逸出表面的初速度為 v，逸出功為w。因此，由上式可知要使電子逸出光電材料表面，前提是光子能量大于逸出功，材料不同，逸出功也不同，對于每一種光電材料，入射光都有一個閾值頻率，只有入射光的頻率大于此閾值才會有電子逸出材料表面。我們稱這個頻率閾值為“紅限”。

1.2內光電效應

半導體材料的價帶與導帶之間有一能量間隔為 Eg 的帶隙。半導體材料的導電性與導體相比較差是因為價帶中的電子不會自發(fā)地躍遷到導帶，但如果使用某種方式（如光激勵等）提供能量給價帶中的電子，就能夠將價帶中的電子激發(fā)到導帶中，產生的載流子能增加半導體材料的導電性。以光照激勵方式舉例說明，當入射的光能量 hv 大于 Eg 時，價帶中的電子通過吸收入射光子的能量躍遷到導帶中，在原來的位置留下一個空穴，形成可以導電的電子空穴對，即載流子。這一過程中的電子雖然沒有逸出材料表面形成光電子，但顯然因光照而形成的電效應現(xiàn)象，我們稱這種情況為內光電效應。

2、光電傳感器的應用

2.1光隔離器

所謂光隔離器一般是由一個發(fā)光的二極管或者光電晶體管在同一封套的組合物進行安裝而成的。發(fā)光二極管的光敏電阻器，發(fā)光二極管光電晶體管。其中發(fā)光二極管的光電晶體管是被最廣泛使用的 ，經常在隔離一般信號中使用;發(fā)光的光敏可控硅電源隔離的駕駛情況下使用二極管;發(fā)光二極管或在直接驅動低功率負荷的場合中使用的達林頓復合管。

2.2文具計量電路

學生在不均勻的光環(huán)境中學習時，很容易使視覺疲勞，而光電文具計量電路可顯示光的強度，引導學生以保護裝文具的表面硅光伏電池的視力，直接感受到的光的強度，具有兩個發(fā)光二極管作為指示燈的光強度時的光小于100V，由光電池產生的電壓是比較小的，兩個LED 被點亮;當光線100-200V 時，其中一個發(fā)光二極管點亮，光線適中;當光大于200V，由光電池產生的電壓是比較高的，兩個發(fā)光二極管被點亮時，光線太強。

2.3條碼掃描筆

當掃描條形碼筆尖上移動，如果遇到黑線，所述發(fā)光二極管的光就會由黑線被吸收，光電晶體管不接收反射的光，高阻抗電流干旱，在橫截面中比狀態(tài)由于當由發(fā)光二極管發(fā)出的光，被反射到光電晶體管的基極的顏色空間滿足，光電晶體管導通，整個條碼掃描之后，條形碼到光電晶體管的電脈沖信號，將信號放大，脈沖列的形成后成形，然后通過計算機處理，以完成的條形碼信息的識別。

2.4光電探緯器

光電探測器在緯紗織機用檢測器，以確定是否斷裂時在噴射緯紗效果的進步，紅外發(fā)射紅外光，經緯線反射的接收到的光電池，如果沒有接收到電池中的光的反射信號，則緯紗已破裂，因此光電池的輸出信號，經過隨后的電路放大，脈沖整形，并控制機器的正常操作是打開還是關閉報警。因為緯紗非常薄，并向前擺動，漫射光的生成，減弱了反射光的強度，并伴有背景的雜散光，因此要求塞具有高的靈敏度和分辨率，為此，利用紅外線LED高電流小電源脈沖占空比，它將確保發(fā)光管的壽命，而且在瞬間射的光，以提高檢測靈敏度。

2.5光電三極管測速

在機床轉軸上安裝一個具有均勻分布齒輪的調制盤，調制盤的一邊由固定的發(fā)光管產生恒定光，另一邊為光電三極管或光電二極管。當轉軸轉動時，調制盤跟隨轉動，發(fā)光二極管發(fā)出的恒定光被調制成隨時間變化的調制光，光電三極管間斷接收到透射的光信號，輸出脈沖。

結語

一些廣泛運用的光電傳感器仍等著我們去研究，去探索，如在太陽下，還不能很好看清手機和電腦的顯示，那么我們就可以用它來更改手機的感光器件和屏幕亮度，同樣的，空調調節(jié)，可以紅外線檢測自動調整到舒適的溫度的身體，當溫度過高或過低時，打開空調即可調整到人的舒適范圍溫度，由此可見，光電傳感器將會使我們的生活更方便。

參考文獻：

[1]唐文彥.傳感器（第4版 ）[M]. 北京 ：機械工業(yè)出版社，2006.

[2]張洪潤，孫悅，張亞凡.傳感技術與應用教程（第 2 版）[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3]張夢欣.自動檢測與傳感器應用[M].中國勞動社會保障出版社.

[4]李科杰.自動檢測與光電傳感器的應用[J].現(xiàn)代傳感技術.

河南工學院電纜工程學院 河南 新鄉(xiāng) 453003