浅析光电式传感器

2021年9月5日 1点热度 0条评论 来源: XDyegong

浅析光电式传感器

        写在前面:近几天听过几场有关光学的前沿报告之后,感触颇深!让我对电子技术有了重新的理解,但更多的是我对光学的敬仰之情顿时增加了3个dB啊!所谓电子技术,就是对电子信号进行处理的技术。主要是包括信号的产生、放大、滤波、转换、数据处理等。电子技术又分为电力电子技术和信息电子两个方面,简而言之,电力电子技术就是强电,信息电子就是弱电,而西电的强势学科是弱电。那么问题来了,在我们以往的理解当中,光学和电子学科是八竿子都打不着的!光学乍一听就是纯搞理论的啊!其实不然,我感觉光学就像前些年的微电子技术一样,微电子技术在当时晶体管的时代也看不出来有什么作用啊,再看看今天的微电子技术,所以说,光学就像黎明前的黑暗一样,到了合适的时间,必定会大放异彩!光电的结合能解决许多电子技术解决不了的问题,光纤通信、光通信、光电调制技术都解决了通信领域的宽带大容量数据传输问题,摩尔定律已经走到了极限,国外的硅基光电技术可以将光电器件在硅片上完成,而在我们国内的微电子行业仍没有这样的一条产品线,硅基光电技术一旦产品化,那么势必在IC行业会带来一场巨大的革命。激光技术发展到现在,已经形成了各种类型的激光武器,运用激光进行能量传输也不是不可能!由此看来,光学似乎要在当今的世界掀起一场血雨腥风!!!好了,瞎扯了这么多,其实我接下来要讲的只是很传统的光电技术,并没有什么high big up之类的东西,那么现在进入正题:浅析光电式传感器。

            

一、什么是光电式传感器

   光电传感器是采用光电器件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转化为电信号,电式传感器可用来检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换为光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变等。

  那么我们首先对光电式传感器里的两个名词做个解释,光电器件和光电效应。其实很简单明了,光电器件是将光能转化为电能的一种传感式器件,是构成光电式传感器的主要部件,而光电效应是光电器件工作的物理基础。

1、光电效应

   光电效应简单的说就是物体吸收了光能然后转化成了电能,进而产生一些电效应。光电效应有两种:外光电效应内光电效应,内光电效应又分为光电导效应和光生伏特现象

  外光电效应就是在光线的作用下,电子逸出物体表面向外发射。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。。。

   内光电效应是在光照的作用下,半导体电导率发生变化或者产生光电动势的现象,显而易见,前者是光电导效应,后者是光生伏特效应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻等,基于光生伏特效应的有光电池、光敏二极管、光敏晶体管等。

2、光电器件

1)光电管

结构:真空(或充气)玻璃泡内装两个电极:光电阴极和阳极,阳极加正电位。或充

原理:当光电阴极受到适当波长的光线照射时发射光电子,在中央带正电的阳极吸引下,光电子在光电管内形成电子流,在外电路中便产生光电流I泡内装两个电极:光电阴极和阳极,阳极加正电位

(2)光电倍增管(外光电效应)

光照很弱时,光电管产生的电流很小,使用光电倍增管能够有效提高检测灵敏度。

结构:由光电阴极、若干倍增级和阳极组成。

原理:利用二次电子的释放效应,高速电子撞击固体表面,发出二次电子,将光电流在管内进行放大。


(3)光敏电阻(光电导效应)

结构:光敏电阻由梳状电极和均质半导体材料制成,基于内光电效应,其电阻值随光照而变化。

光敏电阻是纯电阻器件,具有很高的光电灵敏度,常做为光电控制器件。

原理:当光照射到光电导体上时,若光电导体为本征半导体材料,而且光辐射能量又足够强,光导材料价带上的电子将激发到导带上去,从而使导带的电子和价带的空穴增加,致使光导体的电导率变大。


(4)光敏二极管(光生伏特效应)

结构:与一般的二极管相似,安装在透明的玻璃外壳中,其P-N结装在管顶,可以直接受到光照射。

原理:它在电路中一般处于反向工作状态,无光时,反向电阻很大,处于截止状态;有光时,形成电子-空穴对,在P-N结内电场作用下定向移动,形成光电流。

(5)光敏三极管(光生伏特效应)

结构:与光敏二极管的结构相似,内部具有两个PN结,通常只有两个引出电极。在电路中与普通的三极管接法相同,管基极开路,集电极反偏,发射极正偏。

工作过程:正常情况下,给PNP三极管的集电极和发射极之间加正向电压,此时,集电极截止,发射极导通受光照时,集电极反向导通,三极管正常工作,集电极和发射极导通,出现放大电流,此时可以感测光信号。

(6)光电池(光生伏特效应)

光电池是利用光生伏特效应将光直接转化为电能的光电器件,由于直接将太阳能转化为电能,也成太阳能电池;

结构:光电池实质是一个大面积PN结,上电极为栅状受光电极,下电极是一层衬底铝;

原理:当光照射PN结的一个面时,电子-空穴对迅速扩散,在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势,

一般可产生0.2V~0.6V电压50mA电流。

(7)其他光电器件

a.PIN型硅光电二极管:高速光电二极管,响应时间达1nS,适用于遥控装置。

b.雪崩式光电二极管:具有高速响应和放大功能,高电流增益,可有效读取微弱光线,用于0.8μm范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。

c.光电闸流晶体管:(光激可控硅),由入射光线触发导通的可控硅元件。

d.光电耦合器件:又称“光耦”(光敏电阻、光敏二极管、晶体管等)集成在一起,通过电-光,光-电两次转换进行输入输出耦合,可做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离器、控制系统无触点开关等。

二、光电式传感器的应用

光电传感器的应用主要有:

  恒定光源发射光通量:穿过被测物,透射(或吸收)如:液位计、浊度计。

  恒定光源发射光通量:投射于被测物,反射;如:转速计、激光测距。

  恒定光源发射光通量:遇到被测物,遮蔽;如:长度检测,光电开关等。

 被测物为光源:光源的某些物理参量变化;如:辐射温度计、比色温度计

1)光电数字转速表

2)烟尘浊度检测仪


3)条形码扫描笔



4)家用电视机遥控器

5)防盗报警


5)航天应用-卫星太阳能电池

6)太阳能电池其他应用(续)


鉴于以上几种光电传感器的实例比较简单,就不做详述,啰里啰嗦,写了这么多,希望看过的人能对光电式传感器有个大概的了解吧!!!


    原文作者:XDyegong
    原文地址: https://blog.csdn.net/XDyegong/article/details/49870849
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