文档介绍：光电式传感器的原理与应用学号 9********** 测控技术与仪器专业姓名王达-1- 光电式传感器的原理与应用王达 9********** 摘要: 本文着重介绍了光电式传感器的基本原理、主要组成及特点,并着重介绍了传感器在生产生活中的各种应用,最后介绍了光电式传感器的应用前景及发展方向。关键词: 光电式传感器原理应用 1 光电式传感器概论光电式传感器定义[1] 光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器,它的物理学基础是光电效应。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成,光源发射出一定光通量的光线,由光电元件接收,在检测时,被测量使光源发射出的光通量变化,因而使接收光通量的光电元件的输出电量也作相应的变化,最后用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量,也可以是数字量。光电效应光电元件及光电传感器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值(相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而非光的强度, 这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性, 按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累住足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,电子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子) 所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887 年发现,对发展量子理论及波粒二象性起了根本性的作用。内光电效应内光电效应是光电效应的一种,主要由于光量子作用,引发物质电化学性质变化(比如电阻率改变,这是与外光电效应的区别,外光电效应则是逸出电子)。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应:当入射光子射入到半导体表面时,半导体吸收入射光子产生电子空穴对,使其自生电导增大。光生伏特效应:当一定波长的光照射非均匀半导体(如PN结),光照射到半导体或绝缘体的表面时,使物体内部的受束缚电子受到激发,从而使物体的导电性能改变。这就称为内光电效应。显然照射的辐射通量愈大,则被激发的电子数愈多,该物体的电阻值就变的愈小。光导管(又称光敏电阻)就是利用内光电效应制成的半导体器件。像硫化镉、硫化铅、硫化铟、硒化镉、硒化铅的那个均是半导体光导管。光导管的优点是体积小、牢固耐用。它主要用于光谱仪器的光接收器、光电控制、激光接收和远距离探测等方面光电式传感器的原理与应用学号 9********** 测控技术与仪器专业姓名王达-2- 2 光电式传感器的组成光源光源在光电式传感器中是不可缺少的组成部分,它直接影响到检测的效果和质量。下面介绍光电式传感器中几种常见的光源。白炽灯白炽灯又称钨丝灯、灯泡,是将灯丝通电加热到白炽状态,利用热辐射发出可见光的电光源。由电流通过灯丝加热至白炽状态产生光的一种光源。是最早出现的电灯,用耐热玻璃制成泡壳,内装钨丝。泡壳内抽去空气,以免灯丝氧化,或再充入惰性气体(如氩),减少钨丝受热蒸发。因灯丝所耗电能仅一小部分转为可见光,故发光效率低,一般为10~15流/瓦。但制造方便,成本低,启动快,线路简单,现在仍被大量采用。发光二极管发光二极管是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能;常简写为 LED 。发光二极管与普通二极管一样是由一个 PN结组成,也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到 N区的空穴和由 N区注入到 P区的电子,在PN结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。激光器激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。用光、电及其他办法对物质进行激励,使得其中一部分粒子激发到能量较高的状态,当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时,由于受激辐射,物质就能对某一波长的光辐射产生放大作用,也就是这种波长的光辐射通过物质时,会发射强度放大并与入射光波位、频率和方向一致的光辐射,这种称为激光放大器。若把激发的物质放置于共振腔内,光辐射在共振腔内沿轴线方向往复反射传播,多次通过