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：外光电效应和内光电效应，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！！！