光電傳感器的原理及應用

摘 要：在科學技術高度發展的現代社會中，我們主要依靠檢測技術獲取、篩選和傳輸信息，實現自動控制。光電傳感器以其精度高、反應快、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數多、形式靈活等優點，在自動檢測技術中得到了廣泛的應用。本文主要介紹了光電傳感器的原理及應用

關鍵詞：光電效應 外光電效應 內光電效應 光電子

中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0117-01

在高度發達的現代社會中，科技突飛猛進，信息瞬息萬變，生產過程自動化已成為社會發展的必然趨勢。而這些必須建立在強大的信息產業基礎之上，人們只有獲取大量準確、可靠的信息，再經過一系列科學分析、加工、處理，才能正確認識和掌握自然界的發展規律，帶動科學技術的發展。生產過程中，我們主要依靠檢測技術獲取、篩選和傳輸信息，實現自動控制。

隨著現代信息技術的發展，光子以其獨特的優點：響應速度快，頻寬、信息容量大，信息效率高，具有越大越大的競爭力，光子技術與微電子技術相互結合、相互滲透，已成為現代信息技術的支柱之一。應用這種技術做成的光電傳感器具有精度高、反應快、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數多、形式靈活等優點，在自動檢測技術中得到了廣泛的應用。

光電傳感器是一種以光電效應為理論基礎，采用光電元件作為檢測器件的傳感器。它可以把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件，把光信號轉換成電信號輸出。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。

1 理論基礎——光電效應

光電效應分為外光電效應和內光電效應。外光電效應是指當光照射到某些物體上，電子從這些物體表面逸出的現象，外電光效應也稱為光電發射效應。基于外光電效應的光電元件有光電管、光電倍增管等。內光電效應指的是物體在光線作用下，其內部的原子釋放電子，但是這些電子并不逸出物體表面，仍然留在物體內部，從而使物體的電阻率發生變化或產生電動勢。基于內光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光電池等。

1.1 外光電效應

光照在光電材料上，材料表面的電子吸收能量。如果電子吸收的能量足夠多，電子就會克服束縛逸出表面而進入外界空間，這就是外光電效應。

根據愛因斯坦的光電子效應，光子是運動著的粒子流，每個光子的能量為h（h為普朗克常數，h=6.63×1034 J/HZ，為光波頻率）。不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子的能量就越大。如果光子的能量全部交給電子，那么電子的能量就會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉換成電子能量。根據能量守恒定律：式中m為電子質量，v為電子逸出的初速度；w為逸出功。

因此，要使光電子逸出物體表面，前提是。不同材料具有不同的逸出功，對每一種材料，入射光都有一個確定的頻率限，只有當入射光的頻率大于此頻率限時，才會有光電子發射，否則，不論光強多大，都不會有光電子發射，此頻率限稱為“紅限”。

2 內光電效應

半導體材料的價帶與導帶之間有一個帶隙，能量間隔為。一般情況下，價帶中的電子不會自發地躍遷到導帶，所以半導體材料的導電性遠不如導體。但是，如果通過某種方式給價帶中的電子提供能量，就可以將其激發到導帶中，形成載流子，增加導電性。光照就是一種激勵方式。當入射光的能量時，價帶中的電子就會吸收光子的能量，躍遷到導帶，而在價帶中留下一個空穴，形成一對可以導電的電子—— 空穴對。這里的電子雖然沒有逸出形成光電子，但顯然存在著由于光照而產生的電效應。這就是內光電效應。

要使價帶中的電子躍遷到導帶，也存在一個入射光的極限能量，即（是低頻限）或者。入射光的頻率大于或者波長小于時，才會發生電子的帶間躍遷。光入射光能量較小，不能使光子由價帶躍遷到導帶時，也可能在一個能帶內的亞能級結構間躍遷。

3 光電傳感器的應用

光電傳感器可以直接檢測光量變化和引起光量變化的非電量，在檢測技術、工業自動化及智能控制等領域都得到了廣泛的應用，下面我們就來舉例說明這種傳感器在生產和生活中的應用。

3.1 光電隔離器

光電隔離器是由發光二級管和光敏晶體管安裝在同一個管殼內構成的。發光二級管輻射能量能有效地耦合到光敏晶體18UK/OQCawy494F/A31UHJhPGtrDdXppzC9mKbIfstc=管上。可以有多種形式，比如：發光二級管—光敏晶閘管、發光二極管—光敏電阻、發光二極管—光敏三極管。其中發光二級管—光敏三極管應用最為廣泛，常應用于一般信號的隔離；發光二級管—光敏晶閘管常用在大功率的隔離驅動場合；發光二級管—達林頓管或者復合管常用在低功率負載的直接驅動場合。

3.2 文具盒的測光電路

學生在光線不均的環境中學習，很容易損害視力。應用光電池這種光電元件做成的文具盒測光電路能顯示光線的強弱，指導學生保護視力。把硅光電池安裝在文具盒的表面，直接感受光的強弱，用兩只發光二極管作為光照強弱的指示燈。當光照小于100 lx時，光電池產生的電壓比較小，兩只發光二級管都不亮；當光照在100～200 lx時，其中一個發光二級管點亮，表示光照適中；當光照大于200 lx時，光電池產生的電壓比較高，兩只發光二級管都點亮，表示光照太強了。

3.3 條形碼掃描筆

當掃描筆筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈現高阻抗，處于截止狀態。當遇到白色間隔時，發光二極管所發出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產生光電流而導通。

整個條形碼被掃描之后，光敏三極管將條形碼變成一個個電脈沖信號，該信號經放大、整形后便形成脈沖列，再經計算機處理，就完成了對條形碼信息的識別。

3.4 光電式緯線探測器

光電式緯線探測器是應用于噴氣織機上，判斷緯線是否斷線的一種探測器。當緯線在噴氣作用下前進時，紅外發射管發出紅外光，經緯線反射，被光電池接收，如果光電池接收不到反射信號，則說明緯線已斷。因此，利用光電池的輸出信號，通過后續電路放大、脈沖整形等，控制機器是正常運轉還是關機報警。

由于緯線很細，又是擺動著前進，形成光的漫反射，削弱了反射光的強度，還伴有背景雜散光，因此要求探緯器具備高的靈敏度和分辨力。為此，紅外發光管采用占空比很小的強電流脈沖供電，這樣既保證發光管使用壽命，又能在瞬間射出強光，以提高檢測靈敏度。

光電傳感器用途廣泛，還有一些等待我們去研究、去發現。比如我們在陽光下看不清手機和電腦，這時我們可以利用光敏器件來改變手機和電腦的屏幕亮度。再如我們的空調，可以通過檢測紅外線自動調節至人體的舒適溫度，當溫度過高或者過低時，開啟空調調節裝置，而當人體處在舒服范圍內，則可關閉調節裝置，以節省能源。隨著科學技術的發展，光電傳感器會使我們的生活更加方便。

參考文獻

[1]張夢欣.自動檢測與傳感器應用[J].中國勞動社會保障出版社.

[2]李科杰.現代傳感技術.