新型傳感器設(shè)計

1、摘 要在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息時代，人們在日常生活，生產(chǎn)過程中，主要依靠檢測技術(shù)對信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實現(xiàn)制動控制，自動調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測技術(shù)列入優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。 由于微電子技術(shù)，光電半導(dǎo)體技術(shù)，光導(dǎo)纖維技術(shù)以及光柵技術(shù)的發(fā)展，使得光電傳感器的應(yīng)用與日俱增。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反應(yīng)快以及結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，在自動檢測技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，它一種是以光電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，由光電材料構(gòu)成的器件。光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。外光電效應(yīng)是指在光照射下，電子逸出物體表面的外發(fā)射的現(xiàn)象，也

2、稱光電發(fā)射效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)是指入射的光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，大多數(shù)光電控制應(yīng)用的傳感器，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等都屬于內(nèi)光電效應(yīng)類傳感器。關(guān)鍵詞：新型，傳感器，光電AbstractIn science and technology high speed development of modern society, mankind has into rapidly changing information era, people in daily life, the production process,

3、rely mainly on detection technology for information by acquiring, screening and transmission, to achieve the brake control, automatic adjustment, at present our country has put detection techniques listed in one of the priority to the development of science and technology. Because of microelectronic

4、s technology, photoelectric semiconductor technology, optical fiber technology and the development of the grating technology, makes the increasing application of photoelectric sensor. This kind of sensor has the advantages of simple structure, non-contact, high reliability, high precision, measurabl

5、e parameters, quick reaction and simple structure, the advantages of flexible and varied in form, has been widely used in the automatic detection technology, it is a kind of photoelectric effect, the photoelectric material consisting of devices.Photoelectric effect is usually divided into two major

6、categories of the photoelectric effect and the photoelectric effect. The photoelectric effect refers to the light, the electrons outside surface emission phenomenon, also known as the photoelectric emission effect, based on the effect of photoelectric devices have a photocell, photomultiplier tubes,

7、 etc. The photoelectric effect refers to the incident light intensity changes of the material conductivity of physical phenomenon, called the photoconductive effect, most of the photoelectric sensor control applications, such as , photodiode and photosensitive , silicon photocell as part of the phot

8、oelectric effect within the sensor.Key words：new type、sensing element、 photoelectricity目錄第一章 理論基礎(chǔ)光電效應(yīng)1第二章 光電元件及特性2第一節(jié) 光電管2第二節(jié) 光電倍增管3第三節(jié) 光敏電阻4第四節(jié) 伏安特性4第三章 光電傳感器5第一節(jié) 發(fā)光二極管5第二節(jié) 絲燈泡5第四章 光電傳感器的應(yīng)用9結(jié)束語10謝 辭11參考文獻(xiàn)12第一章 理論基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng)一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料表面而進(jìn)入外界空

9、間，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運(yùn)動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律： 式中，m為電子質(zhì)量,v為電子逸出的初速度,A微電子所做的功。 由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率

10、低于此頻率限時，不論光強(qiáng)多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長為 式中，c為光速，A為逸出功。 第二章 光電元件及特性第一節(jié) 光電管光電管的種類繁多，典型的產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管，光它的外形和結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為光電管正常工作時，陽極電位高

11、于陰極，如圖2-2所示。在人射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強(qiáng)增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖2-2所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極表面逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產(chǎn)生電流I，在負(fù)載電阻 上的電壓。光電管的光電特性如圖2-3 所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性基本是一條直線。圖2-1陰極高于陽極 圖2-2電壓與光強(qiáng)的關(guān)系圖2-3光電管的光電特性第二節(jié) 光電倍增

12、管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖2-4是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-4光電倍增管從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A，與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設(shè)置了若干個二次發(fā)射電極，D1、D2、D3它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、，倍增電極通常為1015級。光電倍增管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級升高，陽極電位最高。當(dāng)入射光照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1 ，引起二次電子發(fā)射，一個入射的光電子可以產(chǎn)生多個二次電子， D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場

13、加速，射向D2并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這樣逐級產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這些電子最后到達(dá)陽極，形成較大的陽極電流。若倍增電極有n級，各級的倍增率為 ，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是N ，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個特點(diǎn)，使它多用于微光測量。第三節(jié) 光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下：1）暗電阻 光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流

14、。2)亮電阻 光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。第四節(jié) 伏安特性光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖2-5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應(yīng)限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。圖2-5光敏電阻的伏安特性光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點(diǎn)之一。第三章 光電傳感器光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一

15、步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源，光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高，反應(yīng)快，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。 圖3-1光電感應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu) 光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來達(dá)到測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準(zhǔn)確性。第一節(jié) 發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此

16、，廣泛地用于計算機(jī)、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。第二節(jié) 絲燈泡絲燈泡這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖3-2所示。圖3-2光敏電阻測量電路圖3-3光敏晶體管測量電路在強(qiáng)光下圖3-4光敏晶體管測量電路弱光下由于光敏電池即使在強(qiáng)光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖3-3所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低

17、光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻?；蛘呦髨D3-4所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組。半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光敏二極管通過集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度，如圖3-5所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負(fù)電壓。圖3-6給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運(yùn)放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點(diǎn)，可以得到較好的效果。在圖中所

18、示條件下，輸出電壓 圖3-5使用放大器的光敏元件放大電路在負(fù)極加壓圖3-6使用放大器的光敏元件放大電路在正極加壓由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)式，漫反射式，遮光式(光束阻檔)三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上，如測液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計等;所謂漫反

19、射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等；所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，使投射剄光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。 第四章 光電傳感器的應(yīng)用光敏電阻可用于進(jìn)行光的測量和光的控制，測量方面主要是用于測量光強(qiáng)，控制方面最常見的就是路燈控制和樓道感應(yīng)燈的控制，在電路接

20、通的狀態(tài)下，路燈會隨著周圍光強(qiáng)的變化而變化，樓道中的燈白天不亮晚上亮也利用了光敏電阻的對光的感應(yīng)特點(diǎn)。光敏電阻還被應(yīng)用于海上導(dǎo)航，通常海上的浮標(biāo)用的就是光敏電阻作為航道燈的開關(guān)，到晚上光敏電阻阻值變小，接通控制電路，將燈打開；白天光敏電阻增大將控制電路斷開，關(guān)掉電燈。光敏管大體有開關(guān)作用，環(huán)境光檢測作用，各種光線接收作用。在太陽能自動跟蹤控制中，做光電檢測用，接受太陽光，校正方位。光敏二級管被應(yīng)用于收音機(jī)、電視、電腦等設(shè)備中，比如用LED發(fā)光二極光替代液晶顯示器背后的光源，能達(dá)到節(jié)能且穩(wěn)定的作用。光敏三極管可用來控制開關(guān)的狀態(tài)，其主要原因是三極管對光照強(qiáng)度十分敏感，可以根據(jù)根據(jù)光照強(qiáng)弱來控制電

21、流大小，從而在繼電器的配合下控制開關(guān)的通斷狀態(tài)，實現(xiàn)自動化控制。由于光敏管對光的敏感性很高，還可用于測量溫度，因為不同溫度的物體輻射的光不同，以此可以間接測量溫度。此外，光敏三極管還可用于傳輸信號，如光藕合器，光耦合器亦稱光電隔離器，簡稱光耦，光耦合器以光為媒介傳輸電信號，它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。另外，紅光光敏管可用于測量紅外線，這一點(diǎn)可用來做夜視儀硅光電池在日常生活中也是十分常見的，因為它能將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，像一些太陽能發(fā)電板和太陽能電池中就有硅光電池，被廣泛用于衛(wèi)星、太陽能發(fā)電、太陽能熱水器以及手機(jī)等。光電傳感器的用途很多很廣，還有一些等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。比如我們經(jīng)常抱怨陽光下看不清手機(jī)和電腦，我們可以利用光敏器件來改變手機(jī)和電腦的屏幕亮度，從而更能看清楚，。還有我們的空調(diào)，可以通過檢測紅外線自動調(diào)至人的舒適溫度，當(dāng)溫度過低或過高就開啟調(diào)