摘 要：在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，我們主要依靠檢測(cè)技術(shù)獲取、篩選和傳輸信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。光電傳感器以其精度高、反應(yīng)快、非接觸、高可靠性、高精度、可測(cè)參數(shù)多、形式靈活等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了光電傳感器的原理及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng) 外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng) 光電子

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（c）-0117-01

在高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)中，科技突飛猛進(jìn)，信息瞬息萬(wàn)變，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化已成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。而這些必須建立在強(qiáng)大的信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)之上，人們只有獲取大量準(zhǔn)確、可靠的信息，再經(jīng)過(guò)一系列科學(xué)分析、加工、處理，才能正確認(rèn)識(shí)和掌握自然界的發(fā)展規(guī)律，帶動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。生產(chǎn)過(guò)程中，我們主要依靠檢測(cè)技術(shù)獲取、篩選和傳輸信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，光子以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，頻寬、信息容量大，信息效率高，具有越大越大的競(jìng)爭(zhēng)力，光子技術(shù)與微電子技術(shù)相互結(jié)合、相互滲透，已成為現(xiàn)代信息技術(shù)的支柱之一。應(yīng)用這種技術(shù)做成的光電傳感器具有精度高、反應(yīng)快、非接觸、高可靠性、高精度、可測(cè)參數(shù)多、形式靈活等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

光電傳感器是一種以光電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，采用光電元件作為檢測(cè)器件的傳感器。它可以把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。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。

1 理論基礎(chǔ)——光電效應(yīng)

光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射到某些物體上，電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象，外電光效應(yīng)也稱(chēng)為光電發(fā)射效應(yīng)。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)指的是物體在光線(xiàn)作用下，其內(nèi)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(nèi)部，從而使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)?；趦?nèi)光電效應(yīng)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(yīng)

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(huì)克服束縛逸出表面而進(jìn)入外界空間，這就是外光電效應(yīng)。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運(yùn)動(dòng)著的粒子流，每個(gè)光子的能量為h（h為普朗克常數(shù)，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(huì)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；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(duì)每一種材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限，只有當(dāng)入射光的頻率大于此頻率限時(shí)，才會(huì)有光電子發(fā)射，否則，不論光強(qiáng)多大，都不會(huì)有光電子發(fā)射，此頻率限稱(chēng)為“紅限”。

2 內(nèi)光電效應(yīng)

半導(dǎo)體材料的價(jià)帶與導(dǎo)帶之間有一個(gè)帶隙，能量間隔為。一般情況下，價(jià)帶中的電子不會(huì)自發(fā)地躍遷到導(dǎo)帶，所以半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如導(dǎo)體。但是，如果通過(guò)某種方式給價(jià)帶中的電子提供能量，就可以將其激發(fā)到導(dǎo)帶中，形成載流子，增加導(dǎo)電性。光照就是一種激勵(lì)方式。當(dāng)入射光的能量時(shí)，價(jià)帶中的電子就會(huì)吸收光子的能量，躍遷到導(dǎo)帶，而在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴，形成一對(duì)可以導(dǎo)電的電子—— 空穴對(duì)。這里的電子雖然沒(méi)有逸出形成光電子，但顯然存在著由于光照而產(chǎn)生的電效應(yīng)。這就是內(nèi)光電效應(yīng)。

要使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，也存在一個(gè)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(zhǎng)小于時(shí)，才會(huì)發(fā)生電子的帶間躍遷。光入射光能量較小，不能使光子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，也可能在一個(gè)能帶內(nèi)的亞能級(jí)結(jié)構(gòu)間躍遷。

3 光電傳感器的應(yīng)用

光電傳感器可以直接檢測(cè)光量變化和引起光量變化的非電量，在檢測(cè)技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化及智能控制等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，下面我們就來(lái)舉例說(shuō)明這種傳感器在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。

3.1 光電隔離器

光電隔離器是由發(fā)光二級(jí)管和光敏晶體管安裝在同一個(gè)管殼內(nèi)構(gòu)成的。發(fā)光二級(jí)管輻射能量能有效地耦合到光敏晶體18UK/OQCawy494F/A31UHJhPGtrDdXppzC9mKbIfstc=管上?？梢杂卸喾N形式，比如：發(fā)光二級(jí)管—光敏晶閘管、發(fā)光二極管—光敏電阻、發(fā)光二極管—光敏三極管。其中發(fā)光二級(jí)管—光敏三極管應(yīng)用最為廣泛，常應(yīng)用于一般信號(hào)的隔離；發(fā)光二級(jí)管—光敏晶閘管常用在大功率的隔離驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合；發(fā)光二級(jí)管—達(dá)林頓管或者復(fù)合管常用在低功率負(fù)載的直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。

3.2 文具盒的測(cè)光電路

學(xué)生在光線(xiàn)不均的環(huán)境中學(xué)習(xí)，很容易損害視力。應(yīng)用光電池這種光電元件做成的文具盒測(cè)光電路能顯示光線(xiàn)的強(qiáng)弱，指導(dǎo)學(xué)生保護(hù)視力。把硅光電池安裝在文具盒的表面，直接感受光的強(qiáng)弱，用兩只發(fā)光二極管作為光照強(qiáng)弱的指示燈。當(dāng)光照小于100 lx時(shí)，光電池產(chǎn)生的電壓比較小，兩只發(fā)光二級(jí)管都不亮；當(dāng)光照在100～200 lx時(shí)，其中一個(gè)發(fā)光二級(jí)管點(diǎn)亮，表示光照適中；當(dāng)光照大于200 lx時(shí)，光電池產(chǎn)生的電壓比較高，兩只發(fā)光二級(jí)管都點(diǎn)亮，表示光照太強(qiáng)了。

3.3 條形碼掃描筆

當(dāng)掃描筆筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，若遇到黑色線(xiàn)條，發(fā)光二極管的光線(xiàn)將被黑線(xiàn)吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈現(xiàn)高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遇到白色間隔時(shí)，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線(xiàn)，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。

整個(gè)條形碼被掃描之后，光敏三極管將條形碼變成一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，就完成了對(duì)條形碼信息的識(shí)別。

3.4 光電式緯線(xiàn)探測(cè)器

光電式緯線(xiàn)探測(cè)器是應(yīng)用于噴氣織機(jī)上，判斷緯線(xiàn)是否斷線(xiàn)的一種探測(cè)器。當(dāng)緯線(xiàn)在噴氣作用下前進(jìn)時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，經(jīng)緯線(xiàn)反射，被光電池接收，如果光電池接收不到反射信號(hào)，則說(shuō)明緯線(xiàn)已斷。因此，利用光電池的輸出信號(hào)，通過(guò)后續(xù)電路放大、脈沖整形等，控制機(jī)器是正常運(yùn)轉(zhuǎn)還是關(guān)機(jī)報(bào)警。

由于緯線(xiàn)很細(xì)，又是擺動(dòng)著前進(jìn)，形成光的漫反射，削弱了反射光的強(qiáng)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(fā)光管采用占空比很小的強(qiáng)電流脈沖供電，這樣既保證發(fā)光管使用壽命，又能在瞬間射出強(qiáng)光，以提高檢測(cè)靈敏度。

光電傳感器用途廣泛，還有一些等待我們?nèi)パ芯?、去發(fā)現(xiàn)。比如我們?cè)陉?yáng)光下看不清手機(jī)和電腦，這時(shí)我們可以利用光敏器件來(lái)改變手機(jī)和電腦的屏幕亮度。再如我們的空調(diào)，可以通過(guò)檢測(cè)紅外線(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)至人體的舒適溫度，當(dāng)溫度過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，開(kāi)啟空調(diào)調(diào)節(jié)裝置，而當(dāng)人體處在舒服范圍內(nèi)，則可關(guān)閉調(diào)節(jié)裝置，以節(jié)省能源。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光電傳感器會(huì)使我們的生活更加方便。

參考文獻(xiàn)

[1]張夢(mèng)欣.自動(dòng)檢測(cè)與傳感器應(yīng)用[J].中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社.

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