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2、成员姓 名职 称学 历从事专业组 长成 员秘 书答辩小组意见 答 辩 成 绩：辩论小组组长签名：年 月 日非电信号的检测方法与光电传感器原理分析 -光电传感器 机电一体化 09-4 王自恒 学号 10511032摘要：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置叫做传感器，通常由敏感元件和转换元件组成。在科学技术高速开展的现代社会中，人类已经进入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先开展的科学技术之一。 由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的开展，使得光
3、电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反响快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论根底，由光电材料构成的器件。关键词：光电传感器，检测，特性，原理，信号。光电传感器的构成原理： 一、光电效应 它是光照射到某些物质上，使该物质的导电特性发生变化的一种物理现象，可分为外光电效应和内光电效应和光生伏特效应三类。外光电效应是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体外表向外发射的物理现象。光子是以量子化“粒子的形式对可见光波段内电磁波的描述。光子具有能量hv，h为普朗克常数，v为光频。光子通量那么相应于光强。
4、外光电效应由爱因斯坦光电效应方程描述： Ek =h - W 其中，h 表示普朗克常量， 表示入射光的频率。当光子能量等于或大于逸出功时才能产生外光电效应。因此每一种物体都有一个对应于光电效应的光频阈值，称为红限频率。对于红限频率以上的入射光，外生光电流与光强成正比。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两类。光电导效应是指，半导体材料在光照下禁带中的电子受到能量不低于禁带宽度的光子的激发而跃迁到导带，从而增加电导率的现象。能量对应于禁带宽度的光子的波长称光电导效应的临界波长。光生伏打效应是指光线作用能使半导体材料产生一定方向电动势的现象。光生伏打效应又可分为势垒效应结光电效应和侧向光电效应。
5、势垒效应的机理是在金属和半导体的接触区(或在PN结)中，电子受光子的激发脱离势垒或禁带的束缚而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下电子移向 N区外侧，空穴移向 P区外侧，形成光生电动势。侧向光电效应是当光电器件敏感面受光照不均匀时，受光激发而产生的电子空穴对的浓度也不均匀，电子向未被照射局部扩散，引起光照局部带正电、未被光照局部带负电的一种现象。二、光电元件及特性 根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。 1.光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图1所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真
6、空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属外表束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属外表后的初始动能为光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。在人射光频率大于“红限的前提下，从阴极外表逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时假设光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图2所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照
7、射到光电阴极K上时，电子从阴极外表逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I，在负载电阻 上的电压从图中可知，在光通量不太大时，光电特性根本是一条直线。图3光电管的光电特性图2光电管测量电路图1光电光结构示意图 2.光电倍曾管 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图4是光电倍增管结构示意图。图4光电倍增结构示意图从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极K和一个阳极A，与光电管不同的是在它的阴极和阳极间设置了假设干个二次发射电极，D1、D2、D3它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、，倍增电极通常为1015级。光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中
8、阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。当入射光照射阴极K时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极D1加速，以高速轰击D1 ，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以产生多个二次电子， D1发射出的二次电子又被D1、D2问的电场加速，射向D2并再次产生二次电子发射，这样逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。假设倍增电极有n级，各级的倍增率为 ，那么光电倍增管的倍增率可以认为是N ，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。 3、光敏电
9、阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下：1暗电阻 光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。2)亮电阻 光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。3、光电特性 光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。4、光谱特性 入射光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光谱特性。使用时可根据被测光
10、的波长范围，选择不同材料的光敏电阻。5、响应时间 光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间上升时间才能到达其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间下降时间才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性。光敏电阻上升响应时间和下降响应时间约为10-110-3s，即频率响应为10Hz1000Hz，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个主要缺点。6、温度特性 光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降，这也是光敏电阻的另一缺点。7、频率特性 频率特性是指外加电压和入射光强一定是，光电流I与入射光的调制频率f之间的关系，光电二极管的频率特性较光电三极管的频率特性好，这是由于光电三极管的基射结存在电容和载流子基区需要时间的缘故。利用内光电效率原理制造的光电元件的频率特性最差，这是由于俘获载流子和释放电荷都需要一定时间的缘故。三、光电传感器光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的根本结构如图6，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换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三局部组成.光电检测方法具有精度高,反响快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.光电传感器一般由三局部构成，它
