传感器结课光电式传感器本科学位论文.docx

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传感器结课光电式传感器本科学位论文

目录

1.概述2

1.1光电传感器早期发展2

1.2光电传感器后续发展3

2.物理特性3

2.1外光电效应3

2.1.1光子假设3

2.2内光电效应4

2.2.1光电导效应4

2.2.2光生伏特效应4

3.光电式传感器4

3.1光电传感器的大致介绍4

3.2工作原理5

3.3光电传感器分类5

3.4光电传感器作用6

4.光电传感器的应用6

4.1光电传感器优点6

4.2光电式带材跑偏检测器7

4.3烟尘浊度监测仪7

4.4包装充填物高度检测8

4.5光电色质检测8

4.6其他方面的应用8

5.新型的光电传感器9

5.1CCD传感器9

5.2CCD传感器的应用9

6.光纤传感器10

6.1光纤传感器的原理和组成10

6.2光纤传感器的应用领域10

7.其他的光电传感器11

7.1高速光电二极管11

7.2色敏光电传感器12

7.3光位置传感器12

8.光电传感器的发展12

9.总结14

参考文献15

1.概述

光电传感器是采用光电元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部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、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。

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于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成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

1.1光电传感器早期发展

1839年A.E.贝可勒尔发现当光线落在浸没于电介液中的两个金属电极上，它们之间就产生电势，后来称这种现象为光生伏特效应[2]。

1873年W.史密斯和Ch.梅伊发现硒的光电导效应[2]。

1887年H.R.赫兹发现外光电效应[2]。

基于外光电效应的光电管和光电倍增管属真空电子管或离子管器件，曾在50～60年代

广泛应用，直到目前仍在某些场合继续使用。

虽然早在1919年T.W.凯斯就已取得硫化铊光导探测器的专利权[3]，但半导体光敏元件却是在60年代以后随着半导体技术的发展而开始迅速发展的。

在此期间各种光电材料都得到了全面的研究和广泛的应用。

它们的结构有单晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它们的成分有元素半导体的和化合物半导体的，也有多元混晶的。

其中最重要的两种是硅和碲镉汞。

硅的原料丰富,工艺成熟,是制造从近红外到紫外波段光电器件的优良材料。

碲镉汞是碲化汞和碲化镉的混晶，是优良的红外光敏材料。

传感技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器。

（1）结构型传感器以其结构部分变化或结构部分变化后而引起某种场的变化来反映被测量的大小及变化。

（2）物性型传感器利用构成传感器的某些材料本身的物理特性在被测量的作用下发生变化,从而将被测量转换为电信号或其他信号输出。

（3）智能型传感器把传感器与微处理器有机地结合成一个高度集成化的新型传感器。

它与结构型、物性型传感器相比,能瞬时获取大量信息,对所获得的信息还具有信号处理的功能,使信息的质量大大提高,其功能也扩展了。

以网络化智能传感器为例,它以嵌入式微处理器为核心,集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元,使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展;从被动检测向主动进行信息处理方向发展;从孤立元件向系统化、网络化发展;从就地测量向远距离实时在线测控发展,已成为传感器技术发展的主要方向之一。

而光电传感器作为新型传感器更是得到了广阔应用。

1.2光电传感器后续发展

通过对光电效应和器件原理的研究已发展了多种光电器件（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等），适用于不同的场合。

光电式传感器的制造工艺也随薄膜工艺、平面工艺和大规模集成电路技术的发展而达到很高的水平，并使产品的成本大为降低。

被称为新一代摄像器件的聚焦平面集成光敏阵列正在取代传统的扫描摄像系统。

光电式传感器的最新发展方向是采用有机化学汽相沉积、分子束外延、单分子膜生长等新技术和异质结等新工艺。

光电式传感器的应用领域已扩大到纺织、造纸、印刷、医疗、环境保护等领域。

在红外探测、辐射测量、光纤通信，自动控制等传统应用

领域的研究也有新发展。

例如，硅光电二极管自校准技术的提出为光辐射的绝对测量提供了一种很有前途的新方法。

2.物理特性

2.1外光电效应

外光电效应是指在光的照射下，材料中电子逸出表面的现象，也称为光电发射效应。

光电管及光电倍增管均属这一类，它们的光电发射极——光阴极就是用具有这种特性的材料制造的。

2.1.1光子假设

1887年，赫兹发现光电效应，爱因斯坦第一个成功解释光电效应。

爱因斯坦根据普朗克量子假说而进一步提出的光量子，即光子概念，对光电效应研究做出了决定性的贡献。

爱因斯坦光子假说的核心思想是：

表面上看起来连续的光波是量子化的。

单色光由大量不连续的光子组成。

若单色光频率为n，那么每个光子的能量为E＝hv,动量为。

　由爱因斯坦光子假说发展成现代光子论（photontheory）的两个基本点是：

（1）光是由一颗一颗的光子组成的光子流。

每个光子的能量为E=hv，动量为。

由N个光子组成的光子流，能量为Nhv。

（2）光与物质相互作用，即是每个光子与物质中的微观粒子相互作用。

根据能量守恒定律，约束得最不紧的电子在离开金属面时具有最大的初动能，所以对于电子应有：

2.2内光电效应

当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。

内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。

2.2.1光电导效应

光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应（又称为光电效应、光敏效应），即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。

当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。

　　在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。

光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。

2.2.2光生伏特效应

光生伏特效应指在光照射下，物体内部产生一定方向的电动势的现象。

光照射PN结中，若能量达到禁带宽度时，价带中的电子跃迁到导带，便产生电子空穴对。

被光激发的电子在势垒附近电场梯度的作用下向N侧迁移，而空穴则向P侧迁移。

从而使N区带正电，P区带负电，形成光电动势。

还有一种称为“丹倍效应”的也属于光生伏特效应一类。

这是指当光只照射在某种光电导材料的局部时，被照射的部分产生电子空穴对，使照射到和未被照射到的两部分中载流子的浓度不同，从而产生载流子扩散，如果电子的迁移率大于空穴的迁移率，必将使未被照射到的部分获得更多的电子，并带负电；而被照射到的部分失去电子而带正电，从而出现光生伏特效应。

3.光电式传感器

3.1光电传感器的大致介绍

光电式传感器的工作原理是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件将光信号的变化转换成电信号。

光电式传感器一般是由辐射源、光学通路和光电器件三部分组成。

被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将待测信息调制到光波上，通常使光波的强度、相位、空间分布和频谱分布发生改变，光电器件将光信号的变化变换为电信号。

电信号经后续电路的解调分离出被测量的信息，从而实现对被测量的测量。

光源是光电传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源。

光电式传感器对光源的选择要考虑很多因素，如波长、谱分布、相干性、体积、造价和功率等。

常用的光源可分为热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光器件四大类。

3.2工作原理

由光通量对光电元件的作用原理[1]不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件（光学测控系统）输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法可分为透射（吸收）式,漫反射式,遮光式（光束阻档）三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关.　

光敏二极管是最常见的光传感器。

光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。

为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。

工作时集电结反偏，发射结正偏。

在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

3.3光电传感器分类

光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、发光二极管（LED）、光电倍增管、光电池、光电耦合器件等。

由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质，光电式传感器可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器；模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法又可分为透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻挡）三大类。

（1）槽开光电开关把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。

发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。

但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。

输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。

槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

（2）对射式光电开光若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。

由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。

它的检测距离可达几米乃至几十米。

使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

（3）反光板