光电传感器

光电传感器
光纤传感器技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技术。

光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊情况下正常工作，还可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光线遥测系统。

光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新技术，它可以应用于国民经济的很多领域。

光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。

光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信方面的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础——信息高速公路奠定了基础，为多媒体通信提供了实现的必需条件。

由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方面，在传感器等方面也获得了应用。

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发展，使得光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、反应快以及结构简单,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基础，由光电材料构成的器件。

理论基础——光电效应
1.光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。

光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应
根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数，h＝6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。

假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。

根据能量守恒定律：1/2mv2=hv-A 式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。

2. 光电元件及特性
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,外形成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，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。

这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为1/2mv2
光电管正常工作时，阳极电位高于阴极。

在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面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。

此时若光强增大，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。

光电管的光电特性如图1所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。

图1光电管的光
3.光电倍增管
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。

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若干个二次发射电极，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10～15级。

光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，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。

若倍增电极有n级，各级的倍增率为σ，则光电倍增管的倍增率可以认为是σN ，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。

4.光电传感器的应用特点
①检测距离长。

②对检测物体的限制少。

③响应时间短。

④分辨率高。

能通过高级设计使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。

也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

⑤可实现非接触的检测。

可无机械接触地检测物体，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。

因此，传感器能长期使用。

⑥可实现颜色判别。

通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。

利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。

⑦便于调整。

在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。

结论
随着科学技术的发展人们对测量精度有了更高的要求，这就促使光电传感器不得不随着时代步伐而更新，改善光电传感器性能的主要手段就是应用新材料、新技术制造性能更优越的光电元件。

光电传感器由于非接触、高可靠性等优点，在测量时对变被测物体损害小，所以自其发明以来就在测量领域有着举足轻重的地位，目前它已广泛应用于测量机械量、热工量、成分量、智能车系统等。

现在它在电力系统自动并网装置中起到了非常重要的作用，因为发电机投入电网运行常采用准同法，必须满足：三相线序一致，频率一致，相位一致，电压幅值相等，其中的一个条件在系统设计时已经满足，后三个条件必须同时满足才能并网，当然人工并网比较困难，光电并网比较容易。

时代在发展，科学技术在更新，光电传感器种类也日益增多，应用领域也越来越广泛，例如近来一种红外光电传感器已在智能车方面得了到应用，其中一种基于红外传感器的智能车的核心就是反射式红外传感器，它运用反射式红外传感器设计路径检测模块和速度监测模块；另外一种基于红外传感器的自寻迹小车则利用红外传感器来采集数据．
光电传感器具有其他传感器所不能取代优越性，因此它发展前景非常好，应用也会越来越广泛．。