光电传感器

7.2.1 外光电效应器件 7.2.1.1 工作原理 光电管是利用外光电效应制成的光电元件，其外形和结构如图7.2.1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(1／2)m。 根据能量守恒定律有
7.2 光电元件
光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空光电元件和半导体光电元件两 大类。它们的工作原理都基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二像性，我们可以认 为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为
E = hν
-34 式中，为光波频率；h为普朗克常数，h＝6.63× 10 J • s
我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。将收音机调到某台，就可以忽略 其他的无线电波信号。经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相当 于收音机。 人们常常有一个误解：认为由于红外光LED发出的红外光是看不到的，那么红外光的能 量肯定会很强。经过调制的光电传感器的能量的大小与LED光波的波长无太大关系。一个 LED发出的光能很少，经过调制才将其变得能量很高。一个未经调制的传感器只有通过使 用长焦距镜头的机械屏蔽手段，使接收器只能接收到发射器发出的光，才能使其能量变 得很高。相比之下，经过调制的接收器能忽略周围的光，只对自己的光或具有相同调制 频率的光做出响应。 未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射，如刚出炉的红热瓶子，在这种 应用场合如果使用其它的传感器，可能会有误动作。 如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话，那么它就可以被周围光源接收器可靠 检测到。周围光源接收器也可以用来检测室外光。 但是并不是说经调制的传感器就一定不受周围光的干扰，当使用在强光环境下时就会有 问题。例如，未经过调制的光电传感器，当把它直接指向阳光时，它能正常动作。我们 每个人都知道，用一块有放大作用的玻璃将阳光聚集在一张纸上时，很容易就会把纸点 燃。设想将玻璃替换成传感器的镜头，将纸替换成光电三极管，这样我们就很容易理解 为什么将调制的接收器指向阳光时它就不能工作了，这是周围光源使其饱和了。 调制的LED改进了光电传感器的设计，增大了检测距离，扩展了光束的角度，人们逐渐 接受了这种可靠易于对准的光束。到1980年，非调制的光电传感器逐步就退出了历史舞 台。 红外光LED是效率最高的光束，同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。但是有 些传感器需要用来区分颜色（如色标检测），这就需要用可见光源。
Φ
D1
D3
D5 A
K D2 D4 RL I Φ U0 D6
图7.2.3 光电倍增管结构示意图
光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为λ的光辐射入射到光阴极时，一个入射 光子产生的光电子数，定义为光阴极的量子效率。光阴极有很多种，常用的有双碱，S11 及S20三种。光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成，光阴极接负高压， 各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流计或负载电阻接在阳 极A处，当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有 电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击 第一倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射．每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电 子，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击 D2，……。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便 被放大一次，倍增极的数目有8～13个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。 若倍增电极有n级，各级的倍增率为б，则光电倍增管的倍增率可以认为是бn，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。若将灵敏检流计串接 在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻RL作为负载，则可测量 RL两端的电压，此电压正比于阳极电流。
7.1 概述
光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来 检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光 聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有 一个小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。 LED（发光二极管）最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上 看到这些二极管作为指示灯来用。LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管 相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传 感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。 不像白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当于 同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但 能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。LED能发射人眼看不到的红外光，也 能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。 1970年，人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点，就是它能够以非常快的速度来开 关，开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发射器的调制频率，那么它就只能 对以此频率振动的光信号进行放大。
A
K
IΦ E RL U0
图7.2.1 光电管结构示意图
图7.2.2 光电管测量电路图
阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。此外，即使入 射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的 变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特 性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电 管，以便获得满意的灵敏度。 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 7.2.3是光电倍增管结构示意图。 光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃 壳进行真空封装。依据分装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍增管的阴 极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收 入射光，它的阴极通常为反射式阴极。
(7.1)
对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射 某一物体，可以看作是一连串能量为Au的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递 给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的 能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物 理现象称为光电效应。通常把光电效应分为三类： 1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光 电元件有光电管、光电倍增管等。 2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光 电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。 3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏 特效应的光电元件有光电池等。
第7章 光电式传感器 章
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。 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。
1 mν 2 = hν - A 2
(7.2)
式中，m为电子质量；为电子逸出的初速度。 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出 功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率 限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长λK为
在早期，色标传感器使用白炽灯做光源，使用光电池接收器，直到后来发明了高效的可见 光LED。现在，多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器。经调制 的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离，这是因为检测距离是一个非常重要 的参数。未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体，这些场合要求的 响应速度都非常快。但是，现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度，能满足 大多数的检测应用。 安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤。光纤与传感器 配套使用，是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能使传感器的电子元 件与其他电的干扰相隔离。 光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯 要低，因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处（入射角在一定范围内，），被全部 反射回来。根据光学原理，所有光束都可以由光纤来传输。 两条入射光束（入射角在接受角以内）沿光纤长度方向经多次反射后，从另一端射出。另 一条入射角超出接受角范围的入射光，损失在金属外皮内。这个接受角比两倍的最大入射 角略大，这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤 内部的传输不受光纤是否弯曲的影响（弯曲半径要大于最小弯曲半径）。大多数光纤是可 弯曲的，很容易安装在狭小的空间。 玻璃光纤由一束非常细（直径约50μm）的玻璃纤维丝组成。典型的光缆由几百根单独的 带金属外皮玻璃光纤组成，光缆外部有一层护套保护。光缆的端部有各种尺寸和外形，并 且浇注了坚固的透明树脂。检测面经过光学打磨，非常平滑。这道精心的打磨工艺能显著 提高光纤束之间的光耦合效率。