光电式传感器

photoelectric transducer

光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触，高精度，高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。

光电式传感器有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电二极管和光电三极管、光电池、半导体色敏传感器、光电闸流晶体管、热释电传感器、光电耦合器件等光电元件。另外，光电式传感器还可分为模拟式光电式传感器和脉冲式光电式传感器两类。

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，体积小。近年来，随着光电技术的发展，光电式传感器已成为系列产品其品种及产量日益增加。用户可根据需要选用各种规格的产品它在机电控制、计算机、国防科技等方面。

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表面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。光子通量则相应于光强。外光电效应由爱因斯坦光电效应方程描述:

Ek =hν -W

其中，h表示普朗克常量，ν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。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，电子向未被照射部分扩散，引起光照部分带正电、未被光照部分带负电的一种现象。

光子，光子能量;光电子

外光电效应是指在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。

在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应

光电导效应:光敏电阻、光敏二极管(晶体管)

光生伏特效应:光电池

无光照时，光敏电阻阻值很大，电路中电流很小;当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值急剧减小，电路中电流迅速增大。

1.光敏二极管

光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态

暗电流、光电流(光照越强，光电流?)

2.光敏三极管

基极无引出线，集电极相对于发射极为正电压

当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管的基极电流。因此集电极电流是光生电流的β倍, 所以光敏晶体管有放大作用。

一个大面积的PN节，光照下产生的电子-空穴对向两级扩散，形成与光照强度有关的电动势。

1.光电耦合器

2.光电开关

结构:MOS电容器→光敏元或像素;MOS阵列→CCD器件

原理:如图所示 :

基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。基于光电导效应的有光敏电阻。基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管(见半导体光敏元件)。基于侧向光电效应的有反转光敏二极管。光电式传感器还可按信号形式分为模拟式光电传感器(见位移传感器)和数字式光电传感器(见转速传感器、光栅式传感器、数字式传感器)。光电式传感器还有光纤传感器、固体图像传感器等。

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。1873年W.史密斯和Ch.梅伊发现硒的光电导效应。1887年H.R.赫兹发现外光电效应。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，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。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。

光电传感器的构成

光电传感器由光源、光学通路、光电元件构成。

光电式传感器应用

1、光量变化的非电量;

2、能转换成光量变化的其他非电量。

光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。

光电式传感器特点

非接触、响应快、性能可靠。

6.1 气测式位置传感器

6.2 放大器

6.3 电感式传感器

6.4 光电式传感器

6.5 转换器

6.6 压力传感器

物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置。其输出的信号和输入的信号有确定的关系。主要的物理传感器有光电式传感器、压电传感器、压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等。作为例子，让我们看看比较常用的光电式传感器。这种传感器把光信号转换成为电信号，它直接检测来自物体的辐射信息，也可以转换其他物理量成为光信号。其主要的原理是光电效应:当光照射到物质上的时候，物质上的电效应发生改变，这里的电效应包括电子发射、电导率和电位电流等。显然，能够容易产生这样效应的器件成为光电式传感器的主要部件，比如说光敏电阻。这样，我们知道了光电传感器的主要工作流程就是接受相应的光的照射，通过类似光敏电阻这样的器件把光能转化成为电能，然后通过放大和去噪声的处理，就得到了所需要的输出的电信号。这里的输出电信号和原始的光信号有一定的关系，通常是接近线性的关系，这样计算原始的光信号就不是很复杂了。其他的物理传感器的原理都可以类比于光电式传感器。