摘要：光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化。本文敘述了這種器件的光電特性，并討論了測(cè)量的設(shè)計(jì)方法，從而了解其工作特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光電；傳感器；設(shè)計(jì)

光電傳感器由于反應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于軍事、宇航、通信、檢測(cè)與工業(yè)自動(dòng)化控制等多種領(lǐng)域中。當(dāng)前，世界上光電傳感領(lǐng)域的發(fā)展可分為兩大方向：原理性研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)。隨著光電技術(shù)的日趨成熟，對(duì)光電傳感器實(shí)用化的開(kāi)發(fā)成為整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和關(guān)鍵。從上述分析可知，現(xiàn)代信息技術(shù)的主體是光子技術(shù)與微電子技術(shù)，而光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，它們相互交叉、相互滲透與補(bǔ)充，就形成了光電信息技術(shù)，光電信息技術(shù)的主要內(nèi)容是電─光信息轉(zhuǎn)換和光─電信息的轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。

一、光電效應(yīng)

光電效應(yīng)一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會(huì)克服束縛脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運(yùn)動(dòng)著的粒子流，每種光子的能量不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會(huì)增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。

二、光電元件及特性

根據(jù)光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。

1、光電管。光電管的種類繁多，典型的產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管。當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出。

2、光電電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。利用逐級(jí)產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這些電子最后到達(dá)陽(yáng)極，形成較大的陽(yáng)極電流。若倍增電極有n級(jí)，各級(jí)的倍增率為σ，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是σN，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個(gè)特點(diǎn)，使它多用于微光測(cè)量。

3、光敏電阻。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下：（1）暗電阻光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)電阻的電流稱為暗電流。（2）亮電阻光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測(cè)得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時(shí)流過(guò)電阻的電流稱為亮電流。

三、光電檢測(cè)

光電檢測(cè)術(shù)是光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一，它主要包括光電變換技術(shù)、光信息獲取與光信息測(cè)量技術(shù)以及測(cè)量信息的光電處理技術(shù)等。如用光電方法實(shí)現(xiàn)各種物理量的測(cè)量，微光、弱光測(cè)量，紅外測(cè)量，光掃描、光跟蹤測(cè)量，激光測(cè)量，光纖測(cè)量，圖象像測(cè)量等。光電檢測(cè)技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)各種量的測(cè)量，它具有如下特點(diǎn)。

1）高精度。光電測(cè)量的精度是各種測(cè)量技術(shù)中精度最高的一種。如用激光干涉法測(cè)量長(zhǎng)度的精度可達(dá)0.05μm/m。2）高速度。光電測(cè)量以光為媒介，而光是各種物質(zhì)中傳播速度最快的，無(wú)疑用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。3）遠(yuǎn)距離、大量程。光是最便于遠(yuǎn)距的介質(zhì)，尤其適用于遙控和遙測(cè)，如武器制導(dǎo)、光電跟蹤、電視遙測(cè)等。4）非接觸測(cè)量。光照到被測(cè)物體上可以認(rèn)為是沒(méi)有測(cè)量力的，因此也無(wú)摩擦，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，是各種測(cè)量方法中效率最高的一種。5）壽命長(zhǎng)。在理論上光波是永不磨損的，只要復(fù)現(xiàn)性做得好，可以永久的使用。6）具有很強(qiáng)的信息處理和運(yùn)算能力，可將復(fù)雜信息并行處理。用光電方法還便于信息的控制和存儲(chǔ)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，易于與計(jì)算機(jī)連接，易于實(shí)現(xiàn)智能化。

四、設(shè)計(jì)方法

光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)是首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).光電傳感器一般由光源，光學(xué)通路和光電元件三部分組成.由于被測(cè)對(duì)象復(fù)雜多樣，故檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也不盡相同。一般電子檢測(cè)系統(tǒng)是由傳感器、信號(hào)調(diào)理器和輸出環(huán)節(jié)三部分組成。

傳感器處于被測(cè)對(duì)象與檢測(cè)系統(tǒng)的接口處，是一個(gè)信號(hào)變換器。它直接從被測(cè)對(duì)象中提取被測(cè)量的信息，感受其變化，并轉(zhuǎn)化成便于測(cè)量的電參數(shù)。有傳感器檢測(cè)到的信號(hào)一般為電信號(hào)。它不能直接滿足輸出的要求，需要進(jìn)一步的變換、處理和分析，即通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，輸出給輸出環(huán)節(jié)。根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)輸出的目的和形式的不同，輸出環(huán)節(jié)主要顯示與記錄裝置、數(shù)據(jù)通信接口和控制裝置。

傳感器的信號(hào)調(diào)理電路是由傳感器的類型和對(duì)輸出信號(hào)的要求決定的。不同的傳感器具有不同的輸出信號(hào)。能量控制型傳感器輸出的是電參數(shù)的變化，需采用電橋電路將其轉(zhuǎn)換成電壓的變化，而電橋電路輸出的電壓信號(hào)幅度較小，共模電壓又很大，需要用儀表放大器進(jìn)行放大，在能量轉(zhuǎn)換型傳感器輸出的電壓、電流信號(hào)中一般都含有較大的噪聲信號(hào)，需加濾波電路提取有用的信號(hào)，而濾波出無(wú)用的噪聲信號(hào)。而且，一般能量型傳感器輸出的電壓信號(hào)幅度都很低，也許才用儀表放大器進(jìn)行放大。

與電子系統(tǒng)載波相比，光電系統(tǒng)載波的頻率提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這種頻率量級(jí)上的變化使光電系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)方法上發(fā)生了質(zhì)變，在功能上也發(fā)生了質(zhì)的飛躍。主要表現(xiàn)在載波容量、角分辨率、距離分辨率和光譜分辨率大為提高，因此，在信道、雷達(dá)、通信、精導(dǎo)、導(dǎo)航、測(cè)量等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

注意事項(xiàng)：1）硬件的邏輯錯(cuò)誤是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工過(guò)程中的工藝性錯(cuò)誤所造成。這類錯(cuò)誤包括錯(cuò)線、開(kāi)路、短路，其中短路是最常見(jiàn)也是最難以排除的故障。單片機(jī)系統(tǒng)往往要求體積很小，印刷板的布線密度很高，由于工藝原因經(jīng)常造成引線之間的短路。2）元器件失效的原因有兩個(gè)方面：一是由于元器件本身?yè)p壞或性能差，諸如電阻，電容的型號(hào)參數(shù)不正確，集成電路損壞，或速度、功率等技術(shù)參數(shù)不合格等。二是組裝錯(cuò)誤造成元器件失效，諸如電容，二極管極性錯(cuò)誤，集成塊安裝方向顛倒等。

五、結(jié)語(yǔ)

采用以上設(shè)計(jì)后，光電傳感器減少干擾。它在嚴(yán)酷環(huán)境中能穩(wěn)定地工作。經(jīng)過(guò)電磁兼容設(shè)計(jì)，光電傳感器可靠性及質(zhì)量顯著提高。（作者單位：沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

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