韓璐斌

摘? 要：通過物體上光的變化，我們很難了解到其中包含的信息，而光電式傳感器可以作為一種轉換裝置將其經(jīng)過一系列處理形成電信號以便于人們理解的形式展現(xiàn)出來。光電式傳感器最基本的部件組成為光電元件，基于不同種類的光電效應得到了不同類型的光電元件，例如光敏電阻。于此同時，這些光電元件的基本特性存在較大的差別，通過它們的特性可以對其適合的應用領域進行分析，以發(fā)揮其最大效益。光電式傳感器的應用場合較為豐富，這歸因于其較高的測量精度以及非接觸的特性。

關鍵詞：光電效應;光電元件;轉換

中圖分類號：TP212? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0077-02

Abstract： It is difficult to know what information is contained in the change of light in an object， but the photoelectric sensor can be used as a conversion device to present it in the form of an electrical signal that can be processed in a series of ways for people to understand. The most basic components of the photoelectric sensor are composed of photoelectric elements. Different types of photoelectric elements， such as photosensitive resistors， are obtained based on different types of photoelectric effects. At the same time， the basic characteristics of these photoelectric components are quite different， through their characteristics can be suitable for the analysis of the application field， in order to give full play to their benefits. The applications of photoelectric sensors are abundant， which is due to their high measurement accuracy and non-contact characteristics.

Keywords： photoelectric effect; photoelectric element; conversion

引言

光電式傳感器是對被測量進行線性計量并不與被測物進行接觸的儀器，這在一定程度上拓展了光電式傳感器的應用范圍。光電元件是其最基本的部件組成，不同類的光電效應決定不同類型光電元件的性質，這些性質也決定了光電式傳感器的應用領域。

光電式傳感器是一種基于光電效應的傳感器[3]，即外光電效應和內光電效應，從伏安特性、光照特性以及穩(wěn)定性等幾個方面可以對光電元件的特性進行分析。

1 光電式傳感器的基本原理

光電元件的外光電效應或內光電效應構成了光電式傳感器將能量進行轉換的基本條件，在這一基礎上光信號實現(xiàn)了向電信號的有效轉換，再以人們能夠理解的形式展現(xiàn)出來，同時對所受光照的變化規(guī)律進行分析。光子以電子流的形式進行移動，電子的能量隨光波頻率的增大而增大，在受光條件下電子吸收光照所釋放的能量，進而電子能量快速增大，電子利用這部分能量在掙脫正離子束縛的同時，將剩下的能量保存下來作為自身運動的能量。由此可得光照射物體后物體的溢出功小于物體中電子所獲的能量而發(fā)生表面逸出電子的現(xiàn)象即為外光電效應，光照強度的大小并不能決定該效應的發(fā)生，而在于受光物體自身所特有的紅限頻率，若低于該紅頻限率，無論光照強度多大都無法使電子脫離物體表面，逸出時的初始動能使得該類光電元件在沒有加壓時也能產(chǎn)生光電流，進而可以脫離電源獨立工作，具有極大的便利性。在相同條件作用下未出現(xiàn)電子逸出而是發(fā)生電子由鍵合狀態(tài)至自由狀態(tài)導致電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象即為光電導效應，在受光條件下以本征半導體為材料的光電導體原處于價帶上的電子移至導帶，該現(xiàn)象發(fā)生的條件是光電導體所受光照輻射較強。這一過程引起了在導帶的電子數(shù)目的上升以及價待的空穴數(shù)目的增加，導體的導電能力增強。內光電效應的類型分為兩種，除此之外還有受光條件下產(chǎn)生定向電動勢的光生伏特效應。結光電效應以及側向光電效應是光生伏特效應的兩種類型，結光電效應受光條件下半導體于PN結接觸面產(chǎn)生的光電動勢，對于在不均勻受光條件下的光電元器件，半導體中的載流子濃度會呈現(xiàn)一定的差異，其形成的梯度是側向光電效應產(chǎn)生的重要原因。

利用光電式傳感器對一被測量進行信號轉換需要經(jīng)過三個步驟，同時也包含三個模塊，即光源、光學通路和光電元器件。光電元器件在整個轉換過程中占據(jù)核心地位，也是將光信號處理形成電信號的末端裝置，對光電式傳感器的靈敏度有著較大的影響。其中第一步需要采用的檢測方式應滿足光量直接能由被測量的改變而發(fā)生改變的性質，這能更好地對被測量的變化狀態(tài)進行轉換，再由光學通路將傳播中的被測量調制為最終的光量，即光信號。這一信號基于光電元件的內光電效應或外光電效應轉換為相對應電信號，x1、x2分別為兩種檢測方式，工作原理如圖1所示。

2 光電元件的基本特性

光電元件作為光電式傳感器最基本的部件有較多種類，其中光電管、光電倍增管等光電元件是基于外光電效應原理的，光敏電阻、光敏二極管、光電池等光電元件是基于內光電效應原理的。[1]

將光電管置于光源附近區(qū)域，再對光電管的陰極兩端施加一定大小的電壓，由此在光電管陽極產(chǎn)生的電流與之的關系是光電管的伏安特性。其次，在光電管兩極之間施加恒定的電壓，其光電流與光通量的關系是光照特性，不同種類的陰極材料會導致不同的特性。

光電管陰極材料中的電子脫離材料本身需要做大量的功，而其對應功值的大小取決于其材料的類型，從而產(chǎn)了不同的光線頻率閥值，即紅限頻率。強度相同且頻率超過紅限頻率的光照也會因為其頻率的改變導致從陰極逸出的光電子數(shù)量發(fā)生改變，光電管的靈敏度也隨之發(fā)生改變，即為光電管的光譜特性。鑒于光電管的此類特性，其陰極材料的選取應以光的波長區(qū)域范圍為準，以發(fā)揮光電管的最佳性能。

光電管在受光條件較差時所產(chǎn)生的電流極小，甚至低至μA級別，這也導致一般的傳感器不易對其探查和檢測。使用光電倍增管可與有效解決這一問題，光電倍增管通過對光電流的放大來實現(xiàn)功能。光電倍增管的靈敏程度受極間電壓的影響，過高的極間電壓會破壞陽極電流的穩(wěn)定性。靈敏度高這一特性也為光電倍增管帶來了不利的影響，強光條件下會對其造成極大的破壞。因此光電倍增管使用場所應較為陰暗，這樣能避免強光對光電倍增的損傷，實現(xiàn)對所受光照的獨立檢測。暗電流也同樣存在于光電倍增管中，這是由周圍的熱輻射以及溫度變化而導致的，對光電倍增管加壓且無光信號條件下陽極電流不為零，補償電路用以消除熱發(fā)射以及場發(fā)射所產(chǎn)生的該類暗電流。光電倍增管還可能產(chǎn)生一類特殊的電流，即本底電流。該電流于光電倍增關的暗電流相比要大一些，其值超過暗電流部分由放置于光電倍增管附近的閃耀體受宇宙射線而激發(fā)并以脈沖形式存在的電流。光電倍增管在陽極上產(chǎn)生的電流與其陰極上所受光照的通量由一定的關系，要使這一關系在較大的區(qū)間范圍內呈線性關系就要選擇性能優(yōu)良的光電倍增管，光通量超過一定值該關系就轉變成非線性。

光敏電阻一般不用于定量檢測的場合，這是由于任何種類光敏電阻的光照特性曲線均為非線性，這一特性使得光敏電阻的應用范圍較小，也是其通常應用于控制系統(tǒng)啟停場合的重要原因。對于光敏電阻的兩端的電壓、電流、光照強度，電阻兩端電壓或光照強度一定時，其他兩個量呈同一趨勢增加或減少的特性為其伏安特性。除此之外，光敏電阻的穩(wěn)定性較強，在正確使用及密封性較佳的條件下，其使用時間甚至可以達到無限長，這一特性較好地保證了傳感器的使用壽命，在一定程度上提高了其在生產(chǎn)中的效率。光敏電阻有一特殊屬性，在受脈沖形式的光照條件下，光電流的穩(wěn)定值在較長時間后才能達到，光敏電阻的電流在其突然離開關照后也不會馬上降為零。其次，該特性還受到光敏電阻材料種類的影響，頻率特性受其電阻延時特性的影響而有所區(qū)別。正是光明電阻的這一特性使得其在對光電元器件相應速度有所要求的場合無法進行應用。

光電池在受光條件下其無需外加電源即可產(chǎn)生電動勢并同時輸出電流，即為光生伏特效應。光波長的差異對同一光電池的影響不同，各類光電池光譜特性中對應的最高相對靈敏度的光波長有較大差異。除此之外，部分類型的光電池能應用于較大的波長范圍。對于不同的頻率，光電池對于其反應程度存在差異，硅光電池對頻率的響應程度較為突出。光電池在開路以及短路的條件下其電流會受到周圍溫度的影響，其周圍的溫度甚至會對測量的精確度產(chǎn)生較大的影響，因此溫度特性在光電池的特殊性中占有極為重要的地位。開路時光電池的電壓隨溫度的變化呈反向趨勢變化，而光電池短路時的電流與溫度變化呈同一趨勢變化。對于光電池在這一特性的研究對合理應用光電池有著較大的作用。

光敏二極管常以反向的形式進行工作，未受光條件下暗電流極小，這是由其極大的反向電阻所導致的，該電阻對電流起到了很強的阻斷作用。在光敏晶體管集電結的反向偏壓是由于在其集電極上施加較于發(fā)射極為正的電壓而導致的，在集電結受光條件下的光電流由集電極周圍的電子-空穴對產(chǎn)生。光敏二極管及晶體管的光譜特性與光電池的特性較為相似，其性能可與由暗電流值的大小這方面來進行判斷。普通二極管能產(chǎn)生的光電流較小，而光敏晶體管的電流以百倍大于同類二極管。溫度變化通常會對光敏晶體管的電流產(chǎn)生一定影響，但對于光電流和暗電流的影響程度不同，兩者相比之下，溫度對光敏電阻暗電流的影響極大，為減小輸出誤差應對其進行一定程度的溫度補償。

3 結束語

通過對光電式傳感器的原理及其特性的分析，可得這種傳感器具有許多其它同類傳感器不具備的特點，如結構簡單、使用方便、穩(wěn)定性好等。[2]對于不同的檢測情形，應考慮其光電元件的特性。

參考文獻：

[1]王濤.光電傳感器的原理及應用探討[J].計算機產(chǎn)品與流通，2018（07）：64+122.

[2]丁喜波，張忠典，陸鳳霞，等.光電式傳感器原理及其應用[J].傳感器技術，1996（05）：49-51.

[3]張靜.淺談光電式傳感器[J].電子技術與軟件工程，2014（03）：263.