光电传感器的原理及应用研究

刘海杰

摘要：科学技术的快速发展极大地促进了光电传感器技术和检测技术的进步，通过光电传感器能有效获取和筛选传输信息，并实现自动化控制。目前已被广泛应用于科学研究、工业生产、国防领域和信息自动检测等领域，光电传感器成为信息化时代不可或缺的重要技术，具有响应时间短、非接触检测、精度和可靠性都比较高等优点，是基于光电效应基础理论和光 电元器件为检测器件的传感器。本文首先对光电传感器的原理做了简要介绍，然后探讨了光电传感器在一些相关领域的应用情况。

关键词：光电传感器;光电效应;光电子;应用

1、光电传感器的基本原理

一些作用材料的光电效应是光电传感器实现能量转换的物理基础，从而实现光信号和电信号之间的相互转换，按电子是否逸出材料表面，光电效应可分为外和内两类光电效应。其中，外光电效应是指因光照射，电子从被照射物体表面逸出的现象，也称为电光效应，光电管，光电倍增管等光电元件是基于外光电效应原理的。内光电效应是指在光照射作用下，被照射物体内部的原子释放电子，但是这些电子留在物体内部并不逸出物体表面的现象，从而出现物体的电阻率发生变化并产生电动势的现象。光敏电阻、光敏二极管、光电池等光电元件是基于内光电效应原理的。

1.1外光电效应

外光电效应的机理为光电材料被光照射，材料表面的电子吸收光照能量，当吸收的能量达到某个阈值时，电子会挣脱束缚逸出材料表面进入外部空间。根据爱因斯坦的光电子效应理论，光子是移动的粒子流 ，光子能量为 hv（h 为普朗数 ，h=6.63×1034J/Hz，ν 是光波频率 ）。由该公式可知光子能量和光波频率成正比，假如光子的能量全部转移给电子，那么就会增加电子的能量，一部分能量用于克服正离子的束缚，另一部分能量转换成电子自身能量。由能量守恒定律：mv2 =hv-w，其中电子质量为 m，电子逸出表面的初速度为 v，逸出功为w。因此，由上式可知要使电子逸出光电材料表面，前提是光子能量大于逸出功，材料不同，逸出功也不同，对于每一种光电材料，入射光都有一个阈值频率，只有入射光的频率大于此阈值才会有电子逸出材料表面。我们称这个频率阈值为“红限”。

1.2内光电效应

半导体材料的价带与导带之间有一能量间隔为 Eg 的带隙。半导体材料的导电性与导体相比较差是因为价带中的电子不会自发地跃迁到导带，但如果使用某种方式（如光激励等）提供能量给价带中的电子，就能够将价带中的电子激发到导带中，产生的载流子能增加半导体材料的导电性。以光照激励方式举例说明，当入射的光能量 hv 大于 Eg 时，价带中的电子通过吸收入射光子的能量跃迁到导带中，在原来的位置留下一个空穴，形成可以导电的电子空穴对，即载流子。这一过程中的电子虽然没有逸出材料表面形成光电子，但显然因光照而形成的电效应现象，我们称这种情况为内光电效应。

2、光电传感器的应用

2.1光隔离器

所谓光隔离器一般是由一个发光的二极管或者光电晶体管在同一封套的组合物进行安装而成的。发光二极管的光敏电阻器，发光二极管光电晶体管。其中发光二极管的光电晶体管是被最广泛使用的 ，经常在隔离一般信号中使用;发光的光敏可控硅电源隔离的驾驶情况下使用二极管;发光二极管或在直接驱动低功率负荷的场合中使用的达林顿复合管。

2.2文具计量电路

学生在不均匀的光环境中学习时，很容易使视觉疲劳，而光电文具计量电路可显示光的强度，引导学生以保护装文具的表面硅光伏电池的视力，直接感受到的光的强度，具有两个发光二极管作为指示灯的光强度时的光小于100V，由光电池产生的电压是比较小的，两个LED 被点亮;当光线100-200V 时，其中一个发光二极管点亮，光线适中;当光大于200V，由光电池产生的电压是比较高的，两个发光二极管被点亮时，光线太强。

2.3条码扫描笔

当扫描条形码笔尖上移动，如果遇到黑线，所述发光二极管的光就会由黑线被吸收，光电晶体管不接收反射的光，高阻抗电流干旱，在横截面中比状态由于当由发光二极管发出的光，被反射到光电晶体管的基极的颜色空间满足，光电晶体管导通，整个条码扫描之后，条形码到光电晶体管的电脉冲信号，将信号放大，脉冲列的形成后成形，然后通过计算机处理，以完成的条形码信息的识别。

2.4光电探纬器

光电探测器在纬纱织机用检测器，以确定是否断裂时在喷射纬纱效果的进步，红外发射红外光，经纬线反射的接收到的光电池，如果没有接收到电池中的光的反射信号，则纬纱已破裂，因此光电池的输出信号，经过随后的电路放大，脉冲整形，并控制机器的正常操作是打开还是关闭报警。因为纬纱非常薄，并向前摆动，漫射光的生成，减弱了反射光的强度，并伴有背景的杂散光，因此要求塞具有高的灵敏度和分辨率，为此，利用红外线LED高电流小电源脉冲占空比，它将确保发光管的寿命，而且在瞬间射的光，以提高检测灵敏度。

2.5光电三极管测速

在机床转轴上安装一个具有均匀分布齿轮的调制盘，调制盘的一边由固定的发光管产生恒定光，另一边为光电三极管或光电二极管。当转轴转动时，调制盘跟随转动，发光二极管发出的恒定光被调制成随时间变化的调制光，光电三极管间断接收到透射的光信号，输出脉冲。

结语

一些广泛运用的光电传感器仍等着我们去研究，去探索，如在太阳下，还不能很好看清手机和电脑的显示，那么我们就可以用它来更改手机的感光器件和屏幕亮度，同样的，空调调节，可以红外线检测自动调整到舒适的温度的身体，当温度过高或过低时，打开空调即可调整到人的舒适范围温度，由此可见，光电传感器将会使我们的生活更方便。

參考文献：

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