光電傳感器測量設計與應用初探

摘要：光電傳感器是一種小型電子設備，它可以檢測出其接收到的光強的變化。本文敘述了這種器件的光電特性，并討論了測量的設計方法，從而了解其工作特點。

關鍵詞：光電；傳感器；設計

光電傳感器由于反應速度快，能實現非接觸測量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成等優點，因而廣泛應用于軍事、宇航、通信、檢測與工業自動化控制等多種領域中。當前，世界上光電傳感領域的發展可分為兩大方向：原理性研究與應用開發。隨著光電技術的日趨成熟，對光電傳感器實用化的開發成為整個領域發展的熱點和關鍵。從上述分析可知，現代信息技術的主體是光子技術與微電子技術，而光子技術與微電子技術結合，它們相互交叉、相互滲透與補充，就形成了光電信息技術，光電信息技術的主要內容是電─光信息轉換和光─電信息的轉換及其應用，是現代信息技術的基礎和核心。

一、光電效應

光電效應一般有外光電效應、光導效應、光生伏特效應。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，電子會克服束縛脫離材料表面而進入外界空間，從而改變光電子材料的導電性，這種現象成為外光電效應。根據愛因斯坦的光電子效應，光子是運動著的粒子流，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。假設光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉換成電子能量。

二、光電元件及特性

根據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，典型的產品有真空光電管和充氣光電管。當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時，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。利用逐級產生的二次電子發射，使電子數量迅速增加，這些電子最后到達陽極，形成較大的陽極電流。若倍增電極有n級，各級的倍增率為σ，則光電倍增管的倍增率可以認為是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具有良好的線性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。

3、光敏電阻。光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導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成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數如下：（1）暗電阻光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩定電阻值稱為暗電阻，此時流過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得穩定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。

三、光電檢測

光電檢測術是光電信息技術的主要技術之一，它主要包括光電變換技術、光信息獲取與光信息測量技術以及測量信息的光電處理技術等。如用光電方法實現各種物理量的測量，微光、弱光測量，紅外測量，光掃描、光跟蹤測量，激光測量，光纖測量，圖象像測量等。光電檢測技術將光學技術與電子技術相結合實現對各種量的測量，它具有如下特點。

1）高精度。光電測量的精度是各種測量技術中精度最高的一種。如用激光干涉法測量長度的精度可達0.05μm/m。2）高速度。光電測量以光為媒介，而光是各種物質中傳播速度最快的，無疑用光學方法獲取和傳遞信息是最快的。3）遠距離、大量程。光是最便于遠距的介質，尤其適用于遙控和遙測，如武器制導、光電跟蹤、電視遙測等。4）非接觸測量。光照到被測物體上可以認為是沒有測量力的，因此也無摩擦，可以實現動態測量，是各種測量方法中效率最高的一種。5）壽命長。在理論上光波是永不磨損的，只要復現性做得好，可以永久的使用。6）具有很強的信息處理和運算能力，可將復雜信息并行處理。用光電方法還便于信息的控制和存儲，易于實現自動化，易于與計算機連接，易于實現智能化。

四、設計方法

光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的，它的基本結構是首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號.光電傳感器一般由光源，光學通路和光電元件三部分組成.由于被測對象復雜多樣，故檢測系統的結構也不盡相同。一般電子檢測系統是由傳感器、信號調理器和輸出環節三部分組成。

傳感器處于被測對象與檢測系統的接口處，是一個信號變換器。它直接從被測對象中提取被測量的信息，感受其變化，并轉化成便于測量的電參數。有傳感器檢測到的信號一般為電信號。它不能直接滿足輸出的要求，需要進一步的變換、處理和分析，即通過信號調理電路將其轉換為標準的電信號，輸出給輸出環節。根據檢測系統輸出的目的和形式的不同，輸出環節主要顯示與記錄裝置、數據通信接口和控制裝置。

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

與電子系統載波相比，光電系統載波的頻率提高了幾個數量級。這種頻率量級上的變化使光電系統在實現方法上發生了質變，在功能上也發生了質的飛躍。主要表現在載波容量、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、通信、精導、導航、測量等領域獲得廣泛應用。

注意事項：1）硬件的邏輯錯誤是由于設計錯誤和加工過程中的工藝性錯誤所造成。這類錯誤包括錯線、開路、短路，其中短路是最常見也是最難以排除的故障。單片機系統往往要求體積很小，印刷板的布線密度很高，由于工藝原因經常造成引線之間的短路。2）元器件失效的原因有兩個方面：一是由于元器件本身損壞或性能差，諸如電阻，電容的型號參數不正確，集成電路損壞，或速度、功率等技術參數不合格等。二是組裝錯誤造成元器件失效，諸如電容，二極管極性錯誤，集成塊安裝方向顛倒等。

五、結語

采用以上設計后，光電傳感器減少干擾。它在嚴酷環境中能穩定地工作。經過電磁兼容設計，光電傳感器可靠性及質量顯著提高。（作者單位：沈陽師范大學物理科學與技術學院）

參考文獻：

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