光电传感器的原理及应用探讨

2022-09-12

一、光电传感器的基本原理

一些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作用, 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[2]。

(一) 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为普朗克常数, 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[2]。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”。

(二) 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。

二、光电传感器技术的应用现状

(一) 技术特点

分辨率高。能通过高度集成设计使入射光束高效汇聚在小光点, 或通过特殊构成的设计灵敏的光学系统, 实现高分辨率, 从而可实现对微小单元的检测和高灵敏位置检测。

非接触式检测。光电传感器输入信号和媒介均采用光源进行信息的采集和检测, 无需进行机械接触检测, 所以不会对检测目标和传感器本身造成损伤, 传感器能长期使用。

响应速度大。光速本身极快, 光电传感器本身是由电子零件组成, 所以不存在机械性工作时间, 响应时间比较短。

信息容量大。随着快速发展的信息科学技术和高度集成的产品设计, 光电传感器能通过本身技术特点实现对待检目标的多方位信息采集检测。

用途广泛。由于光电传感器技术产业如今已较为成熟, 其被广泛应用于工业控制、环境检测、医疗检测、军事国防及日常生活等各个领域。

(二) 应用现状

近年来, 光电传感器已充分融入人们生活, 比如自动门、光电开关、二维码扫描仪安检门等;在军事国防方面, 不管是水下探测、航空监测、空间测量、枪炮武器的瞄准系统等均涉及光电传感器技术。国外光电传感器技术发展的较快, 商业化的产品已较为成熟, 其中邦纳公司的光电传感器产品流水线是当今世界上最完善的, 日本l5家电气公司也在20世纪90年代研制出多款民用光电传感器, 而国内民用领域的光电传感器起步相对较早, 已形成“研究-生产-应用”的产业体系, 研制出的产品和成果被广泛应用于各个领域, 也涌现了一批与国际接轨的优秀研究成果, 如非接触类传感检测系统在石油高温、高压等领域的应用, 但需要我们正视的问题是, 与发达国家的高端产品相比, 国内光电传感器产业的技术水平、生产工艺、工程化能力等有较大的差距, 不足表现在不够成熟的货架产品和产业化生产上, 国外产品在微型化、集成化、智能化方面已领先国内水平一截, 在一定程度上限制了我国国产企业的发展, 大多企业走的是低价优势的生存路线, 也因此引发研发投入的不足, 其中的环节是密切相关的。

(三) 应用举例

1. 工业生产方面

(1) 钢铁生产

钢铁生产“越大越好”的理念一直被工业生产领域贯彻实施者, 在如此背景下, 大功率和大体积的光电传感器变成钢铁生产的主体, 通过大型反射式光电传感器的使用, 可以对钢索进行扫描监控, 因为酸池内钢板的张力是以钢索卷轴缠绕为基准的, 光电传感器的使用能有效规避钢索断裂问题, 保证钢铁生产的正产进行。

(2) 传送机

组合型传送机是材料处理的关键设备, 通过合理控制机动辊和依靠自身局部逻辑的方式, 用户能便捷地通过积木搭建的形式进行传送机构建工作。在工业生产过程中, 光电传感器辅助积木式传送机科学地控制半导体芯片的路线轨迹, 再选用小型的光电传感器来局部管控传送机的工作, 并通过宽光束的发散作用检测芯片颜色, 轨道反射因素由检测范围对其控制, 整体来说, 传送机系统的小型光电传感器作为核心部件, 安装简单、穿孔方便、缆线不长等优点使得其在工业生产中应用广泛。

光电传感器在工业方面的应用除以上应用之外, 光电传感器还能对流水线上的产品数量、质量、配件完整性等方面进行统计及检测, 如瓶盖是否压紧、商标是否漏贴、送料机构是否断料等进行具体检测。

2. 国防领域方面

现代武器讲究的是精准打击, 所以一些枪炮类的武器通常需要采用传感器进行辅助瞄准、测距、检测等, 其中, 压力、转速及角度传感器等均采用数量较多的光电传感器, 如火炮的高低角和方位角检测采用的是高精度的光栅式角度传感器, 枪械方面的测量则普遍采用光电式数字传感器, 目标角速度测量采用高精度的光电数字传感器, 火炮反后座装置运动特性的检测可采用光电测速仪, 车辆的性能检测采用光电转速传感器, 显然光电传感器在国防军事方面的应用也不可或缺。

3. 信息自动检测方面

(1) 位置偏移检测。光电位置偏移传感器可对带型材料进行检测, 利用这一技术可以对具体加工过程中的材料的位置、大小、方向是否符合标准进行检测, 从而找到具体的错位位置的信号, 有利于电路的控制, 这项技术通常应用于检测印染、胶片等方面的问题。 (2) 高度检测。通常产品的包装对充填高度有明确的要求, 以此达到外观尺寸的规定标准和美观, 对不符合标准填充的产品进行检测筛选。 (3) 色质检测。在进行产品包装物料的过程依据的是光电色质检测的原理, 假设规定标准的包装底色为白色, 因质量不达标或者其他原因造成物品变色, 光电传感器的使用能对颜色出现偏差的物品检测出来, 进行光电色质检测时, 商品变色部分就会产生电压差, 通过检测这一差异信号对变色物品进行排除。光电传感器除以的信息检测作用外, 还具备行材质分拣、异常自动报警等功能, 此外, 生活中常见的传感器应用实例有:光电隔离器、光电探纬器、条码扫描笔等。

三、总结

光电传感器如今在各行各业用途甚广, 随着现代科技产品的快速更新换代, 新型的光电材料和技术也在不断的被研发出来, 但光电传感器领域还有极大的发展潜力, 需要我们不断去发展、探究。光电传感器在工业生产、国防领域、信息自动检测技术和日常生活的应用给人们生活带来极大的便利, 光电传感器的改进方向可以考虑高精度、微型化、智能化、新材料、新技术等方面, 我们应当针对当前光电传感器的不足, 不断研发改善, 有理由相信, 光电信息产业仍是未来一段时间内信息产业的支柱之一。

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[1], 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