摘 要:本文着重介绍了光电二极管,光敏电阻以及反射式光电传感器的基本原理。并以光控灯为例,说明在实际生活当中,公共场所节能灯的节能实现过程,最后介绍了传感器的优势以及未来走向。
关键词:光电传感 器 光敏电阻 节能灯
传感器是将感受的物理量、化学量等信息,按一定规律转换成便于测量和传输的信号的装置。电信号易于传输和处理,所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。传感器主要用于测量和控制系统,它的性能好坏直接影响系统的性能。在自动测量过程或控制系统中,首先由传感器感受被测量,而后把它转换成电信号,供显示仪表指示或用以控制执行机构。如果传感器不能灵敏地感受被测量,或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号,其他仪表和装置的精确度再高也无意。
1 光电传感器工作原理
光电式传感器的物理基础是光电效应,即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类,即外光电效应和内光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值(相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。由Ek=hν-W如果入射光子的能量hν大于逸出功W,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样,所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功W是使电子脱离金属所要做功的最小值,所以如果用Ek表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式Ek=hν-W(其中,h表示普兰克常量,ν表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。
如图1所示,当光照射到距表面很近PN结上时,如果光能足够大,光子能量大于半导体材料的禁带宽度,电子就能够从价带跃迁到导带,成为自由电子,而价带则相应成为自由空穴。这些电子-空穴对在PN结的内部电场作用下,电子被推向N区外侧,使N区带上负电,P区带上正电。这样,N区和P区之间就出现了电位差,于是PN结两侧边产生了光生电动势。光敏电阻光敏电阻的原理是基于光电导效应:在无光照时,光敏电阻具有很高的阻值,在有光照时,当光子的能量大于材料禁带宽度,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,激发出可以导电的电子-空穴对,使电阻值降低;光照停止后,自由电子与空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。光敏电阻的结构如图2所示。由于光电效应只限于光照表面的薄层,一般都把半导体材料制成薄膜,并赋予适当的阻值,电级构造成梳型,这样光敏电阻电极的距离短,载流子通过电极的时间少,而材料的载流子寿命有比较长,于是就有很高的内部增益,从而获得很高的灵敏度,光电传感器是将非电信号转换为电信号来测量。在一般情况下,有三部分构成。
它们分为:发送器、接收器和检测电路。发送器是提供光源的,光源一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。接收器由三部分组成;光电二极管、光电三极管、光电池。检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。
工作方式:反射板反射式光电开关:在一个装置里装入发光器和收光器,前方装一反光板,利用反射原理的开关。一般看来;发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到,要是被物体挡住了,收光器接收不到光时,光电开关就会做出相应的反应。输出一个开关控制信号它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器,只是没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。要是检测物体背光挡住了,只有部分光反射回,收光器就会收到信号,作出相应的反应。
2 光电式传感器可用来测什么量及作用
光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏器件。而在实际运用中,光电传感器起到一个非常重要的作用,是光电子器元件的核心。它可以实现非电量向电量的转换,从而可以用于用于检测直接引起光强变化的非电量,如光强,辐射测温,气体成分分析等;也可以用来检测能转化成光量变化的其他非电量,如零件线度,表面粗糙度,位移,速度等。
图1
图2
3 光电式传感器测量的具体过程
光控电子开关,它的“开”和“关”是靠可控硅的导通和阻断来实现的,而可控硅的导通和阻断又是受光的亮度的大小所控制的。该装置适合作为街道、宿舍走廊或其它公共场所照明灯,起到日熄夜亮的控制作用,以节约用电。
工作原理电路如图3所示。当在灯泡H上加载220V交流,经全桥后变成直流脉动电压作为正向偏压,从而得知此电压在可控硅半导体VS及R支路上。在光亮强度大于一定程度的白天,其中的光敏二级管电阻≤1kΩ,使三极管反相偏置而终止,发射极无电流输出,单向可控硅VS因无触发电流而阻断。这时候灯泡H由于电流过小而不能发光。当夜晚来临时而使亮度小于一定程度时,光敏二极管D呈现高阻状态≥100kΩ,三极管导通使可控硅半导体VS触发导通,灯泡H发光
4 光电传感器特点
①无接触检测。减少被测物语传感器的摩擦,而且可以检测距离长
②对检测物体的限制少。由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理,所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属,它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。
③响应时间短。光本身为高速,并且传感器的电路都由电子零件构成,所以不包含机械性工作时间,响应时间非常短。
④分辨率高。通过高级设计技术使投光光束集中在小光点,或通过构成特殊的受光光学系统,来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。
⑤可实现颜色判别。通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质,可对检测物体的颜色进行检测。
5 传感器市场前景预测
咨询公司INTECHNOCONSULTING的传感器市场报告显示,2008年全球传感器市场容量为506亿美元,预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示,东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。一些传感器市场比如温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS传感器、生物传感器等新兴传感器。其中,无线传感器在2007至2010年复合年增长率预计会超过25%。
目前,全世界传感器市场呈增长趋势。有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
图3
