韩璐斌

摘  要：通过物体上光的变化，我们很难了解到其中包含的信息，而光电式传感器可以作为一种转换装置将其经过一系列处理形成电信号以便于人们理解的形式展现出来。光电式传感器最基本的部件组成为光电元件，基于不同种类的光电效应得到了不同类型的光电元件，例如光敏电阻。于此同时，这些光电元件的基本特性存在较大的差别，通过它们的特性可以对其适合的应用领域进行分析，以发挥其最大效益。光电式传感器的应用场合较为丰富，这归因于其较高的测量精度以及非接触的特性。

关键词：光电效应;光电元件;转换

中图分类号：TP212         文献标志码：A         文章编号：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

光電式传感器是对被测量进行线性计量并不与被测物进行接触的仪器，这在一定程度上拓展了光电式传感器的应用范围。光电元件是其最基本的部件组成，不同类的光电效应决定不同类型光电元件的性质，这些性质也决定了光电式传感器的应用领域。

光电式传感器是一种基于光电效应的传感器[3]，即外光电效应和内光电效应，从伏安特性、光照特性以及稳定性等几个方面可以对光电元件的特性进行分析。

1 光电式传感器的基本原理

光电元件的外光电效应或内光电效应构成了光电式传感器将能量进行转换的基本条件，在这一基础上光信号实现了向电信号的有效转换，再以人们能够理解的形式展现出来，同时对所受光照的变化规律进行分析。光子以电子流的形式进行移动，电子的能量随光波频率的增大而增大，在受光条件下电子吸收光照所释放的能量，进而电子能量快速增大，电子利用这部分能量在挣脱正离子束缚的同时，将剩下的能量保存下来作为自身运动的能量。由此可得光照射物体后物体的溢出功小于物体中电子所获的能量而发生表面逸出电子的现象即为外光电效应，光照强度的大小并不能决定该效应的发生，而在于受光物体自身所特有的红限频率，若低于该红频限率，无论光照强度多大都无法使电子脱离物体表面，逸出时的初始动能使得该类光电元件在没有加压时也能产生光电流，进而可以脱离电源独立工作，具有极大的便利性。在相同条件作用下未出现电子逸出而是发生电子由键合状态至自由状态导致电阻率发生变化的现象即为光电导效应，在受光条件下以本征半导体为材料的光电导体原处于价带上的电子移至导带，该现象发生的条件是光电导体所受光照辐射较强。这一过程引起了在导带的电子数目的上升以及价待的空穴数目的增加，导体的导电能力增强。内光电效应的类型分为两种，除此之外还有受光条件下产生定向电动势的光生伏特效应。结光电效应以及侧向光电效应是光生伏特效应的两种类型，结光电效应受光条件下半导体于PN结接触面产生的光电动势，对于在不均匀受光条件下的光电元器件，半导体中的载流子浓度会呈现一定的差异，其形成的梯度是侧向光电效应产生的重要原因。

利用光电式传感器对一被测量进行信号转换需要经过三个步骤，同时也包含三个模块，即光源、光学通路和光电元器件。光电元器件在整个转换过程中占据核心地位，也是将光信号处理形成电信号的末端装置，对光电式传感器的灵敏度有着较大的影响。其中第一步需要采用的检测方式应满足光量直接能由被测量的改变而发生改变的性质，这能更好地对被测量的变化状态进行转换，再由光学通路将传播中的被测量调制为最终的光量，即光信号。这一信号基于光电元件的内光电效应或外光电效应转换为相对应电信号，x1、x2分别为两种检测方式，工作原理如图1所示。

2 光电元件的基本特性

光电元件作为光电式传感器最基本的部件有较多种类，其中光电管、光电倍增管等光电元件是基于外光电效应原理的，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]

将光电管置于光源附近区域，再对光电管的阴极两端施加一定大小的电压，由此在光电管阳极产生的电流与之的关系是光电管的伏安特性。其次，在光电管两极之间施加恒定的电压，其光电流与光通量的关系是光照特性，不同种类的阴极材料会导致不同的特性。

光电管阴极材料中的电子脱离材料本身需要做大量的功，而其对应功值的大小取决于其材料的类型，从而产了不同的光线频率阀值，即红限频率。强度相同且频率超过红限频率的光照也会因为其频率的改变导致从阴极逸出的光电子数量发生改变，光电管的灵敏度也随之发生改变，即为光电管的光谱特性。鉴于光电管的此类特性，其阴极材料的选取应以光的波长区域范围为准，以发挥光电管的最佳性能。

光电管在受光条件较差时所产生的电流极小，甚至低至μA级别，这也导致一般的传感器不易对其探查和检测。使用光电倍增管可与有效解决这一问题，光电倍增管通过对光电流的放大来实现功能。光电倍增管的灵敏程度受极间电压的影响，过高的极间电压会破坏阳极电流的稳定性。灵敏度高这一特性也为光电倍增管带来了不利的影响，强光条件下会对其造成极大的破坏。因此光电倍增管使用场所应较为阴暗，这样能避免强光对光电倍增的损伤，实现对所受光照的独立检测。暗电流也同样存在于光电倍增管中，这是由周围的热辐射以及温度变化而导致的，对光电倍增管加压且无光信号条件下阳极电流不为零，补偿电路用以消除热发射以及场发射所产生的该类暗电流。光电倍增管还可能产生一类特殊的电流，即本底电流。该电流于光电倍增关的暗电流相比要大一些，其值超过暗电流部分由放置于光电倍增管附近的闪耀体受宇宙射线而激发并以脉冲形式存在的电流。光电倍增管在阳极上产生的电流与其阴极上所受光照的通量由一定的关系，要使这一关系在较大的区间范围内呈线性关系就要选择性能优良的光电倍增管，光通量超过一定值该关系就转变成非线性。

光敏电阻一般不用于定量检测的场合，这是由于任何种类光敏电阻的光照特性曲线均为非线性，这一特性使得光敏电阻的应用范围较小，也是其通常应用于控制系统启停场合的重要原因。对于光敏电阻的两端的电压、电流、光照强度，电阻两端电压或光照强度一定时，其他两个量呈同一趋势增加或减少的特性为其伏安特性。除此之外，光敏电阻的稳定性较强，在正确使用及密封性较佳的条件下，其使用时间甚至可以达到无限长，这一特性较好地保证了传感器的使用寿命，在一定程度上提高了其在生产中的效率。光敏电阻有一特殊属性，在受脉冲形式的光照条件下，光电流的稳定值在较长时间后才能达到，光敏电阻的电流在其突然离开关照后也不会马上降为零。其次，该特性还受到光敏电阻材料种类的影响，频率特性受其电阻延时特性的影响而有所区别。正是光明电阻的这一特性使得其在对光电元器件相应速度有所要求的场合无法进行应用。

光电池在受光条件下其无需外加电源即可产生电动势并同时输出电流，即为光生伏特效应。光波长的差异对同一光电池的影响不同，各类光电池光谱特性中对应的最高相对灵敏度的光波长有较大差异。除此之外，部分类型的光电池能应用于较大的波长范围。对于不同的频率，光电池对于其反应程度存在差异，硅光电池对频率的响应程度较为突出。光电池在开路以及短路的条件下其电流会受到周围温度的影响，其周围的温度甚至会对测量的精确度产生较大的影响，因此温度特性在光电池的特殊性中占有极为重要的地位。开路时光电池的电压随温度的变化呈反向趋势变化，而光电池短路时的电流与温度变化呈同一趋势变化。对于光电池在这一特性的研究对合理应用光电池有着较大的作用。

光敏二极管常以反向的形式进行工作，未受光条件下暗电流极小，这是由其极大的反向电阻所导致的，该电阻对电流起到了很强的阻断作用。在光敏晶体管集电结的反向偏压是由于在其集电极上施加较于发射极为正的电压而导致的，在集电结受光条件下的光电流由集电极周围的电子-空穴对产生。光敏二极管及晶体管的光谱特性与光电池的特性较为相似，其性能可与由暗电流值的大小这方面来进行判断。普通二极管能产生的光电流较小，而光敏晶体管的电流以百倍大于同类二极管。温度变化通常会对光敏晶体管的电流产生一定影响，但对于光电流和暗电流的影响程度不同，两者相比之下，温度对光敏电阻暗电流的影响极大，为减小输出误差应对其进行一定程度的温度补偿。

3 结束语

通过对光电式传感器的原理及其特性的分析，可得这种传感器具有许多其它同类传感器不具备的特点，如结构简单、使用方便、稳定性好等。[2]对于不同的检测情形，应考虑其光电元件的特性。

参考文献：

[1]王涛.光电传感器的原理及应用探讨[J].计算机产品与流通，2018（07）：64+122.

[2]丁喜波，张忠典，陆凤霞，等.光电式传感器原理及其应用[J].传感器技术，1996（05）：49-51.

[3]張静.浅谈光电式传感器[J].电子技术与软件工程，2014（03）：263.