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光电传感器的应用与发展趋势
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
一、应用背景
光电传感器设计灵活,形式多样,在越来越多的领域内得到广泛的应用。光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。此外,光电传感器的体积很小,而敏感范围很宽,加上机壳有很多样式,几乎可以到处使用。最后,随着技术的不断发展,光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争。因而光电传感器得到了广泛的应用与长足的发展。
二、光电效应
光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化,也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应(Photoelectriceffect),一般包括外光电效应、光导效应与光生伏特效应。
根据爱因斯坦的光电子效应,光子是运动着的粒子流,每种光子的能量为hvv为光波频率,h为普朗克常数,h=6631034JHZ,由此可见不同频率的光子具有不同的能量,光波频率越高,光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子,电子能量将会增加,增加的能量部分将克服正离子束缚,另一部分将转换成电子能量。根据能量守恒定律:12mvhvAm为电子质量v为电子逸出的初速度A微电子所做功,要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hA。由于不同材料具有不同的逸出功,因此对每一种阴极材料,入射光都有一个确定的频率限,当入射光的频率低于此频率限时,不论光强多大,都不会产生光电子发射。
当受到光照射时,吸收电子能量,其电阻率降低的导电现象称为光导效应。它属于内光电效应。当光照在半导体上,若电子的能量与半导体禁带的能级宽度,则使电子从价带跃迁到导带形成电子。同时,价带留下相应的空穴,导致电子空穴仍留在半导体内,并参与导电在外电场作用形成的电流。
除金属外,多数绝缘体和半导体都有光电效应,半导体尤为显著,根据光导效应制造的光电元件的固有入射光频率,当其光照在光电阻上时,导电性增强,电阻值下降。光强度愈强,其阻值愈小,若停止光照,其阻值恢复到原阻值。
半导体受光照射产生电动势的现象称为光生伏特效应,据此效应制造的光电器件有r
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