基恩士光電傳感器詳解!快收藏備用
基恩士光電傳感器是一種小型電子設(shè)備,各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件。它主要是利用光的各種性質(zhì),檢測(cè)物體的有無和表面狀態(tài)的變化等的傳感器。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn),因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。
基恩士光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。 把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
基恩士光電傳感器光電元件是光電傳感器中最重要的組成部分,它的核心工作原理是不同類型的光電效應(yīng)。根據(jù)波粒二象性,光是由光速運(yùn)動(dòng)的光子所組成, 當(dāng)物體受到光線照射時(shí),其內(nèi)部的電子吸收了光子的能量后改變狀態(tài),自身的電性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變,這樣的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。
根據(jù)電屬性狀態(tài)的不同變化,將光電效應(yīng)分為以下三種:
1)外光電效應(yīng)
在光線作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?;谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管,光電倍增管等
2)光電導(dǎo)效應(yīng)
半導(dǎo)體內(nèi)的電子吸收光子后不能躍出半導(dǎo)體,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏應(yīng)。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻,光敏晶體管等
3)光生伏應(yīng)
在光線作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生應(yīng)。基于光生伏應(yīng)的光電元件有光電池和光敏二極管、三極管等
基恩士光電傳感器基于不同的光電效應(yīng),我們來看一下他們分別是如何工作的:
外光電效應(yīng)器件
利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件,一般都是真空的或充氣的光電器件,如光電管和光電倍增管。
以光電管為例,當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí),單個(gè)光子把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子,從而使自由電子的能量增加。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時(shí),它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發(fā)射,這種電子稱為光電子。 只有當(dāng)入射光的頻率高于極限頻率時(shí),才會(huì)產(chǎn)生光電子。
光電子產(chǎn)生之后,被真空管中的陽極所吸收,從而產(chǎn)生電流。若此時(shí)增加光照強(qiáng)度,更多的光子將會(huì)照射到陰極材料,從而產(chǎn)生更多光電子,光電流也會(huì)相應(yīng)增加。在電阻R值確定的情況下,回路中的光電流與入射光的光照強(qiáng)度成函數(shù)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化,通過測(cè)量電路讀取電流數(shù),即可算出光照強(qiáng)度。
內(nèi)光電效應(yīng)器件
利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件,常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。
根據(jù)能帶理論,自由原子中電子具有的能量狀態(tài)不是任意的,電子只能存在在一定的能級(jí)上。能帶分為價(jià)帶、禁帶和導(dǎo)帶。電子可以在導(dǎo)帶中流動(dòng),不可以在價(jià)帶中流動(dòng),在外界影響下,電子可由價(jià)帶越過帶隙進(jìn)入到導(dǎo)帶,從而改變導(dǎo)體的電阻。
不同導(dǎo)體的帶隙厚度不一樣,如下圖所示,絕緣體的帶隙較寬,導(dǎo)致電子很難從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶,所以其電阻很大;金屬導(dǎo)體沒有帶隙,其價(jià)帶和導(dǎo)帶相連,因此導(dǎo)電性能好。
電子吸收光子能量后,由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶從而改變導(dǎo)體電阻的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。利用該效應(yīng)可以制作光敏電阻,通過觀察電阻的變化來確定被測(cè)光量。
基恩士光電傳感器應(yīng)簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng),指的是物體在受到光照之后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電池是一種自發(fā)電式的光電元件,它受到光照時(shí)自身能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì),在不加電源的情況下,只要接通外電路,便有電流通過。具體的工作原理如下:
光伏電池在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積PN結(jié),P區(qū)有大量的空穴,N區(qū)有大量的電子。當(dāng)光照射P區(qū)表面時(shí),若光子能量大于硅的禁帶寬度,則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對(duì),P區(qū)表面吸收的光子越多,激發(fā)的電子空穴越多,越向PN結(jié)區(qū)越少。由于PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的,它使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子—空穴對(duì)分離,光生電子被推向N區(qū),光生空穴被留在P區(qū)。從而使N區(qū)帶負(fù)電,P區(qū)帶正電,形成光生電動(dòng)勢(shì)。若用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū),電路中就有光電流流過。