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光電傳感器

光電傳感器是將光信號轉換為電信號的一種器件。其工作原理基于光電效應。光電效應是指光照射在某些物質上時，物質的電子吸收光子的能量而發生了相應的電效應現象。根據光電效應現象的不同將光電效應分為三類：外光電效應、內光電效應及光生伏應。光電器件有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等。分析了光電器件的性能、特性曲線。中文名光電傳感器外文名photoelectricsensor/microsensor學科物理組成光源、光學通路和光電元件目的被測量的變化轉換成光信號的變化原理光電效應

傳感器概述

光電傳感器一般由處理通路和處理元件2部分組成。其基本原理是以光電效應為基礎，把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將非電信號轉換成電信號。光電效應是指用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態就會發生變化，從而使受光照射的物體產生相應的電效應。通常把光電效應分為3類：（1）在光線作用下能使電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應，如光電管、光電倍增管等；（2）在光線作用下能使物體的電阻率改變的現象稱為內光電效應，如光敏電阻、光敏晶體管等；（3）在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏應，如光電池等。

光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。

光電傳感器是各種光電檢測系統中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（可見及紫外鐳射光）轉變成為電信號的器件。

光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電物理量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。新的光電器件不斷涌現，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應用開創了新的一頁。

由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統)輸出量性質可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉換

光電傳感器

成連續變化的光電流，它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式，漫反射式，遮光式(光束阻檔)三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恒光源發出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當光源發出的光通量經被測物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關。

光敏二極管是常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發，產生電子-空穴，稱為光電

載流子。在外電場的作用下，光電載流子參與導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。

光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極——發射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區面積做得很大，發射區較小，入射光主要被基區吸收。工作時集電結反偏，發射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三極管的穿透電流還小；當有光照時，激發大量的電子-空穴對，使得基極產生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，發射極電流Ie=（1+β）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。

工作原理

光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。

光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路。

發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管(LED)、激光二極管及紅外發射二極管。光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。

此外，光電開關的結構元件中還有發射板和光導纖維。[3]

分類和工作方式

⑴槽型光電傳感器

把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側組成槽形光電。發光器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作，輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。

⑵對射型光電傳感器，若把發光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大，一個發光器和一個收光器組成對射分離式光電開關，簡稱對射式光電開關。對射式光電開關的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用對射式光電開關時把發光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。

⑶反光板型光電開關

把發光器和收光器裝入同一個裝置內，在前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用，稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關。正常情況下，發光器發出的光源被反光板反射回來再被收光器收到;一旦被檢測物擋住光路，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。

⑷擴散反射型光電開關

擴散反射型光電開關的檢測頭里也裝有一個發光器和一個收光器，但擴散反射型光電開關前方沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是找不到的。在檢測時，當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關信號。

沒有信號輸出的原因

首先要考慮的是接線或配置的問題。對于對射型光電傳感器必須由投光部和受光部組合使用，兩端都需要供電；而回歸反射型必須由傳感器探頭和回歸反射板組合使用；同時，用戶必須給傳感器提供穩定電源，如果是直流供電，必須確認正負極，如若正負極連接錯誤則會導致輸出信號沒有。

上述的原因分析是對光電傳感器本身的考慮，我們還需要考慮的是檢測物體的位置問題，如果檢測物體不在檢測區域，這樣的檢測是徒勞的。檢測物體必須在傳感器可以檢測的區域內，也就是光電可以感知的范圍內。其次，要考慮傳感器光軸有沒有對準問題，對射型的投光部和受光部光軸必須對準，對應的回歸反射型的探頭部分和反光板光軸必須對準。同樣還要考慮的是檢測物體是否符合標準檢測物體或者小檢測物體的標準，檢測物體不能小于小檢測物體的標準，從而避免導致對射型、反射型不能很好檢測透明物體，像反射型對檢測物體的顏色有要求，顏色越深，檢測距離就越近。

如果以上情況都可以很明確地做出排除后，我們需要做的事就是檢測環境的干擾因素。如光照強度不能超出額定范圍；如果現場環境有粉塵，就需要我們定期清理光電傳感器探頭表面；或者是多個傳感器緊密安裝，互相產生干擾；還有一種影響比較大的是電氣干擾，如果周圍有大功率設備，產生干擾時必須要有相應的抗干擾措施。如果做過上述的逐一排查，這些因素都可以明確地排除還是沒有信號輸出的話，建議退回廠家檢測判斷。

結構分析

光電傳感器通常由三部分構成，它們分別為：發送器、接收器和檢測電路。

發射器帶一個校準鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內有一個小的白熾燈做為光源，這些小而堅固的白熾燈傳感器就是如今光電傳感器的雛形。

接收器有光電二極管、光電三極管及光電池組成。光敏二極管是現在常見的傳感器。光電傳感器光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態下，并與負載電阻相串聯，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小稱為光敏二極管的暗電流;當有光照時，載流子被激發，產生電子-空穴，稱為光電載流子。

此外，光電傳感器的結構元件中還有發射板和光導纖維。角反射板是結構牢固的發射裝置，它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回。它可以在與光軸0到25的范圍改變發射角，使光束幾乎是從一根發射線，經過反射后，仍從這根反射線返回。

類型

⑴槽型光電傳感器

把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發光器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。

⑵對射型光電傳感器

若把發光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發光器和一個收光器組成的光電開關就稱為對射分離式光電開關，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。

⑶反光板型光電開關

把發光器和收光器裝入同一個裝置內，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關。正常情況下，發光器發出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。

⑷擴散反射型光電開關

它的檢測頭里也裝有一個發光器和一個收光器，但前方沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到信號，輸出一個開關信號。

分類

標準類型

1）漫反射型：一般型或能量型(-8)，聚焦式(-8-H)，帶背景抑制功能型(-8-H)

光電傳感器

光電傳感器，帶背景分析功能型(-8-HW)

2）反射板型：一般型(-6)，帶偏振濾波功能型(-54,-55)，帶透明體檢測功能型(-54-G)，帶前景抑制功能型(-54-V)

3）對射型

4）槽型

5）光纖傳感器：塑料光纖型，玻璃光纖型

6）色標傳感器，顏色傳感器，熒光傳感器

7）光通訊

8）激光測距：三角反射原理型，相位差原理型，時間差原理型

9）光柵

10）防爆/隔爆型

安全類型

1）安全對射光電

2）安全光柵

3）安全光幕

4）安全控制器

門控類型

1）雷達傳感器：區域檢測型

雷達傳感器

雷達傳感器

2）主動式傳感器：單光束型，多光束型，區域檢測型

3）被動式傳感器：區域檢測型

4）電梯光幕

5）通用光電：槽形，對射型等

特長

①檢測距離長

如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實現其他檢測手段（磁性、超聲波等）無法遠距離檢測。

②對檢測物體的限制少

由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近傳感器等將檢測物體限定在金屬，它可對玻璃、塑料、木材、液體等幾乎所有物體進行檢測

③響應時間短

光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構成，所以不包含機械性工作時間，響應時間非常短。

④分辨率高

能通過設計技術使投光光束集中在小光點，或通過構成特殊的受光光學系統，來實現高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。

⑤可實現非接觸的檢測

可以無須機械性地接觸檢測物體實現檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。

⑥可實現顏色判別

通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質，可對檢測物體的顏色進行檢測。

⑦便于調整

在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調整。

應用

用光電元件作敏感元件的光電傳感器，其種類繁多，用途廣泛。按光電傳感器的輸出量性質可分為兩類：（1）把被測量轉換成連續變化的光電流而制成的光電測量儀器，可用來測量光的強度以及物體的溫度、透光能力、位移及表面狀態等物理量。例如：測量光強的照度計，光電高溫計，光電比色計和濁度計，預防火災的光電報警器，構成檢查被加工零件的直徑、長度、橢圓度及表面粗糙度等自動檢測裝置和儀器，其敏感元件均用光電元件。半導體光電元件不僅在民用工業領域中得到廣泛的應用，在軍事上更有它重要的地位。例如用硫化鉛光敏電阻可做成紅外夜視儀、紅外線照相儀及紅外線導航系統等；（2）把被測量轉換成繼續變化的光電流。利用光電元件在受光照或無光照射時"有"或"無"電信號輸出的特性制成的各種光電自動裝置。光電元件用作開關式光電轉換元件。例如電子計算機的光電輸入器，開關式溫度調節裝置及轉速測量數字式光電測速儀等。

一、煙塵濁度監測儀

防止工業煙塵污染是環保的重要任務之一。為了消除工業煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。

二、條形碼掃描筆

當掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗，處于截止狀態。當遇到白色間隔時，發光二極管所發出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產生光電流而導通。整個條形碼被掃描過之后，光敏三極管將條形碼變形一個個電脈沖信號，該信號經放大、整形后便形成脈沖列，再經計算機處理，完成對條形碼信息的識別。

三、產品計數器

產品在傳送帶上運行時，不斷地遮擋光源到光電傳感器的光路，使光電脈沖電路產生一個個電脈沖信號。產品每遮光一次，光電傳感器電路便產生一個脈沖信號，因此，輸出的脈沖數即代表產品的數目，該脈沖經計數電路計數并由顯示電路顯示出來。

四、光電式煙霧報警器

沒有煙霧時，發光二極管發出的光線直線傳播，光電三極管沒有接收信號。沒有輸出，有煙霧時，發光二極管發出的光線被煙霧顆粒折射，使三極管接受到光線，有信號輸出，發出報警。

五、測量轉速

在電動機的旋轉軸上涂上黑白兩種顏色，轉動時，反射光與不反射光交替出現，光電傳感器相應地間斷接收光的反射信號，并輸出間斷的電信號，再經放大器及整形電路放大整形輸出方波信號，后由電子數字顯示器輸出電機的轉速。

六、光電池在光電檢測和自動控制方面的應用

光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結構和制造工藝不*相同。由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。

應用案例

光電傳感器應用于激光武器

由于光電傳感器對紅外輻射，或可見光，或對二者都特別靈敏，因而就更加容易成為激光攻擊的目標。此外，電子系統及傳感器本身還極易受到激光產生的熱噪聲和電磁噪聲的干擾而無法正常工作。戰場上的激光武器攻擊光電傳感器的方式主要有以下幾種：用適當能量的激光束將傳感器“致盲”，使其無法探測或繼續跟蹤已經探測到的目標。或者，如果傳感器正在導引武器飛向目標，則致盲將使其失去目標。綜上所述，由于傳感器在戰場上發揮的作用越來越重要，同時又很容易遭受激光攻擊，它們已成為低能激光武器的目標。

光電傳感器應用于自動抄表系統

隨著微電子技術、傳感器技術、計算機技術及現代通訊技術的發展，可以利用光電傳感器來研制自動抄表系統。電能表的鋁盤受電渦流和磁場的作用下產生的轉矩驅動而旋轉。采用光電傳感器則可將鋁盤的轉數轉換成脈沖數。如：在旋轉的光亮的鋁盤上局部涂黑，再配以反射式光電發射接收對管，則當鋁盤旋轉時，在局部涂黑處便產生脈沖，并可將鋁盤的轉數采樣轉換為相應的脈沖數，并經光電耦合隔離電路，送至CPU的T0端口進行計數處理。采用光電耦合隔離器可有效地防止干擾信號進入微機。再結合其它傳輸方式便可以形成自動抄表系統。

光電傳感器應用于監控煙塵污染

光電傳感器是一種小型電子設備，它可以檢測出其接收到的光強的變化，通過把光強度的變化轉換成電信號的變化實現控制功能。由于光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用，而我們可以利用光電傳感器的特性來檢測煙塵的情況，因而光電傳感器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。

衛生級防沖洗型光電傳感器

防沖洗型傳感器，能夠提供*的可靠性和舒適性，并將運行成本降至低。配合IO-Link接口以及能夠大幅延長使用壽命的proTect+密封理念，這兩款新型傳感器適用于苛刻的應用環境，堪稱食品和飲料行業的理想解決方案。

特性

1）暫態響應范圍寬，諧波測量能力強

暫態特性的優劣是判斷一種互感器能否在電力系統中獲得應用的一個重要參數，特別是與繼電保護動作時間的配合。傳統電磁式互感器由于存在鐵芯，對高頻信號的響應特性較差，不能正確反映一次側的暫態過程。而光電互感器傳測量的頻率范圍主要由電子線路部分決定，沒有鐵芯飽和的問題，因此能夠準確反映一次側的暫態過程。一般可設計到0.1Hz到1MHz，特殊的可設計到200MHz的帶通。光電傳感器的結構可以測量高壓電力線路上的諧波。而電磁感應互感器是難以達到的。

2）數字接口，通信能力強

由于光電傳感器下傳的就是光數字信號，與通信網絡容易接口，且傳輸過程中沒有測量誤差。同時隨著微機化的保護控制設備的廣泛采用，光電互感器可以直接向二次設備提供數字量，這樣就能省去原來保護裝置中的變換器和A/D采樣部分，使二次設備得到大大的簡化，推動保護新原理的研究。

3）體積小，重量輕、易升級，滿足變電站小型化與緊湊型的要求，由于光電傳感器是靠傳感頭和電子線路進行信號的獲取和處理，體積小，重量一般在1000kg以下，便于集成在AIS或GIS中，這樣將大大減少變電站的占地面積，滿足變電站小型化和緊湊化的要求。同時光電互感器通過少量光纜與二次設備連接，可使電纜溝和電纜大為減。

市場領域

光電傳感器的主要應用領域：車載娛樂/導航/DVD系統背光控制，以便在所有的環境光條件下都可以顯示出理想的背光亮度；后座娛樂用顯示器背光控制；儀表組背光控制(速度計/轉速計)；自動后視鏡亮度控制(通常要求兩個傳感器，一個是前向的，一個是后向的)；自動前大燈和雨水感應控制(，根據需求進行變化)；后視相機控制(，根據需求進行變化)。在提供更舒適的顯示質量方面已經成為有效的解決方案之一，它具有與人眼相似的特性，這對于汽車應用而言至關重要，因為這些應用要求在所有環境光條件下都能達到*的背光效果。例如，在白天，用戶需要大的亮度來實現較好的可見度，但是這種亮度在對于夜間條件而言則是過亮的，因此帶有良好光譜響應(良好的IR衰減)的光傳感器、適當的動態范圍和整體的良好輸出信號調節可以很容易地自動完成這些應用。終端用戶可以設置幾個閾值水平(如低、中、亮光)，或能夠隨意地動態地改變傳感器的背光亮度。這也適用于汽車后視鏡亮度控制，當鏡子變暗和/或變亮時需要智能的亮度管理，可以通過環境光傳感器來完成。

對于便攜式應用，如果用戶不改變系統設置(通常是亮度控制)，那么一個顯示器總是消耗同樣多的能量。在室外等特別亮的區域，用戶傾向于提高顯示器的亮度，這就會增加系統的功耗。而當條件變化時，如進入建筑物，大多數用戶都不會去改變設置，因此系統功耗仍然保持很高。但是，通過使用一個光傳感器，系統能夠自動檢測條件變化并調節設置，以保證顯示器處于較好的亮度，進而降低總功耗。在一般的消費類應用中，這也能夠延長電池壽命。對于筆計本電腦、PAD和數碼相機，通過采用環境光傳感器反饋，可以自動進行亮度控制，從而延長了電池壽命。

并不是一個新的構想。在數十年前就已經利用光電二極管和光敏電阻來實現這一構想。所謂新構想，是指對環境光感應的同時還能消減無用的紅外線和紫外線光，而且在支持汽車規格AECQ-1000嚴格要求的同時還可以實現小封裝，尤其是能夠保證在-40度至+105度(2級)溫度范圍內的操作，以滿足其余的規格要求。如何保持工作質量標準并滿足AECQ-1000的2級工作要求，這是當今在所有光設計解決方案中所面臨的挑戰。采用一個光傳感器或LED發射器或接收器時，任何的光學解決方案都會面臨著暴露在恒定高溫下(>+85度)而出現的封裝變色問題(會變暗或變成淡黃)。同樣值得一提的是，到目前為止，所有環境光傳感器的應用都限于車艙內，在發動機艙或戶外環境中還沒有出現光傳感器應用。事實上，即使出現了這樣的應用，光封裝也不是針對這樣的苛刻條件(+125或+150度的條件)而設計，因此，在當前的光學封裝技術下，它們很可能還不能夠承受這樣的條件。

半導體相似傳感器和封裝開發的較新進展使得終端用戶在光傳感器上具有了更廣泛的選擇。小封裝、低功耗、高集成和簡單易用性是設計者更多地采用光傳感器的原因，其應用范圍涉及消費類電子、工業應用以及汽車領域。