光電傳感器工作原理、分類(lèi)及特性詳解（收藏）

光電傳感器是一種小型電子設備，各種光電檢測系統中實(shí)現光電轉換的關(guān)鍵元件。它主要是利用光的各種性質(zhì)，檢測物體的有無(wú)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、響應快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機器人中獲得廣泛應用。

光電傳感器

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。 把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉換成電信號。

光電效應原理

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(lèi)型的光電效應。根據波粒二象性，光是由光速運動(dòng)的光子所組成， 當物體受到光線(xiàn)照射時(shí)，其內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，這樣的現象稱(chēng)為光電效應。

根據電屬性狀態(tài)的不同變化，將光電效應分為以下三種：

1）外光電效應

在光線(xiàn)作用下使電子逸出物體表面的現象稱(chēng)為外光電效應?；谕夤怆娦墓怆娫泄怆姽?，光電倍增管等

2）光電導效應

半導體內的電子吸收光子后不能躍出半導體，使物體的電導率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現象稱(chēng)為內光電效應。內光電效應按其工作原理可分為光電導效應和光生伏特效應?；诠怆妼墓怆娫泄饷綦娮?，光敏晶體管等

3）光生伏特效應

在光線(xiàn)作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現象稱(chēng)為光生伏特效應?；诠馍匦墓怆娫泄怆姵睾凸饷舳O管、三極管等

光電元件工作原理

基于不同的光電效應，我們來(lái)看一下他們分別是如何工作的：

外光電效應器件

利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應而制成的光電器件，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(chēng)為光電子。 只有當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(yáng)極所吸收，從而產(chǎn)生電流。若此時(shí)增加光照強度，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度成函數關(guān)系，從而實(shí)現光電轉化，通過(guò)測量電路讀取電流數，即可算出光照強度。

內光電效應器件

利用物質(zhì)在光的照射下電導性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢的光電器件稱(chēng)內光電效應器件，常見(jiàn)的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。

根據能帶理論，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上。能帶分為價(jià)帶、禁帶和導帶。電子可以在導帶中流動(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(guò)帶隙進(jìn)入到導帶，從而改變導體的電阻。

不同導體的帶隙厚度不一樣，如下圖所示，絕緣體的帶隙較寬，導致電子很難從價(jià)帶躍遷至導帶，所以其電阻很大；金屬導體沒(méi)有帶隙，其價(jià)帶和導帶相連，因此導電性能好。

電子吸收光子能量后，由價(jià)帶躍遷至導帶從而改變導體電阻的現象稱(chēng)為內光電效應。利用該效應可以制作光敏電阻，通過(guò)觀(guān)察電阻的變化來(lái)確定被測光量。

光生伏特效應器件

光生伏特效應簡(jiǎn)稱(chēng)光伏效應，指的是物體在受到光照之后產(chǎn)生電動(dòng)勢的現象。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，在不加電源的情況下，只要接通外電路，便有電流通過(guò)。具體的工作原理如下：

光伏電池在一塊N型硅片上用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積PN結，P區有大量的空穴，N區有大量的電子。當光照射P區表面時(shí)，若光子能量大于硅的禁帶寬度，則在P型區內每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對，P區表面吸收的光子越多，激發(fā)的電子空穴越多，越向PN結區越少。由于PN結內電場(chǎng)的方向是由N區指向P區的，它使擴散到PN結附近的電子—空穴對分離，光生電子被推向N區，光生空穴被留在P區。從而使N區帶負電，P區帶正電，形成光生電動(dòng)勢。若用導線(xiàn)連接P區和N區，電路中就有光電流流過(guò)。

光電傳感器的分類(lèi)

光電傳感器按檢測方式分為漫反射型、反射板型、對射型：

根據相應的檢測方式有下列這些不同結構的光電傳感器：

⑴槽型光電傳感器

把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對面地裝在一個(gè)槽的兩側的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見(jiàn)光，在無(wú)阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過(guò)時(shí)，光被遮擋，光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開(kāi)關(guān)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(fā)光器和收光器分離開(kāi)，就可使檢測距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開(kāi)關(guān)就稱(chēng)為對射分離式光電開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)稱(chēng)對射式光電開(kāi)關(guān)。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過(guò)路徑的兩側，檢測物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號。

⑶反光板型光電開(kāi)關(guān)

把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)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(chēng)為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開(kāi)關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到;一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號。

⑷擴散反射型光電開(kāi)關(guān)

它的檢測頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當檢測物通過(guò)時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來(lái)，收光器就收到光信號，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號。

光電傳感器的基本特性包括輸出電流與接收器兩端電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)、輸出電流與發(fā)射器輸入電流之間的關(guān)系曲線(xiàn)、輸出電流隨溫度變化的關(guān)系曲線(xiàn)、脈沖響應特性曲線(xiàn)等。

光電傳感器的特點(diǎn)

在工業(yè)生產(chǎn)應用中有下列特點(diǎn)：

1、檢測距離長(cháng)

如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實(shí)現其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無(wú)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(jìn)行檢測。

3、響應時(shí)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(shí)間，響應時(shí)間非常短。

4、分辨率高

能通過(guò)高級設計技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過(guò)構成特殊的受光光學(xué)系統，來(lái)實(shí)現高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。

5、可實(shí)現非接觸的檢測

可以無(wú)須機械性地接觸檢測物體實(shí)現檢測，因此不會(huì )對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長(cháng)期使用。

6、可實(shí)現顏色判別

通過(guò)檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據被投光的光線(xiàn)波長(cháng)和檢測物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對檢測物體的顏色進(jìn)行檢測。

7、便于調整

在投射可視光的類(lèi)型中，投光光束是眼睛可見(jiàn)的，便于對檢測物體的位置進(jìn)行調整。

光電傳感器的選型

光電傳感器使用前的選型需考慮下列因素：

檢測物體

1、對射型（物體被測面尺寸）

2、回歸反射型（物體被測面尺寸，光澤反射能力強弱）

3、擴散反射型（物體被測面尺寸，被測物體顏色）

檢測方式

1、對射型（投光器+受光器），

2、回歸反射型（反射板+投受光器），

3、擴散反射型（靠物體將投出的光線(xiàn)反射回受光器，固需要確認是否有背景物體）

輸出形態(tài)

1、常開(kāi)（NO）2、常閉（NC）3、常開(kāi)（NO）+常閉（NC）4、常開(kāi)（NO）或常閉（NC）

檢測距離

1、對射型（投光器到受光器的距離），

2、回歸反射型（反射板到投受光器的距離），

3、擴散反射型（被測物體到投受光器的距離）

控制輸出

1、晶體管輸出（NPN低電平輸出，PNP高電平輸出）

2、繼電器接點(diǎn)輸出

工作電源

1、直流

2、交流

3、交直流通用

安裝連接方式

1、導線(xiàn)引出型（默認導線(xiàn)長(cháng)度1.2m）

2、 接插件型（配接插線(xiàn)需要確認直線(xiàn)性或L字型，導線(xiàn)長(cháng)度）

其他功能

延時(shí)功能（E3JM）

附 件

反射板，安裝配件（固定安裝傳感器使用）

隨著(zhù)自動(dòng)化生產(chǎn)程度的不斷提高，對傳感器的要求也在不斷提高，這就促使光電傳感器不得不隨著(zhù)時(shí)代步伐而更新，改善光電傳感器性能必須朝著(zhù)高靈敏度？高精確度？響應速度快？互換性好的方向發(fā)展？