光電傳感器基礎知識解析
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特效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
51, 51, 51; text-indent: 2em;">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特效應如光電池等
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
原理
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
光敏二極管是最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
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最小檢測物體的標準檢測物體不能小于最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 [3]
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最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）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
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
能通過高級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 [2]
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最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完全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
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0.1 Hz到1 MHz特殊的可設計到200 MHz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 1000 kg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
