光電傳感器工作原理、分類及特性詳解（收藏） - 全文

光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，各種光電檢測系統(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。

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(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)。

光電效應(yīng)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)和光生伏特效應(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）光生伏特效應(yīng)

在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池和光敏二極管、三極管等

光電元件工作原理

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光量。

光生伏特效應(yīng)器件

光生伏特效應(yīng)簡稱光伏效應(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，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。若用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就有光電流流過。

光電傳感器的分類

光電傳感器按檢測方式分為漫反射型、反射板型、對(duì)射型：

根據(jù)相應(yīng)的檢測方式有下列這些不同結(jié)構(gòu)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(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開關(guān)的檢測距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。

⑵對(duì)射型光電傳感器

若把發(fā)光器和收光器分離開，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關(guān)就稱為對(duì)射分離式光電開關(guān)，簡稱對(duì)射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達(dá)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路徑的兩側(cè)，檢測物通過時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。

⑶反光板型光電開關(guān)

把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，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(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)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(shí)，光電開關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。

⑷擴(kuò)散反射型光電開關(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(dāng)檢測物通過時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)。

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、輸出電流與發(fā)射器輸入電流之間的關(guān)系曲線、輸出電流隨溫度變化的關(guān)系曲線、脈沖響應(yīng)特性曲線等。

光電傳感器的特點(diǎn)

在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中有下列特點(diǎn)：

1、檢測距離長

如果在對(duì)射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實(shí)現(xiàn)其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法遠(yuǎn)距離檢測。

2、對(duì)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(duì)玻璃。塑料。木材。液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測。

3、響應(yīng)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(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間非常短。

4、分辨率高

能通過高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)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(xiàn)非接觸的檢測

可以無須機(jī)械性地接觸檢測物體實(shí)現(xiàn)檢測，因此不會(huì)對(duì)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(shí)現(xiàn)顏色判別

通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)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(zhì)，可對(duì)檢測物體的顏色進(jìn)行檢測。

7、便于調(diào)整

在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對(duì)檢測物體的位置進(jìn)行調(diào)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(duì)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(qiáng)弱）

3、擴(kuò)散反射型（物體被測面尺寸，被測物體顏色）

檢測方式

1、對(duì)射型（投光器+受光器），

2、回歸反射型（反射板+投受光器），

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

輸出形態(tài)

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

檢測距離

1、對(duì)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(kuò)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(dǎo)線引出型（默認(rèn)導(dǎo)線長度1.2m）

2、 接插件型（配接插線需要確認(rèn)直線性或L字型，導(dǎo)線長度）

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）

隨著自動(dòng)化生產(chǎn)程度的不斷提高，對(duì)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時(shí)代步伐而更新，改善光電傳感器性能必須朝著高靈敏度？高精確度？響應(yīng)速度快？互換性好的方向發(fā)展？