【導讀】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、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動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)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)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型的光電效應。根據(jù)波粒二象性，光是由光速運動的光子所組成， 當物體受到光線照射時，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)也會發(fā)生改變，這樣的現(xiàn)象稱為光電效應。
根據(jù)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
在光線作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應?；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(nèi)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)生光生電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。內(nèi)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
在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應?；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，單個光子把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，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，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。 只有當入射光的頻率高于極限頻率時，才會產(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。若此時增加光照強度，更多的光子將會照射到陰極材料，從而產(chǎn)生更多光電子，光電流也會相應增加。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(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，通過測量電路讀取電流數(shù)，即可算出光照強度。
內(nèi)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)生電動勢的光電器件稱內(nèi)光電效應器件，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上。能帶分為價帶、禁帶和導帶。電子可以在導帶中流動，不可以在價帶中流動，在外界影響下，電子可由價帶越過帶隙進入到導帶，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，導致電子很難從價帶躍遷至導帶，所以其電阻很大；金屬導體沒有帶隙，其價帶和導帶相連，因此導電性能好。
電子吸收光子能量后，由價帶躍遷至導帶從而改變導體電阻的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。利用該效應可以制作光敏電阻，通過觀察電阻的變化來確定被測光量。
光生伏特效應器件
光生伏特效應簡稱光伏效應，指的是物體在受到光照之后產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。光電池是一種自發(fā)電式的光電元件，它受到光照時自身能產(chǎn)生一定方向的電動勢，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型硅片上用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成的一個大面積PN結(jié)，P區(qū)有大量的空穴，N區(qū)有大量的電子。當光照射P區(qū)表面時，若光子能量大于硅的禁帶寬度，則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子—空穴對，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，它使擴散到PN結(jié)附近的電子—空穴對分離，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)帶負電，P區(qū)帶正電，形成光生電動勢。若用導線連接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、對射型：
根據(jù)相應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
把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(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。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)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(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)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，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。
⑶反光板型光電開關(guān)
把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(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，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。
⑷擴散反射型光電開關(guān)
它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，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(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、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、脈沖響應特性曲線等。
光電傳感器的特點
在工業(yè)生產(chǎn)應用中有下列特點：
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(xiàn)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(gòu)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(shè)計技術(shù)使投光光束集中在小光點，或通過構(gòu)成特殊的受光光學系統(tǒng)，來實現(xiàn)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(xiàn)非接觸的檢測
可以無須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)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(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)，可對檢測物體的顏色進行檢測。
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，便于對檢測物體的位置進行調(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（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、導線引出型（默認導線長度1.2m）
2、 接插件型（配接插線需要確認直線性或L字型，導線長度）
其他功能
延時功能（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時代步伐而更新，改善光電傳感器性能必須朝著高靈敏度？高精確度？響應速度快？互換性好的方向發(fā)展？
本文來源于傳感器技術(shù)。
推薦閱讀：
