光电传感器工作原理

光电传感器工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

工作原理

摘要：

光电传感器是利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号从而检测被测目标的一种装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温和气体成分等；也可用来检测能转换成光量的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度和加速度，以及物体形状、工作状态等。光电式传感器具有非接触，响应快，性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

关键字：光电元件、检测技术、传感器、应用

一、光电传感器工作原理

光电式传感器的物理基础是光电效应,即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类,即外光电效应和内光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值 (相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。由E =hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样, 所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功W是使电子脱离金属所要做功的最小值,所以如果用E 表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式E =hn-W (其中,h表示普兰克常量,n表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。

如图1所示,当光照射到距表面很近PN结上时,如果光能足够大,光子能量大于半导体材料的禁带宽度,电子就能够从价带跃迁到导带,成为自由电子,而价带则相应成为自由空穴。这些电子-空穴对在PN结的内部电场作用下,电子被推向N区外侧, 使N区带上负电,P区带上正电。这样,N区和P区之间就出现了电位差,于是PN结两侧边产生了光生电动势。光敏电阻光敏电阻的原理是基于光电导效应:在无光照时, 光敏电阻具有很高的阻值,在有光照时,当光子的能量大于材料禁带宽度,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,激发出可以导电的电子-空穴对,使电阻值降低; 光照停止后, 自由电子与空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。

光敏电阻的结构如图2所示。由于光电效应只限于光照表面的薄层,一般都把半导体材料制成薄膜,并赋予适当的阻值,电级构造成梳型,这样光敏电阻电极的距离短,载流子通过电极的时间少,而材料的载流子寿命有比较长,于是就有很高的内部增益,从而获得很高的灵敏度,光电传感器是将非电信号转换为电信号来测量。在一般情况下,有三部分构成。

它们分为 :发送器、接收器和检测电路。发送器是提供光源的,光源一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。接收器由三部分组成;光电二极管、光电三极管、光电池。检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。

工作方式:反射板反射式光电开关:在一个装置里装入发光器和收光器,前方装一反光板,利用反射原理的开关。一般看来 ;发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到,要是被物体挡住了,收光器接收不到光时,光电开关就会做出相应的反应。输出一个开关控制信号它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器,只是没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。要是检测物体背光挡住了,只有部分光反射回,收光器就会收到信号,作出相应的反应。二、光电式传感器测量的具体过程

光控电子开关,它的“开”和“关”是靠可控硅的导通和阻断来实现的,而可控硅的导通和阻断又是受光的亮度的大小所控制的。该装置适合作为街道、宿舍走廊或其它公共场所照明灯,起到日熄夜亮的控制作用,以节约用电。工作原理电路如图3所示。当在灯泡H上加载220V交流,经全桥后变成直流脉动电压作为正

向偏压,从而得知此电压在可控硅半导体VS及R支路上。在光亮强度大于一定程度的白天,其中的光敏二级管电阻≤1kΩ,使三极管反相偏置而终止,发射极无电流输出,单向可控硅VS因无触发电流而阻断。这时候灯泡H 由于电流过小而不能发光。当夜晚来临时而使亮度小于一定程度时,光敏二极管D呈现高阻状态≥100kΩ,三极管导通使可控硅半导体VS触发导通,灯泡H发光。

三、光电传感器的特点

1、光电传感器的元件应用特点

1)光敏电阻。特点是价格低廉，输出电流大、受温度的影响小，抗干扰能力强，可靠性高。它的缺点是响应速度慢。

2)光敏二极管和光敏晶体管。特点是灵敏度高，响应时间快，但它受温度影响比较大，受光面小，而且有非常强的方向性，抗干扰能力弱。它的另一个特点是不同型号的管子对光谱响应有很大不同。

3)光电池。特点是受光面积大，输出电流小，灵敏度高，响应速度快，光谱比较宽，受温度影响小，抗干扰能力强。

2、光电传感器的应用特点

①检测距离长。②对检测物体的限制少。③响应时间短。④分辨率高。能通过高级设计使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。⑤可实现非接触的检测。可无机械接触地检测物体，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。⑥可实现颜色判别。通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。⑦便于调整。在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。

总结：

光电传感器主要作为一种检测装置，目前常用的光传感器类型主要有光电管、光电倍增管和半导体光敏元件。由于它具有精度高，反应快，非接触等优