光电传感器的认识与应用

光电传感器的认识与应用
内容摘要：传感器是衡量一个国家科学技术发展的重要标志。

光电传感器作为传感器中的重要一员，广泛应用于社会生活的各个方面。

本文简单介绍了光电传感器的理论基础，以及光电传感器相较于其他传感器的特点及优点和常见的五种光电传感器，同时结合传感器的工作原理，举例说明了传感器在日常生活的常见应用。

关键词：光电传感器、光电效应、光敏材料
一、理论基础
1.光电效应
光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。

外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内光电效应类传感器。

2.工作原理
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

一般情况下，有三部分构成，分别为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束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。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

二、光电传感器的认识
1.结构分析
光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。

发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。

在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。

接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。

光敏二极管是现在最常见的传感器。

光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。

角反射板是结构牢固的发射装置，它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射
线，经过反射后，仍从这根反射线返回。

2.常见种类
（1）对射式光电传感器。

所谓的对射式传感器就是指组成传感器的发射器和接受器是分开放置的，发射器发射红外光后，会经过一定距离的传输后才能到达接受器的位置处，并且与接受器形成一个通路，当我们需要检测的物体通过对射式光电传感器时，光路就会被检测物体所阻挡，这是接受器就会及时的反应并输出一个开关控制信号，在粉尘污染比较严重的环境中或是野外的环境中都可以应用对射式光电传感器。

（2）漫反射式光电传感器。

这种传感器的检测头内部也是装有发射器和接受器的，但是并没有反光板的，一般情况下，接受器是无法接收到发射器所发出的光的，但是当需要我们检测的物体通过光电传感器时，物体会将光线反射回去，接受器接收到光信号，输出一个开关控制信号，漫反射式光电传感器大多应用在自动冲水系统中。

（3）反射式光电传感器。

在一个接头装置的内部同时装有发射器、接受器以及反光板。

发射器所发出的光电在反射原理的作用下会反射给接受器，这种光电控制的作用也就是所谓的反光板反射式的光电开关。

通常情况下，反光板会将发射器所发射的光反射回去的，接受器可以接收到，当检测的物体挡住了光路，接受器就接收不到反射光，这时开关就会产生作用，输出开关信号。

反射式光电传感器一般用于辨别不透明度的物体，并且有效的距离较大，可用于粉尘污染较为严重的环境中。

（4）槽形光电传感器。

其通常也被叫做U 型光电开关，在U 型槽的两侧分别装有发射器和接受器，并且两者形成一个统一的光轴。

当我们所检测的物体通过U 型槽时，光轴就会被隔断，这是光电开关就会产生反应，输出开关信号。

槽形光电开关的稳定性和安全性都很高，所以一般用于透明物体、半透明物体以及高速变化物体的检测工作中。

(5）光纤式光电传感器。

这种光电传感器的工作原理就是将光源处的光用光纤接到检测点的位置处，调制区内部的光会与待测的物体相互作用，从而改变光的光学性质，之后光接受器就会接收到检测点位置处的光信号，也就形成了光纤式光电开关。

3.特性及优点
特性
（1）暂态响应范围宽，谐波测量能力强
暂态特性的优劣是判断一种互感器能否在电力系统中获得应用的一个重要参数，特别是与继电保护动作时间的配合。

传统电磁式互感器由于存在铁芯，对高频信号的响应特性较差，不能正确反映一次侧的暂态过程。

而光电互感器传测量的频率范围主要由电子线路部分决定，没有铁芯饱和的问题，因此能够准确反映一次侧的暂态过程。

一般可设计到0.1 Hz到1 MHz，特殊的可设计到200 MHz 的带通。

光电传感器的结构可以测量高压电力线路上的谐波。

而电磁感应互感器是难以达到的。

（2）数字接口，通信能力强
由于光电传感器下传的就是光数字信号，与通信网络容易接口，且传输过程中没有测量误差。

同时随着微机化的保护控制设备的广泛采用，光电互感器可以直接向二次设备提供数字量，这样就能省去原来保护装置中的变换器和A/D 采样部分，使二次设备得到大大的简化，推动保护新原理的研究。

（3）体积小，重量轻、易升级，满足变电站小型化与紧凑型的要求，由于光电传感器是靠传感头和电子线路进行信号的获取和处理，体积小，重量一般在1000 kg以下，便于集成在AIS或GIS中，这样将大大减少变电站的占地面积，满足变电站小型化和紧凑化的要求。

同时光电互感器通过少量光缆与二次设备连接，可使电缆沟和电缆大为减。

优点
（1）检测距离长
如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法远距离检测。

（2）对检测物体的限制少
由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。

（3）响应时间短
光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。

（4）分辨率高
能通过高级设计技术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
可以无须机械性地接触检测物体实现检测，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。

三、光电传感器的应用
光电传感器精度高、反应快，结构简单，形式灵活多样，因此广泛应用在生活中的各个方面。

条形码扫描笔根据反射光的状态而区分条形码信息。

当扫描笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管的光线将被黑线吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗，处于截止状态。

当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管的基极，光敏三极管产生光电流而导通。

整个条形码被扫描过之后，光敏三极管将条形码变成一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成脉冲列，再经计算机处理，完成对条形码信息的识别。

光敏电阻可用于进行光的测量和光的控制，测量方面主要是用于测量光强，控制方面最常见的就是路灯控制和楼道感应灯的控制。

在电路接通的状态下，路灯会随着周围光强的变化而变化，楼道中的灯白天不亮晚上亮也利用了光敏电阻对光的感应特点。

光敏电阻还被应用于海上导航，通常海上的浮标用的就是光敏电阻作为航道灯的开关，到晚上光敏电阻阻值变小，接通控制电路，将灯打开；白天光敏电阻增大将控制电路断开，关掉电灯。

色选机是根据物料光学特性的差异，利用光电技术将颗粒物料中的异色颗粒
自动分拣出来的设备，在产品包装前先由光电检测色质，物品颜色有偏差时就有比较电压差输出，接通电磁阀，由压缩空气将差异物品吹出。

光电传感器可用于监控烟尘污染。

光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化，通过把光强度的变化转换成电信号的变化实现控制功能。

由于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，而我们可以利用光电传感器的特性来检测烟尘的情况，因而光电传感器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。

光电传感器也可应用于激光武器。

由于光电传感器对红外辐射，或可见光，或对二者都特别灵敏，因而就更加容易成为激光攻击的目标。

此外，电子系统及传感器本身还极易受到激光产生的热噪声和电磁噪声的干扰而无法正常工作。

战场上的激光武器攻击光电传感器的方式主要有以下几种：用适当能量的激光束将传感器“致盲”，使其无法探测或继续跟踪已经探测到的目标。

或者，如果传感器正在导引武器飞向目标，则致盲将使其失去目标。

综上所述，由于传感器在战场上发挥的作用越来越重要，同时又很容易遭受激光攻击，它们已成为低能激光武器的首选目标。

光电传感器涉及的领域目前已非常广泛，但任有很多其他的课题及应用等待着我们去探索。

例如使一种光电传感器同时具有多种用途，光电传感器与其它微技术结合的微光学技术的发展，光电检测传感器阵列在运动物体检测中的应用等。

相信随着科学技术的不断发展，人们对光电传感器的认识和应用也将迈上一个新台阶。