传感器解析

光电传感器的应用及发展趋势

1、光电传感器的应用背景

信息革命的两大重要支柱是信息的采集和处理，而信息采集的关键是传感器，传感器技术已成为现代信息技术的重要组成部分，在当代科学技术中占有十分重要的地位。传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输信号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。传感器感受一种量并把它转换成另一种量，这种转换也可以看成是能量的转换，因此在某些领域如生物医学工程等中，也被称为换能器。

光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏器件。它可用于检测直接引起光强变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、质量小、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键[1~3]。

2、光电传感器的工作原理及分类

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，一般由光源、光学通路、光电元件等3个部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是 1 个光子的全部能量一次性地被1个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常把光电效应分为3类：①在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应；②在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应；③在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。

2.1 光电传感器的工作原理

图2.1 光电传感器原理框图

光电传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应，原理框图见图2.1。

2.2 光电传感器的分类

光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、发光二极管（LED）、光电倍增管、光电池、光电耦合器件等。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质，光电传感器可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器；模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法又可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，且可测参数多，传感器的结构简单，样式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛[4~9]。

3、光电传感器的结构特点

光电传感器是一种能进行非接触检测的传感器，其具有检测范围广，检测距离远的优点。其最大检测距离往往和被检物的尺寸、形状、颜色及表面状态有关。对环境条件要求不严格，如高温区域：被检物半透明时均能正确检测，但不适宜用在潮湿结露或灰尘很大的场合。

光电传感器一般由发射头(光源)和接收头两部分组成。它们可以相对独立安装，也可以安装于同一侧，其安装形式主要由被检测对象和检测环境决定。检测方式可分为对射式、反射式、偏振式、镜面式、漫反射式、会聚式和光幕式等。如何选择检测方式应主要考虑以下几点因素: （1）检测距离；

（2）被检物的尺寸；

（3）被检物的反光情况如何，如深色物体的反光能力弱；

（4）被检物是否处于振动场合；

（5）被检物与背景的色差如何；

（6）周围环境光强如何，例如是否存在自然光或人工照明；

（7）检测线路上是否有灰尘，灰尘会大大减小光电传感器的检测距离；

（1）对射式

对射式光电传感器是一种最常见的非接触检测方式，其发射头与接收头相对安装，光轴必须保持在同一条直线上，当被检物不透光时，接收头可以检测到光强发生变化，被检物尺寸应不小于接收头直径的50%，对于很小的物体，检测时应使用特殊的镜头或遮盖一部分镜头。对

射式的检测距离远，尤其是在环境中灰尘、杂物较多的场合其优势更明显，最大检测距离可达30米左右。

（2）反射式

反射式光电传感器的发射头和接收头安装于同一侧，在另一侧安装一反射板，当检测物遮挡了光线使接收头的光强发生变化时，输出信号即跟随变化。反射式光电传感器允许反射光线有一定的角度变化，但是角度应小于15检测距离一般不超过10米，适用于高振动的场合，但不适合检测透明和半透明的物体。

（3）偏振式

偏振式光电传感器的接收头只检测三棱镜的反射光或某些对偏振敏感的反射片所反射的光线：发射头和接收头安装在同一侧，发射光经过特殊的滤光片后，光线只沿一平面传播，如图3.1所示。

图3.1 偏振式光电传感器

此种检测方式，接收头只检测来自反光器的反射光线，而对于来自包装物的反光，铝罐和发光包装皮以及某些反射物的反光不敏感，可以减少误检测。

（4）镜面式

镜面式光电传感器的发射头和接收头安装时与反射面保持同一角度，以保证入射角与反射角相同，和镜面反射很相似，镜面式光电传感器适合于检测反射面是否有破损的部分，可以检查印刷品是否有破洞等。

（5）漫反射式

漫反射式光电传感器的发射头和接收头安装于同一侧，接收头只需很少量的反射光线就能检测到物体。漫反射式光电传感器适合于检测物体表面的色标（如商标或记号等），例如检测某些需要喷漆的位置，或者检测物品上的标签等，但在使用时需注意，色标和背景之间的色差

越大越好，最好是白底黑字，目前某些生产厂家生产的光电传感器的发射光线是可选的（例如红外线、可见光等），便于用户根据需要选择。

（6）会聚式

会聚式光电传感器只检测和接收头处于某一固定距离的物体，如图3.2所示。

图3.2 汇聚式光电传感器

当物体处于接收头的焦点位置时，接收头才能检测出来。也就是说接收头有很大的盲区，对于焦点以外的物体不作检测"这样有利于检测很细的线、瓶盖、透明液体的液位等，还可以检测条形码，对于透明和半透明物体也可以进行检测。如在检测传送带上的物体时，使用会聚式光电传感器可以避免误检测到传送带或者其他物体。

（7）光幕式

光幕式光电传感器是一种区域传感器，它依靠物体遮光原理，由发射器的红外LED发送短光脉冲，形成光幕，接收二极管逐一接收多条红外线光束，发射器的光束与接收器的光束有一一对应的关系。当被检物进人检测范围挡住至少一束光束时，接收器的控制器就发出信号，达到检测物体的目的。光幕传感器可用于跳动物体的纵向位置检测，如图3.3所示。更适用于保护操作危险机床的人员的手指、脚跺及全身，光束的密度决定了被保护身体部分的大小；也可将多个光幕和反射镜形成光阵，对较大的危险禁区进行安全监测。光幕式光电传感器检测距离可达1米，特殊订货可达更远的距离。