光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的小型電子設(shè)備和關(guān)鍵元件。它主要利用光的各種性質(zhì)來(lái)檢測(cè)物體的存在和表面狀態(tài)的變化。光電傳感器具有非接觸、響應(yīng)速度快、性能可靠的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人。

　　光電傳感器。

　　光電傳感器通常由三部分組成：光源、光路和光電元件。將測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化，然后借助光電元件將光信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

　　光電效應(yīng)原理。

　　光電元件是光電傳感器最重要的組成部分，其核心工作原理是不同類(lèi)型的光電效應(yīng)。根據(jù)波粒二象性，光由光速運(yùn)動(dòng)的光子組成。當(dāng)物體被光照射時(shí)，其內(nèi)部電子吸收光子的能量并改變其狀態(tài)，其自身的電氣性質(zhì)也會(huì)改變。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光電效應(yīng)。

　　根據(jù)電氣屬性狀態(tài)的不同變化，光電效應(yīng)分為以下三種：

　　1)外部光電效應(yīng)。

　　在光在光的作用下逃離物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外部光電效應(yīng)?；谕獠抗怆娦?yīng)的光電元件包括光電管、光電倍增管等。

　　2)光電導(dǎo)效應(yīng)。

　　半導(dǎo)體中的電子在吸收光子后不能跳出半導(dǎo)體，從而改變物體的電導(dǎo)率，或產(chǎn)生光電勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)部光電效應(yīng)。根據(jù)其工作原理，內(nèi)部光電效應(yīng)可分為光電導(dǎo)率效應(yīng)和光伏效應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)率效應(yīng)的光電元件包括光敏電阻、光敏晶體管等。

　　3)光生伏特效應(yīng)。

　　在光的作用下，物體在一定方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效應(yīng)?；诠夥?yīng)的光電元件包括光電池和光敏二極管。三極管等。

　　光電元件的工作原理。

　　基于不同的光電效應(yīng)，我們來(lái)看看它們是如何工作的：

　　外部光電效應(yīng)器件。

　　光電器件是利用物質(zhì)在光照下發(fā)射電子的外部光電效應(yīng)制成的，通常是真空或充氣的光電器件，如光電管和光電雙管。

　　以光電管為例。當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子將其所有能量傳遞給陰極材料中的自由電子，從而增加自由電子的能量。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逃逸時(shí)，它可以克服金屬表面的束縛，形成電子發(fā)射，稱(chēng)為光電子。光電子只有在入射光頻率高于極限頻率時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。

　　光電子產(chǎn)生后，它們被真空管中的陽(yáng)極吸收，從而產(chǎn)生電流。如果此時(shí)增加光強(qiáng)度，更多的光子將照射到陰極材料上，從而產(chǎn)生更多的光電子，光電流將相應(yīng)增加。當(dāng)確定電阻R值時(shí)，電路中的光電流與入射光的光強(qiáng)度成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光強(qiáng)度可以通過(guò)測(cè)量電路讀取電流數(shù)來(lái)計(jì)算。

　　內(nèi)部光電效應(yīng)器件。

　　光電效應(yīng)裝置稱(chēng)為內(nèi)部光電效應(yīng)裝置，它利用物質(zhì)在光照下的電導(dǎo)能變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，常見(jiàn)的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。

　　根據(jù)能帶理論，自由原子中電子的能量狀態(tài)不是任意的，電子只能存在于一定的能量水平上?？煞譃閮r(jià)格帶。禁止和導(dǎo)帶。電子可以在導(dǎo)帶中流動(dòng)，而不是在價(jià)格帶中。在外部影響下，電子可以通過(guò)價(jià)格帶穿過(guò)帶間隙進(jìn)入導(dǎo)帶，從而改變導(dǎo)體的電阻。

　　不同導(dǎo)體的帶間隙厚度不同，絕緣體的帶間隙較寬，導(dǎo)致電子難以從價(jià)格帶轉(zhuǎn)向?qū)?，因此其電阻很?金屬導(dǎo)體沒(méi)有帶間隙，其價(jià)格帶與導(dǎo)帶連接，導(dǎo)電性好。

　　電子吸收光子能量后，導(dǎo)體電阻從價(jià)格帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)部光電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，可以通過(guò)觀察電阻的變化來(lái)確定測(cè)量的光量。

　　光生伏特效應(yīng)器件。

　　光伏效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)光伏效應(yīng)，是指物體在光照后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電池是一種自發(fā)電光電元件。當(dāng)它暴露在光下時(shí)，它可以在某個(gè)方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。沒(méi)有電源，只要打開(kāi)外部電路，電流就會(huì)通過(guò)。具體工作原理如下：

　　光伏電池是一個(gè)大面積的PN結(jié)，混合在一塊N型硅片上而形成的大面積PN結(jié)。P區(qū)有大量的空穴，N區(qū)有大量的電子。當(dāng)光照射到P區(qū)表面時(shí)，如果光子能量大于硅的禁止寬度，P區(qū)每吸收一個(gè)光子就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)。P區(qū)表面吸收的光子越多，刺激的電子空穴越多，PN結(jié)區(qū)越少。由于PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的方向是由N區(qū)指向P區(qū)，因此將擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子-空穴對(duì)分開(kāi)，生電子被推到N區(qū)，光生空穴留在P區(qū)。因此，N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電，形成光生電動(dòng)力。如果P區(qū)和N區(qū)用導(dǎo)線連接，電路中會(huì)有光電流。

　　分類(lèi)光電傳感器。

　　根據(jù)檢測(cè)方法，光電傳感器分為漫反射型、反射板型。

　　根據(jù)相應(yīng)的檢測(cè)方法，有以下不同結(jié)構(gòu)的光電傳感器：

　　(1)槽型光電傳感器。

　　一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面安裝在一個(gè)凹槽的兩側(cè)。發(fā)光器可以發(fā)出紅外線或可見(jiàn)光，光接收器可以在不受阻礙的情況下接收光。然而，當(dāng)被檢測(cè)到的物體通過(guò)凹槽時(shí)，光被阻擋，光電開(kāi)關(guān)移動(dòng)。輸出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，切斷或連接負(fù)載電流，完成一次控制動(dòng)作。由于整體結(jié)構(gòu)的限制，槽開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離一般只有幾厘米。

　　(2)對(duì)射光電傳感器。

　　如果將發(fā)光器與接收器分開(kāi)，可以增加檢測(cè)距離。由發(fā)光器和接收器組成的光電開(kāi)關(guān)稱(chēng)為對(duì)射分離光電開(kāi)關(guān)，稱(chēng)為對(duì)射光電開(kāi)關(guān)。它的檢測(cè)距離可以達(dá)到幾米甚至幾十米。使用時(shí)，發(fā)光器和接收器分別安裝在檢測(cè)器通過(guò)路徑的兩側(cè)。當(dāng)檢測(cè)器通過(guò)時(shí)，光路被阻擋，接收器將輸出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。

　　(3)反光板型光電開(kāi)關(guān)。

　　在同一裝置中安裝發(fā)光器和集光器，在其前面安裝反射器，利用反射原理完成光電控制，稱(chēng)為反射器反射型(或反射器反射型)光電開(kāi)關(guān)。在正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反射器反射，并被集光器接收;一旦光路被檢測(cè)物體堵塞，集光器無(wú)法接收光，光電開(kāi)關(guān)將移動(dòng)并輸出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。

　　(4)擴(kuò)散反射光電開(kāi)關(guān)。

　　它的檢測(cè)頭還配備了發(fā)光器和光收集器，但前面沒(méi)有反射器。在正常情況下，無(wú)法找到發(fā)光器發(fā)出的光收集器。當(dāng)檢測(cè)器通過(guò)并反射光部分時(shí)，光收集器接收光信號(hào)并輸出開(kāi)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。輸出電流的關(guān)系曲線隨溫度的變化。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)用中具有以下特點(diǎn)：

　　1.檢測(cè)距離長(zhǎng)。

　　若在對(duì)射型中保持10m以上的檢測(cè)距離等，則可實(shí)現(xiàn)其它檢測(cè)手段(磁性、超聲波等)不能遠(yuǎn)距離檢測(cè)。

　　2.對(duì)檢測(cè)對(duì)象的限制較少。

　　由于檢測(cè)物體引起的陰影和反射是檢測(cè)原理，它可以檢測(cè)幾乎所有的物體，如玻璃、塑料、木材和液體，而不是接近傳感器，將檢測(cè)物體限制在金屬上。

　　3.響應(yīng)時(shí)間短。

　　光本身是高速的，而且傳感器的電路是由電子部件組成的，所以不包括機(jī)械工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間很短。

　　4.分辨率高。

　　高分辨率可以通過(guò)先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)將投影光束集中在小光點(diǎn)上，也可以通過(guò)形成特殊的接收光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它還可以檢測(cè)小物體和高精度位置。

　　5.可以實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)。

　　不需要機(jī)械地接觸檢測(cè)測(cè)對(duì)象，因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)對(duì)象和傳感器造成損害。所以，傳感器可以長(zhǎng)期使用。

　　6.顏色判別可以實(shí)現(xiàn)。

　　根據(jù)投射光的光波長(zhǎng)和檢測(cè)對(duì)象的顏色組合，檢測(cè)對(duì)象形成的光的反射率和吸收率是不同的。利用這一性質(zhì)，可以檢測(cè)檢測(cè)對(duì)象的顏色。

　　7.調(diào)整方便。

　　在投射可視光的類(lèi)型中，眼睛可以看到投射光束，便于調(diào)整檢測(cè)物體的位置。