光电传感器实验研究
摘要：随着科技的发展，人类越来越注重信息和自动化，在日常的生产学习过程中，人们常常要进行自动筛选、自动传送，而为了实现这些，光电传感发挥了不可磨灭的作用。光敏传感器的物理基础是光电效应，即光敏材料的电学特性因受到光的照射而发生变化。
关键词：光电效应、光电传感器、光敏材料
一、 理论基础——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。
1.外光电效应
光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。
根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：
式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,w为逸出功。
由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hv>w。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为 式中，c为光速，w为逸出功。
2.内光电效应
当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体whv2mv21whcK材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hν≥Eg（ Eg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子——空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限能量,即Eλ=hν0=Eg,其中ν0是低频限(即极限频率ν0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示,即λ0=hcEg。入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时,才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间(即图1中每个能带的细线间)跃迁。
光电传感器
光电光电传感器利用光线，以非接触的方式检测物的油污及状态的变化。
1.光的性质
（1）直射：在空气或水中传播时，常为直线直射。
（2）反射：镜子或玻璃常像海或湖的表面，光线闪烁不定，称为光的正反射；白纸则会向所有的方向反射，称为漫反射。
（3）折射：光经过不同的折射率界面，产生不同的传播方向，称为折射。
2.光源
（1）光的反射形态
（2）光的颜色和种类
按检测方式分类
一、对射式
1.检测方式
投光器和受光器需对向设置，从投光器投射，由受光器接收。检测物一旦遮光，受光器的受光量便产生变化，由变化量进行检测。
2.特征
（1）动作稳定度高、检测距离长（数厘米至数十米）。
（2）即使检测物体通过路径改变，检测位置也不受影响。
（3）很少受检测物体的光泽、颜色、倾斜度影响。
3.动作确认
（1）动作模式切换输出的输出方式正确。
D:Dark ON ( 遮光时 ON )
L:Light ON ( 入光时 ON )
（2）指示灯的确认
橘：动作指示灯
绿：稳定指示灯
（3）灵敏度旋钮用来调整灵敏度。
二、反射式
1.检测方式
投、受光器一体，从投头部投出的光，经过对向装置的反射板，反射回受光部。检测物一旦遮光，受光器的受光量会产生变化，由变化量进行检测。
2.特征
（1）检测距离：数厘米至数米。
（2）配线、光轴调整容易（省时工）。
（3）很少受检测物体的颜色、倾斜度影响。
（4）检测物体由于让光通过2次，所以较适合半透明的检测。
（5）检测物体的表面若为镜面，则表面反射光的受光量，会导致如无检测物的状态，无法进行检测。此时，采用具有MSR功能的光电开关来防止。
3.MSR（Mirror Surface Rejection）功能
光电传感器电路设计
1、设计要求
利用光电传感器（光电对管）将机械旋转转化为电脉冲，光电对管实物如图1所示。
图1 光电对管实物图
2、电路设计
电路原理图如图2所示。
图2 光电传感器电路原理图
电路由四部分组成。
光电对管U1、电阻R1、电阻R2构成发射接收电路；比较器U2A、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6构成反相输入的滞回比较器；比较器U2B、电阻R7、电阻R8构成反相器；发光二极管D1、电阻R9构成输出电路。
3、电路测试
测试电路如图3所示。
由变频器带动电机工作，将光电对管对准旋转的电机（电机上贴有反光带），处理电路由12V直流电源供电。
图3 测试电路
测试波形如图4所示（测试距离为4cm）。
(a)发射接收电路的输出信号 (b)滞回比较器比较电压波形
(c)滞回比较器输出波形 (d)反相器输出波形
图4 测试波形
4、PCB板绘制（板子大小限定为62mm*18mm）
PCB图如图5所示。其中电阻采用0805封装，LM358采用DIP8封装。
图5 光电传感器电路PCB图
5、完成实物图
实物图如图6所示。
(a)未焊接的PCB板
(b)焊接好的PCB板
(c)板子的外加塑料壳
图6 实物图
6、小结
在本次电路设计中，主要的难点有两个。
一是参数的整定，主要是滞回比较器上下门限的选择。滞回比较器上下门限的选择跟发射接收电路的输出波形有关，而光电对管与旋转面的距离、旋转面的反光度、反光带所在位置、可能遇到的干扰等都会影响输出波形。
二是PCB板的绘制。本次绘制采用的是Altium Designer Summer 09软件（Protel99SE的升级版）。首先画好原理图，然后再导入到PCB中，没有的元件和封装要事先画好，画元件要注意引脚，画封装要注意尺寸，必要时需要查看数据资料或者自己用尺子量。导入到PCB后，下面就要进行元件的布局，布局应合理紧凑。布局之后，设置自动布线规则，线间距根据实际情况合理设置。自动布线后，可以自己再进行局部修改，然后布线规则检查，看看有没有不符合要求的地方，直到修改无误。对于一般的电路，PCB通常采用双层板（即正反面都可以布线），绘制时主要涉及四层：顶层（top layer）、底层（bottom layer）、丝印层（top overlay）、切断层（keep-out layer）。使用过孔时，首先要设置过孔的电气标号，然后才可以连线。对于双层板，过孔与直插的焊盘本质上是没有区别的。
光电传感器工作原理（红外线光电传感器原理）
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。光电传感器在一般情况下，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。
此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
三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，具有实用意义。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，还是从这根反射线返回。
分类和工作方式
⑴槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
⑵对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。
⑶反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。
