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光电传感器介绍

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光电传感器介绍

光电式传感器1.概述

2.物理特性

2.1外光电效应

2.1.1光⼦假设

2.2 内光电效应

2.2.1光电导效应

2.2.2光电转换元件

3.光电式传感器

3.1⼯作原理

3.2光电传感器分类

4.光电传感器应⽤

4.1光电传感器优点

4.1.1光电式带材跑偏检测器

4.1.2包装充填物⾼度检测

4.1.3光电⾊质检测

4.1.4烟尘浊度监测仪

4.1.5其他⽅⾯的应⽤

5.光纤传感器

5.1基本⼯作原理

5.2光纤的种类与特性

5.3光纤传感器的应⽤

6.常⽤光电传感器及⽣产⼚家和参数

光电式传感器1.概述

光电传感器是采⽤光电元件作为检测元件的传感器。它⾸先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，因此,光电式传感器在检测和控制中应⽤⾮常⼴泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。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、⽓体成分分析等；也可⽤来检测能转换成光量变化的其他⾮电量，如零件直径、表⾯粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、⼯作状态的识别等。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。2.物理特性

2.1外光电效应

2.1.1光⼦假设1887年，赫兹发现光电效应，爱因斯坦第⼀个成功解释光电效应。爱因斯坦根据普朗克量⼦假说⽽进⼀步提出的光量⼦，即光⼦概念，对光电效应研究做出了决定性的贡献。爱因斯坦光⼦假说的核⼼思想是：表⾯上看起来连续的光波是量⼦化的。单⾊光由⼤量不连续的光⼦组成。若单⾊光频率为n，那么每个

光⼦的能量为E＝hv, 动量为。

由爱因斯坦光⼦假说发展成现代光⼦论(photon theory)的两个基本点是：(1) 光是由⼀颗⼀颗的光⼦组成的光⼦流。每个光⼦的能量为E = hv，

动量为。由N个光⼦组成的光⼦流，能量为N hv。(2) 光与物质相互作⽤，即是每个光⼦与物质中的微观粒⼦相互作⽤。根据能量守恒定律，约束得最不紧的电⼦在离开⾦属⾯时具有最⼤的初动

能，所以对于电⼦应有：2.2 内光电效应

光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其⼯作原理是基于⼀些物质的光电效应。

光电效应：当具有⼀定能量E的光⼦投射到某些物质的表⾯时，具有辐射能量的微粒将透过受光的表⾯层，赋予这些物质的电⼦以附加能量，或者改变物质的电阻⼤⼩，或者使其产⽣电动势，导致与其相连接的闭合回路中电流的变化，从⽽实现了光—电转换过程。在光线作⽤下能使物体电阻率改变的称为内光电效应。属于内光电效应的光电转换元件有光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管等。2.2.1光电导效应

光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应（⼜称为光电效应、光敏效应），即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的⼀类光致电改变现象的总称。当光照射到半导体材料时，材料吸收光⼦的能量，使⾮传导态电⼦变为传导态电⼦，引起载流⼦浓度增⼤，因⽽导致材料电导率增⼤。在光线作⽤下，对于半导体材料吸收了⼊射光⼦能量，若光⼦能量⼤于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电⼦-空⽳对，使载流⼦浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。2.2.2光电转换元件

光电转换元件的种类很多，常⽤的元件有光电管，光敏电阻，光电池等。限于篇幅这⾥我们着重讲解光电管的有关特性。1.光电管

光电管的特性主要取决于光电极的材料，其基本的特性是光谱特性，光电特性和伏安特性。

①光谱特性

⽤单位辐射通量不同波长的光分别照射光电管，在光电管上产⽣⼤⼩不同的光电流。这⾥，光电流I与光波波长λ的关系曲线称为光谱特性曲线，⼜称频谱特性。

对于不同波长区域的光，应选⽤不同光电阴极的光电管。此外在测量与控制技术中，光电管可以担负⼈眼不能胜任的⼯作。

②光电特性

光电管在固定阳极电压下，光通量与光电流(阳极电流)之间的关系称为光电特性。图4—34为光电管的光电特性曲线。从图4—34可知，光电管的光电特性基本上呈线性关系，直线的斜率为其灵敏度。

③伏安特性

光电管在光通量⼀定的情况下，阳极电压与阳极电流的关系称为伏安特性。图4—35为光电管的伏安特性曲线。在阳极电压⼤于50V时，光电流开始饱和，阳极电流近于常数，⽽与电压⽆关。真空光电管⼀般⼯作于伏安特性的饱和部分，内阻达⼏百兆欧。

3.光电式传感器

3.1⼯作原理

由光通量对光电元件的作⽤原理[1]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.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测⽬标物体)⽅法可分为

透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三⼤类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表⾯反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中⼀部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关.

光敏⼆极管是最常见的光传感器。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（＜µA），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。在外电场的作⽤下，光电载流⼦参于导电，形成⽐暗电流⼤得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的⼤⼩与光照强度成正⽐，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化⽽变化的电信号。

光敏三极管除了具有光敏⼆极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放⼤的功能。光敏三级管的外型与⼀般三极管相差不⼤，⼀般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗⼝，以便光线射⼊。为增⼤光照，基区⾯积做得很⼤，发射区较⼩，⼊射光主要被基区吸收。⼯作时集电结反偏，发射结正偏。在⽆光照时管⼦流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很⼩），⽐⼀般三极管的穿透电流还⼩；当有光照时，激发⼤量的电⼦-空⽳对，使得基极产⽣的电流Ib增⼤，此刻流过管⼦的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要⽐光电⼆极管具有更⾼的灵敏度。3.2光电传感器分类

1.槽开光电开关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。2．对射式光电开光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以射分离式光电开光，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。3．反光板反射式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。4．扩散反射式光电开关它的检测头⾥也装有⼀个发光器和⼀个收光器，但前⽅没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出⼀个开关控制信号。5．光纤式光电开关把发光器发出的光⽤光纤引导到检测点，再把检测到的光信号⽤光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。按动作⽅式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。4.光电传感器的应⽤

4.1光电传感器优点

光电传感器是采⽤光电元件作为检测元件，⾸先把被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进⼀步将光信号转换成电信号。光电传感器⼀般由光源、光学通路和光电元件3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。近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成为系列产品，其品种及产量⽇益增加，⽤户可根据需要选⽤各种规格产品，在各种轻⼯⾃动机上获得⼴泛的应⽤。4.1.1光电式带材跑偏检测器

带材跑偏检测器⽤来检测带型材料在加⼯中偏离正确位置的⼤⼩及⽅向，从⽽为纠偏控制电路提供纠偏信号，主要⽤于印染、送纸、胶⽚、磁带⽣产过程中。

光电式带材跑偏检测器原理如图1所⽰。光源发出的光线经过透镜1会聚为平⾏光束，投向透镜2，随后被会聚到光敏电阻上。在平⾏光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。

图1带材跑偏检测器⼯作原理

图2为测量电路简图。R1、R2是同型号的光敏电阻。R1作为测量元件装在带材下⽅，R2⽤遮光罩罩住，起温度补偿作⽤。当带材处于正确位置（中间位）时，由R1、R2、R3、R4组成的电桥平衡，使放⼤器输出电压U0为0。当带材左偏时，遮光⾯积减少，光敏电阻R1阻值减少，电桥失去平衡。差动放⼤器将这⼀不平衡电压加以放⼤，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的⽅向及⼤⼩。

反之，当带材右偏时，U0为正值。输出信号U0⼀⽅⾯由显⽰器显⽰出来，另⼀⽅⾯被送到执⾏机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。

图2带材跑偏检测器测量电4.1.2包装充填物⾼度检测

⽤容积法计量包装的成品，除了对重量有⼀定误差范围要求外，⼀般还对充填⾼度有⼀定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填⾼度的成品将不许出⼚。图3所⽰为借助光电检测技术控制充填⾼度的原理。当充填⾼度h偏差太⼤时，光电接头没有电信号，即由执⾏机构将包装物品推出进⾏处理。

图3利⽤光电检测技术控制充填⾼度4.1.3光电⾊质检测

图4为包装物料的光电⾊质检测原理。若包装物品规定底⾊为⽩⾊，因质量不佳，有的出现泛黄，在产品包装前先由光电检测⾊质，物品泛黄时就有⽐较电压差输出，接通电磁阀，由压缩空⽓将泛黄物品吹出。

图4包装物料的光电⾊质检测原理4.1.4烟尘浊度监测仪

防⽌⼯业烟尘污染是环保的重要任务之⼀。为了消除⼯业烟尘污染，⾸先要

知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进⾏监测、⾃动显⽰和超标报警。烟道⾥的烟尘浊度是⽤通过光在烟道⾥传输过程中的变化⼤⼩来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因⽽光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。4.1.5其他⽅⾯的应⽤

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光电传感器论文

光电传感器论文

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whv2mv21whcK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。

光电传感器介绍

光电传感器介绍

光电传感器介绍

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。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，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今天光电传感器的雏形。

LED（发光二极管）

发光二极管最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。不象白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。

经调制的LED传感器

1970年，人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点，就是它能够以非常快的速度来开关，开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发射器的调制频率，那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。

我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。将收音机调到某台，就可以忽略其他的无线电波信号。经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相当于收音机。

人们常常有一个误解：认为由于红外光LED发出的红外光是看不到的，那么红外光的能量肯定会很强。经过调制的光电传感器的能量的大小与LED光波的波长无太大关系。一个LED发出的光能很少，经过调制才将其变得能量很高。一个未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段，使接收器只能接收到发射器发出的光，才能使其能量变得很高。相比之下，经过调制的接收器能忽略周围的光，只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。

光电传感器

光电传感器

《传感器与自动控制检测技术》，余成波主编 ，高等教育出版社，北京：2009.7

传感器的概念来由“感觉（Sensor）”一词。人们为了研究自然现象，仅仅依靠人的五官获取外界信息是远远不够的。于是人们发明了能代替或补充人体五官功能的传感器，工程上也将传感器称为“变换器”。

根据国家标准《传感器通用术语》（GB7665---87），传感器（Transducer/sensor）的定义为：“能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常有敏感元件和转换元件组成”。

传感器一般有敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。但是随着传感器集成技术的发展，传感器的信号调理与转换电路也会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集成在一芯片上。因此，信号调理电路以及所需辅助电源都应作为传感器组成的一部分。

光电倍增管的结构及原理P110

光电倍增管由阴极、次阴极（倍增级）以及阳极三部分组成，阴极是由半导体光电材料敏感元件

传感器组成图框 转换元件 信号调理

辅助电源电路 输出入射光

光电倍增管的结构 阴极K 第一倍增级D1 第三倍增级D3 阳极A

第二倍增级D2 第四倍增级D4 被测信息 锑铯做成，次阴极是在镍或铜—铍的衬底上涂抹锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级，通常为12~14级。阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几微安，很不容易探测。为了提高光电管的灵敏度，这时常用光电倍增管对电流进行放大。光电倍增管的光电转换过程为：当入射光的光子打在阴极上时，阴极发射出电子，该电子流又打在点位较高的第一倍增级上，于是又产生新的二次电子；第一倍增级产生的二次电子又打在比第一倍增级电位高的第二倍增级上，该倍增级同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增级产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在整个回路里形成光电流。

光电传感器工作原理(红外线光电传感器原理)

光电传感器工作原理(红外线光电传感器原理)

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。