光電傳感器是一種小型電子產(chǎn)品，是各種光電檢測系統(tǒng)中光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。它主要是利用光的各種特性來檢驗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)快、性能可靠等特點，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化設(shè)備和機器人中。

　　光電傳感器

　　光電傳感器一般由三部分組成:光源、光學(xué)通道和光電元件。將測量的變化轉(zhuǎn)化為光信號的變化，然后借助光電元件將光信號進一步轉(zhuǎn)化為電信號。

　　光效應(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型的光電效應(yīng)。根據(jù)波粒的二象性，光是由光速運動光子組成的。當(dāng)物體受到光源照射時，其內(nèi)部電子吸收光子的能量并改變其狀態(tài)，其電特性也會發(fā)生變化。這種現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。

　　光電效應(yīng)根據(jù)電屬性狀態(tài)的不同變化分為以下三類：

　　1)外部光電效應(yīng)

　　在光的影響下，使電子逸出材料表面的情況稱為外部光電效應(yīng)。光電元件包括光電管、光電倍增管等。

　　二是光電導(dǎo)向效應(yīng)

　　半導(dǎo)體中的電子吸收光子后不能跳出半導(dǎo)體，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或者產(chǎn)生光電動勢稱為內(nèi)光電效應(yīng)。根據(jù)其工作原理，內(nèi)光電效應(yīng)可分為光電導(dǎo)向效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電元件基于光電導(dǎo)向效應(yīng)，包括光敏電阻、光敏晶體管等。

　　三是光生伏特效

　　在光的影響下，物體產(chǎn)生一定方向的電動勢稱為光生伏特效。光電元件包括光電池、光敏二極管、三極管等?；诠馍匦У?/p>

　　光電元件的工作原理

　　基于不同的光電效應(yīng)，我們來看看它們是如何工作的：

　　外部光電效應(yīng)器件

　　光電器件是由物質(zhì)在光的照射下發(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，如光電管和光電倍增管。

　　以光電管為例。當(dāng)入射光直接照射在負(fù)極上時，單個光子將其所有能量傳遞給負(fù)極材料中的自由電荷，從而增加自由電子的能量。當(dāng)電子獲得的能量大于負(fù)極材料的逸出功時，它可以克服金屬表面的束縛，產(chǎn)生電子發(fā)射。這種電子被稱為光電子。光電子只有在入射光頻率高于極限頻率時才會產(chǎn)生。

　　光電產(chǎn)生后，被真空管中的陽極吸收，然后產(chǎn)生電流。如果此時光照度增加，更多的光子會照射到負(fù)極材料上，從而產(chǎn)生更多的光電子，光電流也會增加。當(dāng)電阻R值確定時，電路中的光電流與入射光的光照度成為函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光照度可以通過測量電路讀取電流數(shù)來計算。

　　內(nèi)光效應(yīng)器件

　　光敏電阻、光電池和光敏晶體管等都是使用物質(zhì)在光照下改變電導(dǎo)性能或產(chǎn)生電動勢的光電器件，稱為內(nèi)光電效應(yīng)器件。

　　根據(jù)能帶理論，電子在自由原子中的能量狀態(tài)并不是任意的，電子只能存在于一定的能量水平?？梢苑譃閮r格帶、禁止帶和導(dǎo)帶。電子可以在導(dǎo)帶中流動，但不能在價格帶中流動。在外部影響下，電子可以通過價格帶的間隙進入導(dǎo)帶，從而改變導(dǎo)體的電阻。

　　不同導(dǎo)體的皮帶間隙厚度不同。如圖所示，絕緣物體的皮帶間隙較寬，電子很難從價帶轉(zhuǎn)移到皮帶，所以電阻很大。金屬導(dǎo)體沒有皮帶間隙，價帶與皮帶連接，所以導(dǎo)電性能好。

　　電子吸收光子能量后，導(dǎo)體電阻由價帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶，改變稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光敏電阻可以通過觀察電阻的變化來制造，被測光量可以通過觀察電阻的變化來確定。

　　光生伏特效器件

　　光伏特效應(yīng)簡稱光伏效應(yīng)，是指物體在受到光照后產(chǎn)生電動勢的情況。光電池是一種自發(fā)電光電元件。當(dāng)它受到光照時，它可以產(chǎn)生一定角度的電動勢。如果沒有電源，只要外部電路連接，就會有電流通過。具體工作原理如下:

　　光伏電池通過擴散方式將一些P型雜質(zhì)混合在一個N型硅片上形成的大規(guī)模PN結(jié)。P區(qū)有大量的空穴，N區(qū)有大量的電子。當(dāng)光照射在P區(qū)表面時，如果光子能量大于硅的禁帶寬度，在P區(qū)內(nèi)每吸收一個光子就會產(chǎn)生一個電子-空穴對。P區(qū)表面吸收的光子越多，激發(fā)的電子空穴就越多，向PN結(jié)區(qū)的光子就越少。因為PN結(jié)內(nèi)電場的方向是從N區(qū)指向P區(qū)，使得擴散到PN結(jié)周圍的電子-空穴分離，光生電子被推向N區(qū)，光生空穴留在P區(qū)。因此，使電流連接到P區(qū)。

　　分類光電傳感器

　　根據(jù)檢測方法，光電傳感器分為漫反射型、反射型和對射型：

　　這些不同結(jié)構(gòu)的光電傳感器按照相應(yīng)的檢測方法進行：

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　　槽形光電是將光發(fā)射器和接收器面對面安裝在槽的兩側(cè)。發(fā)光器可以發(fā)出紅外線或可見光，光接收器在無障礙的前提下會收到光。但是當(dāng)被測物體通過槽時，光線被遮擋，光電開關(guān)就會移動。導(dǎo)出開關(guān)控制信號，切斷或連接負(fù)載電流，從而完成一個控制動作。由于整體結(jié)構(gòu)的限制，槽形開關(guān)的檢查距離一般只有幾厘米。

　　⑵對射光電傳感器

　　如果發(fā)光器和照明器分開，可以增加檢測距離。由發(fā)光器和照明器組成的光電開關(guān)稱為對射分體光電開關(guān)，簡稱對射光電開關(guān)。它的檢查距離可以達到幾米甚至幾十米。在使用過程中，將發(fā)光器和照明器分別安裝在檢查對象通過路徑的兩側(cè)。當(dāng)檢查對象通過時，光路被阻擋，照明器會動作導(dǎo)出開關(guān)控制信號。

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　　將發(fā)光器和照明器放入同一設(shè)備中，在其前面安裝一個反光板。利用反射原理完成光電控制的光電開關(guān)稱為反射板反射(或反射鏡反射)光電開關(guān)。通常，發(fā)光器發(fā)出的光被反射板反射回來，被照明器收到;一旦光路被檢查對象擋住，照明器無法接收光線，光電開關(guān)就會動作，導(dǎo)出開關(guān)控制信號。

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　　它的檢查頭還配有發(fā)光器和照明器，但是前面沒有反光板。通常，發(fā)光器發(fā)出的光收集器是找不到的。當(dāng)檢查對象通過時，光被擋住，光部分被反射回來，光收集器收到光信號，導(dǎo)出開關(guān)信號。

　　光電傳感器的基本特征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、輸出電流隨溫度變化的關(guān)系曲線、脈沖響應(yīng)特性曲線等。

　　光電傳感器的特點

　　工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用包含以下特點：

　　1、檢測距離長

　　若在對射型中保持超過10m的檢測距離等，則可實現(xiàn)其它檢測方法(磁性、超聲等)不能進行長距離檢測。

　　2、對于檢驗對象的限制很少

　　由于檢測對象造成的擋光和反射是檢測原理，因此不像靠近傳感器等將檢測對象限制在金屬上，它可以檢測到玻璃.塑料.木材.液體等絕大多數(shù)物體。

　　3、響應(yīng)時間短

　　光線本身就是高速的，而且傳感器電路都是由電子部件組成的，因此不包括反射工作時間，響應(yīng)時間很短。

　　4、分辨率高

　　投光光束可以通過先進的設(shè)計技術(shù)集中在小光點上，也可以通過形成特殊的光學(xué)系統(tǒng)來實現(xiàn)高分辨率。還可以檢測細(xì)小物體和高精度位置。

　　5、可以實現(xiàn)非接觸檢測

　　可以在不反射的情況下接觸檢測對象進行檢測，因此不會對檢測對象和傳感器造成傷害。所以傳感器可以長期使用。

　　6、可以實現(xiàn)色彩判別

　　根據(jù)投射光的光波長和檢測物體的顏色組合，檢測物體形成的光的折射率和吸收率略有不同。利用這一特性，可以檢測物體的顏色。