光电传感器的原理及应用
作者:2011级 应用物理 向舟望
摘要:光电传感器，基于光电效应的传感器，在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。

它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。

关键词:光电传感器、光电效应、敏感器件。

正文
引言：在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。

由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。

这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用。

原理：
1、光电效应
光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。

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是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，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，h ＝6.63*10-34 J/HZ)，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,A 微电子所做的功。

A -h m 2
12νν=
由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A 。

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，A 为逸出功。

当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。

它属于内光电效应。

当光照在半导体上是，若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度，则电子从价带跃迁到导带，形成电子，同时，价带留下相应的空穴。

电子、空穴仍留在半导体内，并参与导电在外电场作用下形成的电流。

除金属外，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著，根据光导效应制造的光电元件有固有入射光频率，当光照在光电阻上，其导电性增强，电阻值下降。

光强度愈强，其阻值愈小，若停止光照，其阻值恢复到原阻值。

半导体受光照射产生电动势的现象称为光生伏特效应，据此效应制造的光电器件有光电池，光电二极管，管控晶闸管和光耦合器等。

2、光电传感器 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，它的基本结构如图6，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。

光电传感器一般由三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路，如图7所示，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。

A
hc K =
λ
图7
光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种：
1、发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。

它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。

因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。

2、激光激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。

3、丝灯泡这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。

如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。

由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。

测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。

不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。

光电传感器的应用
1.测量工件表面的缺陷
用光电传感器测量工件表面缺陷的工作原理如图1 所示，激光管1 发出的光束经过透镜2 和3 变为平行光束，再由透镜4 把平行光束聚焦在工件7的表面上，
形成宽约0.1mm的细长光带。

光栏5 用于控制光通量。

如果工件表面有缺陷( 粗糙、裂纹等) ，则会引起光束偏转或散射，这些光被硅光电池6 接收，即可转换成电信号输出。

2、测量转速
如图2所示为用光电传感器测量转速的工作原理。

在电动机的旋转轴上
涂上黑白两种颜色，当电动机转动时，反射光与不反射光交
替出现，光电元件1相应地间断接收光的反射信号，并输出间
断的电信号，再经放大器及整形电路2放大整形输出方波信
号，最后由电子数字显示器输出电机的转速。

3、烟尘浊度连续检
测仪
如图3 所示为吸
收式烟尘浊度检测仪
框图。

白炽平行光源
通过烟筒由光检测器接收，转换成随浊度变化的相应电信号，运算放大器接收此信号，当运算放大器输出的浊度信号超出规定值时，多谐振荡器工作，其信号经放大推动喇叭发出报警信号。

4、光电式数字转速表
光电数字转速表如图4 所示，发光二极管发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。

同样经光电元件1 接收，放大整形电路2 放大整形，输出整齐的脉冲信号，转速可由该脉冲信号的频率来决定。

5、光学传感器阵列在水硬度中的应用
目前，测定水中钙镁总含量的方法通常用乙二胺四乙酸(EDTA)络合滴定法或分光光度法，但是这两种方法各有缺点，不是费时很难实时测量，就是只能单一测定，不能简便快速地综合测定。

该传感器是由激光二极管和光电二极管组成的
3通道光学阵列。

所有器件集成在一个芯片上，每个芯片上集成三个如下图所示的功能单元。

图中E1，S1，R1，MI及数字均为传感器芯片引脚标号。

6、转速测量
将转速变换成光通量的变化，再经过光电元件转换成电量的变化即可得到转速。

如下图所示。

被测转轴上装有调制盘(带孔或带齿的圆盘)，调制盘的一边设
置光源，另一边设置光电元件。

调制盘随轴转
动，当光线通过小孔或齿缝时，光电元件就产
生一个电脉冲。

转轴连续转动，光电元件就输
出一列与转速及调制盘上的孔(或齿)数成正
比的电脉冲数。

在孔(或齿)数一定时，脉冲数就和转速成正比。

电脉冲输入测量电后经放大整形，再送入频率计计数显示。

如果调制盘上的孔(或齿)数为Z，测量电路计数时间为T秒，被测转速为n(r/min)，则此时得到的计数值N 为N ＝nZT/60 其中，ZT一般取60×10m(m＝0，1，2，3⋯)。

7、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。

如图6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。

结束语
近年来光电传感器技术得到了较大的发展，同时也有利地推动着各个技术领域的发展与进步。

有理由相信：当光电传感器技术产生较快的发展时，必将为信
息技术领域及其他技术领域的新发展、新进步带来新的动力与活力。

同时，光电子应用技术是一门新兴的高新技术，目前还处于发展期，但它必将发展成为一种新兴的知识经济，从而在新兴技术领域形成巨大的生产力。

以上介绍了光电传感器的基本原理和其特点，并列举了一些在实际的应用实例。

从这些实例中我们可窥见光电传感器无限的发展应用前景。

光电式传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。

人类社会对传感器提出的要求越来越高是其发展的强大动力，突飞猛进现代科学技术的则为其提供了坚强的后盾，我们相信在不懈地探索中，光电传感器的应用定会有新的飞跃。

参考文献：
1.北京航天航空大学出版社，郭培源、付扬《光电检查技术与应用》第二版
2.百度文库
3.《光电传感器技术的新发展及应用》谢望，天津工业大学机电学院，天津30016。