光電傳感器工作原理、分類及特性詳解(收藏)

光電傳感器是一種小型電子設備，各種光電檢測系統中實現光電轉換的關鍵元件。它主要是利用光的各種性質，檢測物體的有無和表面狀態的變化等的傳感器。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。

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光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。 把被測量的變化轉換成光信號的變化，然後藉助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。

光電效應原理

光電元件是光電傳感器中最重要的組成部分，它的核心工作原理是不同類型的光電效應。根據波粒二象性，光是由光速運動的光子所組成， 當物體受到光線照射時，其內部的電子吸收了光子的能量後改變狀態，自身的電性質也會發生改變，這樣的現象稱為光電效應。

根據電屬性狀態的不同變化，將光電效應分為以下三種：

1）外光電效應

在光線作用下使電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應。基於外光電效應的光電元件有光電管，光電倍增管等

2）光電導效應

半導體內的電子吸收光子後不能躍出半導體，使物體的電導率發生變化，或產生光生電動勢的現象稱為內光電效應。內光電效應按其工作原理可分為光電導效應和光生伏特效應。基於光電導效應的光電元件有光敏電阻，光敏電晶體等

3）光生伏特效應

在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應。基於光生伏特效應的光電元件有光電池和光敏二極體、三極體等

光電元件工作原理

基於不同的光電效應，我們來看一下他們分別是如何工作的：

外光電效應器件

利用物質在光的照射下發射電子的外光電效應而製成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。

以光電管為例，當入射光照射在陰極上時，單個光子把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加。當電子獲得的能量大於陰極材料的逸出功時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發射，這種電子稱為光電子。 只有當入射光的頻率高於極限頻率時，才會產生光電子。

光電子產生之後，被真空管中的陽極所吸收，從而產生電流。若此時增加光照強度，更多的光子將會照射到陰極材料，從而產生更多光電子，光電流也會相應增加。在電阻R值確定的情況下，迴路中的光電流與入射光的光照強度成函數關係，從而實現光電轉化，通過測量電路讀取電流數，即可算出光照強度。

內光電效應器件

利用物質在光的照射下電導性能改變或產生電動勢的光電器件稱內光電效應器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏電晶體等。

根據能帶理論，自由原子中電子具有的能量狀態不是任意的，電子只能存在在一定的能級上。能帶分為價帶、禁帶和導帶。電子可以在導帶中流動，不可以在價帶中流動，在外界影響下，電子可由價帶越過帶隙進入到導帶，從而改變導體的電阻。

不同導體的帶隙厚度不一樣，如下圖所示，絕緣體的帶隙較寬，導致電子很難從價帶躍遷至導帶，所以其電阻很大；金屬導體沒有帶隙，其價帶和導帶相連，因此導電性能好。

電子吸收光子能量後，由價帶躍遷至導帶從而改變導體電阻的現象稱為內光電效應。利用該效應可以製作光敏電阻，通過觀察電阻的變化來確定被測光量。

光生伏特效應器件

光生伏特效應簡稱光伏效應，指的是物體在受到光照之後產生電動勢的現象。光電池是一種自發電式的光電元件，它受到光照時自身能產生一定方向的電動勢，在不加電源的情況下，只要接通外電路，便有電流通過。具體的工作原理如下：

光伏電池在一塊N型矽片上用擴散的方法摻入一些P型雜質而形成的一個大面積PN結，P區有大量的空穴，N區有大量的電子。當光照射P區表面時，若光子能量大於矽的禁帶寬度，則在P型區內每吸收一個光子便產生一個電子—空穴對，P區表面吸收的光子越多，激發的電子空穴越多，越向PN結區越少。由於PN結內電場的方向是由N區指向P區的，它使擴散到PN結附近的電子—空穴對分離，光生電子被推向N區，光生空穴被留在P區。從而使N區帶負電，P區帶正電，形成光生電動勢。若用導線連接P區和N區，電路中就有光電流流過。

光電傳感器的分類

光電傳感器按檢測方式分為漫反射型、反射板型、對射型：

根據相應的檢測方式有下列這些不同結構的光電傳感器：

⑴槽型光電傳感器

把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發光器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾釐米。

⑵對射型光電傳感器

若把發光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發光器和一個收光器組成的光電開關就稱為對射分離式光電開關，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。

⑶反光板型光電開關

把發光器和收光器裝入同一個裝置內，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開關。正常情況下，發光器發出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。

⑷擴散反射型光電開關

它的檢測頭裡也裝有一個發光器和一個收光器，但前方沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，並把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關信號。

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係曲線、輸出電流與發射器輸入電流之間的關係曲線、輸出電流隨溫度變化的關係曲線、脈衝響應特性曲線等。

光電傳感器的特點

在工業生產應用中有下列特點：

1、檢測距離長

如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實現其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法遠距離檢測。

2、對檢測物體的限制少

由於以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近傳感器等將檢測物體限定 在金屬，它可對玻璃。塑料。木材。液體等幾乎所有物體進行檢測。

3、響應時間短

光本身為高速，並且傳感器的電路都由電子零件構成，所以不包含機械性工作時間，響應時間非常短。

4、解析度高

能通過高級設計技術使投光光束集中在小光點，或通過構成特殊的受光光學系統，來實現高解析度。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。

5、可實現非接觸的檢測

可以無須機械性地接觸檢測物體實現檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。

6、可實現顏色判別

通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質，可對檢測物體的顏色進行檢測。

7、便於調整

在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便於對檢測物體的位置進行調整。

光電傳感器的選型

光電傳感器使用前的選型需考慮下列因素：

檢測物體

1、對射型（物體被測面尺寸）

2、回歸反射型（物體被測面尺寸，光澤反射能力強弱）

3、擴散反射型（物體被測面尺寸，被測物體顏色）

檢測方式

1、對射型（投光器+受光器），

2、回歸反射型（反射板+投受光器），

3、擴散反射型（靠物體將投出的光線反射回受光器，固需要確認是否有背景物體）

輸出形態

1、常開（NO）2、常閉（NC）3、常開（NO）+常閉（NC）4、常開（NO）或常閉（NC）

檢測距離

1、對射型（投光器到受光器的距離），

2、回歸反射型（反射板到投受光器的距離），

3、擴散反射型（被測物體到投受光器的距離）

控制輸出

1、電晶體輸出（NPN低電平輸出，PNP高電平輸出）

2、繼電器接點輸出

工作電源

1、直流

2、交流

3、交直流通用

安裝連接方式

1、導線引出型（默認導線長度1.2m）

2、 接插件型（配接插線需要確認直線性或L字型，導線長度）

其他功能

延時功能（E3JM）

附 件

反射板，安裝配件（固定安裝傳感器使用）

隨著自動化生產程度的不斷提高，對傳感器的要求也在不斷提高，這就促使光電傳感器不得不隨著時代步伐而更新，改善光電傳感器性能必須朝著高靈敏度？高精確度？響應速度快？互換性好的方向發展？