[小学教育]光电传感器工作原理

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1、光电传感器工作原理电子电路 2008-05-31 22:27 阅读6004评论3字号：大中小本文来源网络光电传感器工作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

2、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。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

3、离加尢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。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

4、光器发出的光收光器是找不到的。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，输出一个开关信号。关键词：光电开关 光电传感器 光电式接近开关 光电式传感器 红外线光电开关 红外线开关 红外线光电传感器 对射式光电开 关 对射式光电传感器 反射式光电开关反射式光电传感器 漫反射光电开关 漫反射光电传感器光电式传感器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

5、多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.由光通量对光电元件的作用原理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

6、通量经被测物光遮其中一部份，使投射到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.7.1概述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 一个小的白炽灯作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）最早出现在佃世纪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作为指示灯来用丄ED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

7、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.不像白炽灯那样,LED抗震动抗冲击,并且没有灯丝另外丄ED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）丄ED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.佃70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

8、，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发岀的红外光是看不 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岀的光，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.未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射，如刚出炉的红热瓶子，在这种应用场合如果

9、使用其它的传感器，可能会有误动作.如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话，那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到周围光源接收器也可以用来检测室外光.但是并不是说经调制的传感器就一定不受周围光的干扰，当使用在强光环境下时就会有问题例如沬经过调制的光电传感器，当把它直接指向阳光时，它能正常动作我们每个人都知道，用一块有放大作用的玻璃将阳光聚集在一张纸上时，很容易就会把纸点燃设想将玻璃替换成传感器的镜头，将纸替换成光电三极管，这样我们就很容易理解为什么将调制的接收器指向阳光时它就不能工作了，这是周围光源使其饱和了 调制的LED改进了光电传感器的设计，增大了检测距离,扩展了光束的角度,人们逐渐接受

10、了这种可靠易于对准的光束到1980年，非调制的光电传感器逐步就退出了历史舞台.红外光LED是效率最高的光束，同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束但是有些传感器需要用来区分颜色（如色标检测）,这就需要用可见光源.在早期，色标传感器使用白炽灯做光源，使用光电池接收器，直到后来发明了高效的可见光LED.现在，多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器.经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离，这是因为检测距离是一个非常重要的参数未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体,这些场合要求的响应速度都非常快但是，现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度，

11、能满足大多数的检测应用.安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤光纤与传感器配套使用，是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离.光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外皮这层 金属外皮的密度比光芯要低，因而折射率低.光束照在这两种材料 的边界处（入射角在一定范围内,）,被全部反射回来根据光学原理, 所有光束都可以由光纤来传输.两条入射光束（入射角在接受角以内）沿光纤长度方向经多次反射后,从另一端射出另一条入射角超出接受角范围的入射光，损 失在金属外皮内这个接受角比两倍的最大入射角略大，这是因为 光纤在从空气射入

12、密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射光 在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响（弯曲半径要大于最 小弯曲半径）.大多数光纤是可弯曲的,很容易安装在狭小的空间. 玻璃光纤由一束非常细（直径约50pm）的玻璃纤维丝组成.典型 的光缆由几百根单独的带金属外皮玻璃光纤组成，光缆外部有一 层护套保护光缆的端部有各种尺寸和外形,并且浇注了坚固的透明树脂检测面经过光学打磨，非常平滑这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率. 玻璃光纤内的光纤束可以是紧凑布置的,也可随意布置紧凑布置 的玻璃光纤通常用在医疗设备或管道镜上.每一根光纤从一端到 另一端都需要精心布置,这样才能在另一端得到非常清晰的图像.由

13、于这种光纤费用非常昂贵并且多数的光纤应用场合并不需要得到一个非常清晰的图像，所以多数的玻璃光纤其光纤束是随意布置的，这种光纤就非常便宜了，当然其所得到的图像也只是一些光.玻璃光纤外部的保护层通常是柔性的不锈钢护套，也有的是PVC 或其他柔性塑料材料有些特殊的光纤可用于特殊的空间或环境, 其检测头做成不同的形状以适用于不同的检测要求玻璃光纤坚 固并且性能可靠，可使用在高温和有化学成分的环境中，它可以传 输可见光和红外光常见的问题就是由于经常弯曲或弯曲半径过 小而导致玻璃丝折断，对于这种应用场合，我们推荐使用塑料光纤. 塑料光纤由单根的光纤束（典型光束直径为0.25到1.5mm）构成, 通常有PV

14、C外皮它能安装在狭小的空间并且能弯成很小的角度.多数的塑料光纤其检测头都做成探针形或带螺纹的圆柱形，另一端未做加工以方便客户根据使用将其剪短不像玻璃光纤,塑料光纤具有较高的柔性，带防护外皮的塑料光纤适于安装在往复运动的机械结构上.塑料光纤吸收一定波长的光波，包括红外光，因而塑料光纤只能传输可见光.对射式和直反式光纤玻璃光纤和塑料光纤既有”单根的叫对射式, 也有分叉的叫直反式单根光纤可以将光从发射器传输到检测区域,或从检测区域传输到接收器分叉式的光纤有两个明显的分支,可分别传输发射光和接收光，使传感器既可以通过一个分支将发射光传输到检测区域，同时又通过另一个分支将反射光传输回接收器 由于光纤受使

15、用环境影响小并且抗电磁干扰，因而能被用在一些 特殊的场合，如:适用于真空环境下的真空传导光纤(VFT)和适用于爆炸环境下的光纤.7.2光电元件光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空光电元件 和半导体光电元件两大类它们的工作原理都基于不同形式的光 电效应根据光的波粒二像性,我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子每个光子具有的能量为(7.1)式中,为光波频率;h为普朗克常数,h=6.63对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高,光子能量越大.用光照射某一物体，可以看作是一连串能量为Au的光子轰击在这个物体上,此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应,我们把这种物理现象称为光电效应.通常把光电效应分为三类：4)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,基于外光电效应的光电元件有光电管，光电倍增管等.2)在光线作用下能使