光电传感器工作原理及分类

工程师周亮 发表于 2018-09-06 16:29:27 收藏 已收藏
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光电传感器工作原理及分类

工程师周亮 发表于 2018-09-06 16:29:27

光电传感器是一种小型电子设备,各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件。它主要是利用光的各种性质,检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。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。

光电传感器

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 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。

光电传感器工作原理及分类

光电效应原理

光电元件是光电传感器中最重要的组成部分,它的核心工作原理是不同类型的光电效应。根据波粒二象性,光是由光速运动的光子所组成, 当物体受到光线照射时,其内部的电子吸收了光子的能量后改变状态,自身的电性质也会发生改变,这样的现象称为光电效应。

根据电属性状态的不同变化,将光电效应分为以下三种:

1)外光电效应

在光线作用下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

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2)光电导效应

半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体,使物体的电导率发生变化,或产生光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为光电导效应和光生伏特效应。基于光电导效应的光电元件有光敏电阻,光敏晶体管等

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3)光生伏特效应

在光线作用下,物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件有光电池和光敏二极管、三极管等

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光电元件工作原理

基于不同的光电效应,我们来看一下他们分别是如何工作的:

外光电效应器件

利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件,一般都是真空的或充气的光电器件,如光电管和光电倍增管。

以光电管为例,当入射光照射在阴极上时,单个光子把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子,从而使自由电子的能量增加。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功时,它就可以克服金属表面束缚而逸出,形成电子发射,这种电子称为光电子。 只有当入射光的频率高于极限频率时,才会产生光电子。

光电传感器工作原理及分类

光电子产生之后,被真空管中的阳极所吸收,从而产生电流。若此时增加光照强度,更多的光子将会照射到阴极材料,从而产生更多光电子,光电流也会相应增加。在电阻R值确定的情况下,回路中的光电流与入射光的光照强度成函数关系,从而实现光电转化,通过测量电路读取电流数,即可算出光照强度。

内光电效应器件

利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件,常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

根据能带理论,自由原子中电子具有的能量状态不是任意的,电子只能存在在一定的能级上。能带分为价带、禁带和导带。电子可以在导带中流动,不可以在价带中流动,在外界影响下,电子可由价带越过带隙进入到导带,从而改变导体的电阻。

不同导体的带隙厚度不一样,如下图所示,绝缘体的带隙较宽,导致电子很难从价带跃迁至导带,所以其电阻很大;金属导体没有带隙,其价带和导带相连,因此导电性能好。

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电子吸收光子能量后,由价带跃迁至导带从而改变导体电阻的现象称为内光电效应。利用该效应可以制作光敏电阻,通过观察电阻的变化来确定被测光量。

光生伏特效应器件

光生伏特效应简称光伏效应,指的是物体在受到光照之后产生电动势的现象。光电池是一种自发电式的光电元件,它受到光照时自身能产生一定方向的电动势,在不加电源的情况下,只要接通外电路,便有电流通过。具体的工作原理如下:

光电传感器工作原理及分类

光伏电池在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成的一个大面积PN结,P区有大量的空穴,N区有大量的电子。

当光照射P区表面时,若光子能量大于硅的禁带宽度,则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子—空穴对,P区表面吸收的光子越多,激发的电子空穴越多,越向PN结区越少。

由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的,它使扩散到PN结附近的电子—空穴对分离,光生电子被推向N区,光生空穴被留在P区。从而使N区带负电,P区带正电,形成光生电动势。若用导线连接P区和N区,电路中就有光电流流过。

光电传感器的分类

光电传感器按检测方式分为漫反射型、反射板型、对射型:

光电传感器工作原理及分类

根据相应的检测方式有下列这些不同结构的光电传感器:

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。

⑷扩散反射型光电开关

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。

光电传感器的基本特性包括输出电流与接收器两端电压之间的关系曲线、输出电流与发射器输入电流之间的关系曲线、输出电流随温度变化的关系曲线、脉冲响应特性曲线等。

光电传感器的特点

在工业生产应用中有下列特点:

1、检测距离长

如果在对射型中保留10m以上的检测距离等,便能实现其他检测手段(磁性、超声波等) 无法远距离检测。

2、对检测物体的限制少

由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理,所以不象接近传感器等将检测物体限定 在金属,它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。

3、响应时间短

光本身为高速,并且传感器的电路都由电子零件构成,所以不包含机械性工作时间,响应时间非常短。

4、分辨率高

能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点,或通过构成特殊的受光光学系统,来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

5、可实现非接触的检测

可以无须机械性地接触检测物体实现检测,因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此,传感器能长期使用。

6、可实现颜色判别

通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质,可对检测物体的颜色进行检测。

7、便于调整

在投射可视光的类型中,投光光束是眼睛可见的,便于对检测物体的位置进行调整。

光电传感器的选型

光电传感器使用前的选型需考虑下列因素:

检测物体

1、对射型(物体被测面尺寸)

2、回归反射型(物体被测面尺寸,光泽反射能力强弱)

3、扩散反射型(物体被测面尺寸,被测物体颜色)

检测方式

1、对射型(投光器+受光器),

2、回归反射型(反射板+投受光器),

3、扩散反射型(靠物体将投出的光线反射回受光器,固需要确认是否有背景物体)

输出形态

1、常开(NO)2、常闭(NC)3、常开(NO)+常闭(NC)4、常开(NO)或常闭(NC)

检测距离

1、对射型(投光器到受光器的距离),

2、回归反射型(反射板到投受光器的距离),

3、扩散反射型(被测物体到投受光器的距离)

控制输出

1、晶体管输出(NPN低电平输出,PNP高电平输出)

2、继电器接点输出

工作电源

1、直流

2、交流

3、交直流通用

安装连接方式

1、导线引出型(默认导线长度1.2m)

2、 接插件型(配接插线需要确认直线性或L字型,导线长度)

其他功能

延时功能(E3JM)

附 件

反射板,安装配件(固定安装传感器使用)

随着自动化生产程度的不断提高,对传感器的要求也在不断提高,这就促使光电传感器不得不随着时代步伐而更新,改善光电传感器性能必须朝着高灵敏度、高精确度、响应速度快、互换性好的方向发展。

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