光电器件在传感器中的应用与组合形式

光电传感器（又称光电开关）一般由光源、光学通路和光电器件三部分组成。光电传感器是采用光电器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，然后借助光电器件进一步转换成电信号。

光电器件是将光能转换为电能，是光电传感器的主要部件。常用的光电器件如下：

一、光敏电阻

光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，没有极性纯粹是一个电阻。当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）无限大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，它的电阻值（亮电阻）急剧下降，因此电路中电流迅速增加。图4.4.1为光敏电阻工作原理示意图，图4.4.2为光敏电阻光电流与光照强度之间的关系曲线及不同的光敏材料对光波波长的敏感范围（光谱特性）。

图4.4.1　光敏电阻工作原理

图4.4.2　光敏电阻的光谱特性

二、光敏二极管与光敏晶体管

光敏二极管的结构与普通二极管相似。它装在透明玻璃中，其PN结装在管的顶部，可以直接感受到光照。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，在没有光照时，光敏二极管的反向电阻很大，光电流很小，该反向电流称为暗电流。光照时反向电阻很小，形成光电流与光的照度成正比。因此光敏二极管不受光照时，处于截止状态；受到光照时，处于导通状态。如图4.4.3所示。

图4.4.3　光敏二极管结构图及基本线路图

光敏晶体管与普通晶体管很相似，具有两个PN结，光敏晶体管的结构图与接线图如图所示。当光照射在集电极上时形成光电流，相当于普通晶体管的基极电流增加，因此集电极电流是光电流的β倍，所示光敏晶体管在将光信号转换为电信号的同时，还能将信号电流加以放大。图4.4.4所示NPN型光电晶体管的结构图和基本电路。

图4.4.4　光电晶体管结构图和基本电路

三、光电管与光电倍增管

光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图4.4.5所示。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。

充气光电管和真空管基本相同，优点是灵敏度高，所不同的仅仅是在玻璃管内充以少量的惰性气体。

图4.4.5　光电倍增管结构示意图

光电倍增管由光电阴极、倍增极以及阳极三部分组成。光电阴极是由半导体光电材料锑铯做成，入射光在它上面打出光电子。倍增极是在镍或铜—铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的。工作时，各个倍增极上均加上电压，阴极K电位最低，从阴极开始各倍增极E1、E2、E3、E4（多的高达30极）电位依次升高，阳极A电位高。光电阴极上所激发的电子，由于各倍增有电场存在，所以阴极激发电子被加速，经过各极倍增管后，能放出更多的电子。阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105～106倍。即光电倍增的放大倍数可达几万倍到几百万倍。在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。

四、光电耦合器件

光电耦合器件是一种将发光元件和接收元件结合的器件，以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器件中的发光元件通常是半导体发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等。根据结构和用途的不同，光电耦合器件又可分为用于实现电隔离的光电耦合器件和用于检测有无物体的光电开关。

用于实现电隔离的光电耦合器件的发光元件和接收元件都装在一个外壳内，常见的组合形式如图4.4.6所示。它具有抗干扰和简单传输的功能，广泛应用于电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器。

图4.4.6　光电耦合器件组合形式(www.xing528.com)

光电开关是用来检测物体的靠近、通过等状态的光电式传感器。它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为开关信号的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的，所以它可以在许多场合得到应用。

1.对射式光电开关 它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物件经过发射和接收器之间且阻断光线时，光电开关就会产生开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置，如图4.4.7（a）所示。

2.镜反射式光电开关 它集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就会产生检测开关信号，如图4.4.7（b）所示。

3.漫反射式光电开关 如图4.4.7（c）所示，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就会产生开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

4.槽式光电开关 通常采用U字形结构，其发射器和接收器分别位于U形槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U形槽且阻断光轴时，光电开关就会产生开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并能分辨透明与半透明的物体，其使用安全可靠，如图4.4.7（d）所示。

5.光纤式光电开关 它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫径向式。如图4.4.7（e）所示。

图4.4.7　各种光电开关工作原理示意图

【拓展知识】

光电传感器应用

1.带材跑偏检测仪

这种装置可以用来检测带状材料在加工过程中偏离正确位置的大小和方向。例如在传送带上运行的瓷砖，如果运动出现走偏现象，就会使其边缘与传送机械发生碰撞摩擦，引起瓷砖受损或断裂，造成废品，同时也可能损坏传送机械。因此，在生产过程中必须自动检测带材的走偏量并随时予以纠正。光电带材跑偏检测仪由光电式边缘位置传感器和测量电桥、放大电路组成。如图4.4.8所示。

由光源发出的光经透镜1会聚成平行光束后，再经透镜2会聚入射到光敏电阻R1上，透镜1、2分别安置在带材合适位置的上、下方，在平行光束到达透镜2的途中，将有部分光线受到被测带材的遮挡，而使光敏电阻受照的光通量减小。R1、R2是同型号的光敏电阻，R1作为测量元件安装在带材下方，R2作为温度补偿元件用遮光罩覆盖。R1 R4组成一个电桥电路，当带材处于正确位置时，通过预调电桥平衡，使放大器的输出电压U0为零。如果带材在移动过程中左偏时，遮光面积减小，光敏电阻的光照增加，阻值变小，电桥失衡，放大器输出负压U0；若带材右偏时，遮光面积增大，光敏电阻的光照减弱，阻值变大，电桥失衡，放大器输出正压U0。输出电压的正负及大小，反映了带材走偏的方向及大小。输出电压一方面由显示器显示出来，另一方面被送到纠偏控制系统，作为驱动执行机构产生纠偏动作的控制信号。

图4.4.8　带材跑偏检测装置

2.光电式转速计

光电式转速传感器分为反射式和直射式两种。

反射式转速传感器的工作原理如图4.4.9（a）所示。用金属箔或荧光纸在被测转轴上，贴出一圈黑白相间的反射条纹，光源发射的光线经透镜、半透镜和聚焦透镜投射在转轴反射面上，反射光经聚焦透镜会聚后，照射在光电元件上产生光电流。该轴旋转时，黑白相间的反射面造成反射光强弱变化，形成频率与转速及黑白间隔数有关的脉冲，使光电元件产生相应的电脉冲。当黑白间隔数一定时，电脉冲的频率便与转速成正比。此电脉冲经测量电路处理后，就可得到轴的转速。

直射式光电转速计的原理如图4.4.9（b）所示。转轴上装有带孔的圆满盘，圆盘的一边设置光源，另一边设置光电元件。圆盘随轴转动，当光线通过小孔时，光电元件产生一电脉冲，转轴连续转动，光电元件就输出一系列与转速及圆盘上孔数成正比的电脉冲数。在孔数一定时，脉冲数就和转速成正比。电脉冲输入测量电路后被放大和整形，再送入频率计显示，也可专门设计一个计数器进行计数和显示。

上述方法可以用来检测辊道窑的运行速度及瓷砖在辊道上的运行状况。

图4.4.9　光电式转速计结构图