光电式传感器的典型应用举例

1.光电式传感器的模拟量检测

（1）光电比色温度计

光电比色温度计是根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温的一个典型例子。根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长λ1、λ2上的Iλ1、Iλ2之比与该物体的温度成指数关系。

式中，K1、K2是与λ1、λ2及物体的黑度有关的常数。

因此，只要测出Iλ1、Iλ2之比，就可算出物体的温度T。如图8-10所示为光电比色温度计的原理图。

测温对象1发出的辐射光经物镜2投射到半透半反镜3上，它将光线分为两路：第一路光线经反射镜4、目镜5到达使用者的眼睛6，以便瞄准测温对象；第二路光线穿过半透半反镜成像于光阑7，通过光导棒8混合均匀后投射到分光镜9上，分光镜的功能是使红外光通过、可见光反射。红外光透过分光镜到达滤光片10，滤光片的功能是进一步起滤光作用，它只让红外光中的某一特定波长λ1的光线通过，最后被硅光电池11所接收，转换为与Iλ1成正比的光电流I1。滤光片12的作用是只让某一特定波长的光线通过，最后被硅光电池13所接收，转换为与Iλ2成正比的光电流I2。I1、I2分别经过电流/电压变换器14、15转换为电压U1、U2，再经过运算电路16算出U1/U2值。由于U1/U2值可以代表Iλ1/Iλ2。故采用一定的办法可以计算出被测物的温度T，由显示器17显示出来。

图8-10　光电比色温度计原理图

1—测温对象；2—物镜；3—半透半反镜；4—反射镜；5—目镜；6—观察者的眼睛；7—光阑
8—光导棒；9—分光镜；10、12—滤光片；11、13—硅光电池；14、15—电流/电压变换器；16—运算电路；17—显示器

（2）光电式烟尘浓度计

工厂烟囱烟尘的排放是环境污染的重要来源，为了控制和减少烟尘的排放量，对烟尘的监测是必要的。如图8-11所示为光电式烟尘浓度计的原理图。

图8-11　光电式烟尘浓度计原理图

1—光源；2—聚光透镜；3—半透半反镜；4—反射镜
5—被测烟尘；6、7—光电三极管；8—运算电路；9—显示器

光源1发出的光线经半透半反镜3分成两束强度相等的光线，一路光线直接到达光电三极管7上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号。另一路光线穿过被测烟尘5到达光电三极管6上，其中一部分光线被烟尘吸收或折射，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光电三极管6的光通量就越小。两路光线均转换成电压信号U1、U2，由运算电路8计算出U1/U2的比值，并进一步算出被测烟尘的浓度。

采用半透半反镜3及光电三极管7作为参比通道的好处是：当光源的光通量由于种种原因有所变化或因环境温度变化引起光电三极管灵敏度发生改变时，由于两个通道结构完全一样，所以在最后运算U1/U2值时，上述误差可自动抵消，减小了测量误差。根据这种测量方法也可以制作烟雾报警器，从而及时发现火灾现场。

（3）光电式边缘位置检测器

光电式边缘位置检测器用来检测带型材料在生产过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。例如，在冷轧带钢厂中，一些工艺采用连续生产方式，如连续酸洗、退火、镀锡等。带钢在上述运动过程中易产生走偏。带材走偏时，边缘便因常与传送机械发生碰撞而出现卷边，造成废品。在其他工业部门，如印染、造纸、胶片、磁带等生产过程中也会发生类似问题。

如图8-12（a）所示为光电式边缘位置检测传感器的原理图。

光源1发出的光线经透镜2会聚为平行光束投射到透镜3，再被会聚到光敏电阻4（R1）上。在平行光束到达透镜3的途中，有部分光线受到被测带材5的遮挡，从而使到达光敏电阻的光通量减小。

如图8-12（b）所示为测量电路简图。图中，R1、R2是同型号的光敏电阻，R1作为测量元件装在带材下方，R2用遮光罩罩住，起温度补偿作用，当带材处于正确位置（中间位置）时，由R1、R2、R3、RP组成的电桥平衡，放大器输出电压UO为零。当带材左偏时，遮光面积减小，到达光敏电阻的光通量增大，光敏电阻的阻值R1随之减小，电桥失去平衡，差分放大器将平衡电压加以放大，输出电压UO为正值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，UO为负值。输出信号UO一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。需要说明，输出电压仅作为控制信号，而不要求精确测量带材偏离的大小，所以光电元件可用光敏电阻。

图8-12　光电式边缘位置检测器传感器

1—光源；2、3—透镜；4—光敏电阻；5—被测带材；6—遮光罩

2.光电式传感器的数字量检测

光电开关和光电断续器是光电式传感器的数字量检测的常用器件，它们是用来检测物体的靠近、通过等状态的光电式传感器。近年来，随着生产自动化、机电一体化的发展，光电开关及光电断续器已发展成系列产品，其品种及产量日益增加。从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外发射元件与光敏接收元件组成的，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达数十米。

（1）光电开关

光电开关可分为两类：遮断型和反射型，如图8-13所示。

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图8-13　光电开关类型及应用

1—发射器；2—接收器；3—被测物；4—反射镜

图8-13（a）中，发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个电脉冲信号。反射型分为两种情况：反射镜反射型及被测物体反射型（简称散射型），分别如图8-13（b）、（c）所示。反射镜反射型传感器单侧安装，需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果，它的检测距离不如遮断型。散射型安装最为方便，并且可以根据被检测物上的黑白标记来检测，但散射型的检测距离较小，只有几百毫米。

光电开关中的发射器一般采用功率较大的红外发光二极管（红外LED）。而接收器可采用光敏三极管、光敏达林顿三极管或光电池。为了防止日光的干扰，可在光敏元件表面加红外滤光透镜。其次，LED可用高频（40kHz左右）脉冲电流驱动，从而发射调制光脉冲，相应地，接收光电元件的输出信号经选频交流放大器及解调器处理，可以有效地防止太阳光的干扰。

光电开关可用于生产流水线上统计产量、检测装配件到位与否以及装配质量（如瓶盖是否压上、标签是否漏贴等），并且可以根据被测物的特定标记给出自动控制信号。目前，它已广泛地应用于自动包装机、自动灌装机和装配流水线等自动化机械装置中。

（2）光电断续器

光电断续器的工作原理与光电开关相同，但其光电发射、接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，所以两者能可靠地对准。光电断续器也可分成遮断型和反射型两种。遮断型（也称槽型）的槽宽、槽深及光敏元件各不相同，并已形成系列化产品，可供用户选择。反射型的检测距离较小，多用于安装空间较小的场合。由于检测范围小，光电断续器的发光二极管可以直接用直流电驱动，红外LED的正向压降为1.2～1.5V，驱动电流控制在几十毫安。光电断续器的两种类型的结构如图8-14所示。

光电断续器是价格便宜、结构简单、性能可靠的光电器件，它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。例如，在复印机中，它被用来检测复印纸的有无；在流水线上检测细小物体的通过及透明物体的暗色标记，以及检测物体是否靠近的接近开关、行程开关等。如图8-15所示为光电断续器的部分应用。

（3）光电式转速表

由于机械式转速表和接触式电子转速表精度不高，且影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速表有反射式和透射式两种，它可以在距被测物数十毫米处非接触地测量其转速。由于光电器件的动态特性较好，因此可以用于高转速的测量而又不影响被测物的转动。图8-16为利用光电开关制成的反射式光电转速表的原理图。

图8-14　光电断续器

1—发光二极管；2—红外光；
3—光电元件；4—槽；5—被测物

图8-15　光电断续器的应用实例

图8-16　光电式转速表原理图

1—光源；2、5—透镜；3—被测旋转物；4—反光纸；6—光敏二极管
7—遮光罩；8—放大整形电路；9—频率计电路；10—显示器；11—时基电路

光源1发出的光线经透镜2会聚成平行光束照射到旋转物3上，光线经事先粘贴在旋转物体上的反光纸4反射回来，经透镜5聚焦后落在光敏二极管6上，它产生与转速对应的电脉冲信号，经放大整形电路8得到电平的脉冲信号，经频率计电路9处理，再由显示器10显示出每分钟或每秒钟的转数（即转速）。反光纸在圆周上可等分地贴多个，从而减少误差和提高精度。这里由于测量的是数字量，所以可不用参比信号。事实上，图8-16中的光源、透镜、光敏二极管和遮光罩就组成了一个光电开关。

应该指出，用被测物反射形式的光电传感器并不仅仅用于数字量的检测，也可用于模拟量的检测，如纸张白度的测量。而用于模拟量检测的光路系统就与数字量的不同，除检测信号外，还必须有参比信号。

拓展阅读

光电效应概述

光电效应由德国物理学家赫兹（M.Hertz）于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。

赫兹在证明波动理论实验中首次发现光电效应。当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳出电花。

大约1900年，布兰科（M.Planck）对光电效应做出最初解释，并引出了光具有的包裹式能量（quantised）这一理论。他给这一理论归纳成一个等式，也就是E＝hf，E就是光所具有的“包裹式”能量，h是一个常数，统称布兰科常数（Planck'sconstant），f就是光源的频率。也就是说，光能的强弱是由其频率所决定的。然而就是布兰科自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。

1902年，勒纳（Lenard）也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象，但其无法根据当时的理论加以解释。

1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式Ek＝hf－W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量，而Ek就是电子自由后具有的势能。

金属表面在光辐照作用下发射电子的现象叫作效应，发射出来的电子叫作光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫作极限频率。临界值取决于金属材料，发射电子的能量取决于光的波长，而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过10－9s。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位（即光子或光量子）所组成的。

光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关，光是电磁波，但是光是高频振荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。光电效应说明了光具有粒子性。