光电传感器与光电开关简介

1.光电效应

光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电（见图5-1）。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。

通过大量的实验（见图5-2）总结出光电效应具有如下实验规律：

1）每一种金属在产生光电效应时都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长（或称红限波长）。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无光电子逸出。

2）光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。

3）光电效应的瞬时性。实验发现，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，响应时间不超过1ns。

4）入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积逸出的光电子数目。

图5-1 光电效应示意

图5-2 光电效应实验

根据元器件的不同，光电效应分为三大类：

第一类是外光电效应：在光线作用下，能使电子逸出物体表面的称为外光电效应，也称为光电子发射效应（见图5-3）。此类光电传感器主要有光电管、光电倍增管，它属于真空光电元件。如图5-4所示为紫外线光电管。

图5-3 外光电效应

图5-4 紫外线光电管

第二类是内光电效应：在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应，又叫做光电导效应（见图5-5）。此类光电传感器有光敏电阻，它属于半导体光电元件。

第三类是阻挡层光电效应：在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称为阻挡层光电效应。此类传感器主要有光电池（见图5-6）和光电晶体管等，它属于半导体光电元件。

2.光敏元器件与光电传感器

光敏元器件是指能将光信号转变为电信号的元器件，有时候又会被称为“光电传感器”。光敏元器件与发光管配合，可以实现电→光、光→电的相互转换。

常见的光敏元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等。

图5-5 内光电效应

图5-6 光电池

1）光敏电阻是在陶瓷基片上沉积一层光敏半导体，再接上两根引线做电极制成的。光敏电阻常用的有碳膜电阻和金属膜电阻，受到光照射后阻值不会发生变化；而光敏电阻的阻值对光的变化则非常敏感，原因在于光敏电阻的材料和结构。它的外壳上有玻璃窗口或透镜，使光线能够入射到光敏半导体薄层上，随着入射光的增强或减弱，半导体的特征激发强度也不一样，使半导体内部的载流子数量发生变化，从而使光敏电阻的阻值跟着改变。常见的有紫外光敏电阻器、可见光敏电阻器、红外光敏电阻器几种，对应的波长不同，使用时不能混淆。光敏电阻的外形及电路符号如图5-7所示。

光敏电阻的主要参数有：①暗电阻（R_D）：光敏电阻器在无光照射时的电阻值称为暗电阻；②亮电阻（R_L）：光敏电阻器在受到光照射时所具有的阻值称为亮电阻；③峰值波长：光敏特性响应最佳时所对应的波长。

2）光敏二极管是由一PN结构成的半导体器件。不是用作整流元件，而是通过它把光信号转换为电信号，即它是一种光电转换器件。如图5-8所示，光敏二极管的两管脚有正、负极之分，靠近管脚和色点的是正极，另一管脚为负极；较长的一脚为正极，较短的一脚为负极。

图5-7 光敏电阻的外形及电路符号(www.xing528.com)

图5-8 光敏二极管的外形与结构

光敏二极管是在反向电压下工作的，在黑暗状态下，由于本征激发微弱，反向电流（此时电流称为暗电流）很小。当有光照时，随着本征激发的增强，少数载流子浓度增加，使得反向电流迅速增大到几十微安，此时的电流称为光电流。光照的强弱变化引起了光敏二极管光电流大小的变化，这样就可以很容易地实现光电信号的转换。在入射光照强度一定时，光敏二极管的反向电流为恒值，与所加反向电压大小基本无关。

光敏二极管的检测方法：①用万用表R×100或R×1k档，与测普通二极管一样，其正向电阻应为10kΩ左右；②对掉两表笔，使光敏二极管工作在反向状态，用一物体遮住光敏二极管的透明窗口，测得的电阻值应接近无穷大；③去掉遮光物，表笔指针应向右偏转至几千欧处，光线越强，电阻值越小。若测得的正反向电阻都是无穷大或零，说明管子已损坏。

3）光敏二极管能实现光电转换，但灵敏度低，使用光敏晶体管就大大提高了光电转换的灵敏度。光敏晶体管为NPN结构，基极即为光射窗口，因此大多数光敏晶体管只有集电极和发射极两个管脚，也有基极有引出脚的，作为温度补偿用，不用时剪去。管脚排列如图5-9所示，靠近色点标志的是发射极，较远的是集电极，引线较长的是基极。

图5-9 光敏晶体管管脚排列

实际应用光敏晶体管作为接收器件时，为提高接收灵敏度，可给它一个适当的偏置电流即施加一个附加光照，使其进入浅放大区，实际安装时发光二极管不要挡住晶体管的受光面，以免影响遥控信号的接收。采用这种办法可以非常有效地提高接收灵敏度，增大遥控距离。

光敏晶体管的检测如图5-10所示。①用遮光物遮住光敏晶体管的窗口，没有光照，光敏晶体管没有电流，测得的阻值应为无穷大；②去掉遮光物，使光敏晶体管的窗口朝向光源，晶体管导通，万用表的指针向右偏转至1kΩ左右，指针偏转角的大小反映了管子的灵敏度。

3.光电开关

光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。以红外线光电开关为例，其所发射的红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380~780nm，发射波长为780nm~1mm的长射线称为红外线，一般红外线光电开关优先使用的是接近可见光波长的近红外线。图5-11所示为各种不同频率与波长的电磁射线。

图5-10 光敏晶体管的检测

图5-12为光电开关的工作原理示意，由光电开关内部振荡回路产生的调制脉冲先经反射电路后，由发射管辐射出光脉冲；当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏二极管，并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数宇积分或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。

常用光电开关的分类是按检测方式来划分的，其可分为反射式、对射式和镜面反射式等几种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。具体反射率见表5-1。

图5-11 电磁射线

图5-12 光电开关的工作原理

表5-1 镜面反射式的具体反射率

图5-13所示为直接反射光电开关，它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，直接反射式的光电开关是首选的检测模式。

图5-13 直接反射光电开关

由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用，如物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其他需要的场合作为防盗警戒之用。

光电开关是现代微电子技术发展的产物，一般具有如下优点：

1）具有自诊断稳定工作区指示功能，可及时告知工作状态是否可靠。

2）对射式、反射式、镜面反射式等光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便。

3）响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到0.1ms，每分钟可进行30万次检测操作，能检出高速移动的微小物体。