光电式传感器：原理、应用及分类

光电式传感器利用其传感元件的光电效应，将光能量转换为相应的电效应。光电效应可分为外光电效应和内光电效应。

图2-32 光电管原理

a）结构形式 b）电路原理

1—阳极 2—阴极

1.外光电效应

物质在光线作用下，其内部的电子逸出物体表面而向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电管原理如图2-32所示。

由半圆形金属片制成的阴极和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极封装于抽成真空的玻璃壳内。当光线照射到阴极上时，光能量传递给了阴极材料的自由电子。当电子获得的能量足够大时，就会克服金属表面的束缚而逸出，形成电子发射。光电管在工作时，其阳极的电位高于阴极，从阴极表面逸出的电子被阳极吸引，在光电管内形成空间电子流（光电流）。光照度强，阴极材料自由电子获得的能量多，单位时间从阴极发射的电子数量也多，光电流就大。此电流通过测量电路的电阻R_L，输出一个与光照度相对应的电压信号。

2.内光电效应

物质在光线作用下，其电导率发生变化（光电导效应）或产生光电动势（光生伏特效应）的效应称为内光电效应。

（1）光电导效应

半导体材料受到光照时，会产生电子空穴对，使其导电性能增强，光线越强，阻值越低。这种光照后电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。基于光电导效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等，可以用作光敏电阻式传感器的传感元件。这种基于光电导效应的光敏电阻式传感器属于参量型传感器，已在本章第一节提及。

（2）光生伏特效应

由半导体材料构成的PN结在受到光照时，产生一定方向的电动势，光线越强，电动势越高，这种光照后产生光生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。

光电池的原理如图2-33所示。当光线照射PN结时，产生电子和空穴（光生载流子），在PN结内电场E_n的作用下，光生载流子产生漂移运动。P区的光生电子被移向N区，空穴留在了P区，从而使P区带正电荷，N区带负电荷，形成电位差（光生电动势）。

光电池的材料有硅、锗、硒、硫化铊、硫化镉、砷化镓和氧化亚铜等。

3.光电式传感器类型

光电元件在测量中可不接触被测对象，因此光电式传感器通常用于非接触式测量。根据输出信号的方式不同，光电式传感器可分为模拟式和脉冲式两大类。

图2-33 光电池原理

（1）模拟式光电传感器

模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电元件产生与光通量相对应的电信号，即传感器的输出电量是被测物理量的函数。这一类光电传感器依据光源、被测对象和光电元件的关系，又可分为辐射式、透射式、反射式和遮光式等四种类型，如图2-34所示。

1）辐射式。被测物体本身就是光源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电元件的输出可反映光源的某种物理量，典型的应用有光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感、光照度计等。(www.xing528.com)

2）透射式。传感器有一恒定的光源，被测物体位于恒定光源和光电元件之间，根据被测对象对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参量。透射式光电传感器的典型应用有测量液体或气体的透明度、混浊度，对气体进行成分分析，测定液体中某种物质的含量等。

3）反射式。传感器恒定光源发出的光投射到被测物体上，被测物体把部分光反射到光电元件上，反射的光通量与被测物表面状态和性质有关，因而光电元件输出的电量就反映了被测对象的某种物理量。反射式光电传感器的典型应用有测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。

4）遮光式。被测物体位于恒定光源和光电元件之间，光源发出的光照射到光电元件上，被测对象会遮去一部分光通量，使作用在光电元件上的光通量与被测对象的位置有关。遮光式光电传感器可以用于测量物体的长度、厚度、线位移、角位移、振动等。

图2-34 光电传感器的四种类型

a）辐射式 b）透射式 c）反射式 d）遮光式

1—被测对象 2—光电元件 3—恒定光源

（2）脉冲式光电传感器

脉冲式光电传感器的工作方式是光电元件的输出仅有高电平和低电平两种稳定状态，或者说是“通”和“断”的开关状态，因此对光电元件其光电特性的线性度要求不高。脉冲式光电传感器的基本组成部件分是恒光源、光学通道和光电元件。根据从光源照射到光电元件的光学通道形式分类，有反射式和遮光式两种形式，如图2-35所示。

1）遮光式。在发光元件与光电元件之间是一个有透光槽的遮光盘（图2-35a），工作时，发光元件持续发光，遮光盘随被测对象转动，光线间歇性地通过透光槽照射到光电元件上，使光电元件产生反映被测量的电压脉冲。

2）反光式。由发光元件、光电元件及带反光片的回转体组成（图2-35b），回转体可以是传感器的一部分，也可以就是被测对象。工作时，发光元件持续发光，随回转体转动的反光片将光线反射，反射光线间歇性地照射到光电元件上，产生一个反映被测量的电压脉冲。

脉冲式光电传感器不存在非线性误差，结构简单，应用较为广泛。典型的应用有零件或产品的自动计数、转速测量、转角测量、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等。

图2-35 脉冲式光电传感器

a）遮光式 b）反射式

1—发光元件 2—光电元件 3—带透光槽的遮光盘 4—带反光片的回转体

4.光电式传感器的特点与应用

（1）光电式传感器的特点

光电式传感器的特点是灵敏度高、体积小、质量轻、性能稳定，且可实现非接触式测量；其缺点是抗污能力较差，光电元件、光源或光学通道有灰尘或脏污等而影响光通量时，传感器就会产生较大的误差或不能正常工作。

（2）光电式传感器的应用

在汽车上的运用较多的是脉冲式光电传感器，例如：光电式发动机转速与曲轴位置传感器、光电式转向盘转角传感器、光电式车身高度传感器等，均属于遮光式光电传感器。