光电传感器的工作原理及应用形式详解

光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。应用这种器件检测时，是先将其物理量的变化转换为光量的变化，再通过光电器件转化为电量。其工作原理是利用物质的光电效应。

一、光电效应及分类

物质（金属或半导体）在光的照射下释放电子的现象称为光电效应。从物理学得知，光具有波、粒二重性：光在传播时体现出波动性；当光与物质互相作用时体现出粒子性。此时，光可以被看作是一种以光速运动的粒子流，每一束粒子流称为光子。光子运动的速度c＝3×108m/s，每一个光子的能量为

E＝hf 　（3-54）

式中，f为光的频率；h为普朗克常数。

式（3-54）表明，光子的能量与光的频率成正比。当光照射到某一物体时，就可以看作该物体受到一连串能量为E的光子的轰击，而光电效应就是构成物体的材料能吸收到光子能量的结果。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为三类，即外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。由于后两种效应应用相当广泛，故以下只介绍后两种效应以及典型的常用光电器件。

二、内光电效应及光敏电阻

某些晶体或半导体，在光照射下，吸收一部分光能，使内部原子释放电子，但这些电子仍留在这些物体的内部，使物体导电性能增强，这种现象称为内光电效应或光导效应。能产生内光电效应的器件有光敏电阻（又称光导管）。

光敏电阻的工作原理如图3-62所示，图中2为光敏半导体薄膜，一般为铊、镉、铋的硒化合物或硫化物。当受到光辐射时，它的导电性能加强，电阻值降低。光通量愈大，电阻值愈小，故此电阻称为光敏电阻。

图3-62 光敏电阻

1—绝缘底座；2—半导体薄膜；3—电极

图3-63 光敏电阻材料的感光特性

光敏电阻的阻值变化与光的波长有关。因此，一般根据波长选择材料。如图3-63所示，图中CdS（硫化镉）材料，适用于可见光（0.40～0.75μm）范围；硫化锌（ZnS）材料适用于紫外线范围；硒化铅（PbSe）、化铝（PbTe）等材料，适用于红外线范围。光敏电阻无极性，作纯电阻用。

三、光生伏打效应及典型器件

在半导体与金属或半导体P-N结的结合面上，当受到光照射时，会发生电子与空穴的分离，从而在接触面两边产生电势的现象，称为光生伏打效应。基于光生伏打效应的典型器件有光电池、光敏晶体管等。

1. 光电池

光电池是一种直接将光能转换成电能的半导体器件。其种类较多，在测试中常见的有硒光电池及硅光电池两种。下面以硒光电池为例，简述其结构及工作原理。如图3-64所示，在作为电极的1～2mm厚的金属片上，覆盖一层半导体硒；然后在硒层上，浅镀一层金属薄膜（如黄金），作为另一电极；经热处理后（热扩散），在硒与金属薄膜的分界面上形成阻挡层。当入射光透过半透明的金属薄膜到达半导体时，硒半导体中出现的自由电子和空穴，由于阻挡层的存在，只有其中的自由电子可以顺利通过阻挡层到达金属上，因而，在金属膜上积累更多的电子，而在另一极上积累更多的空穴。因此，两者间除原有接触电位差外，还会产生一附加光生电位差。如用导线组成电路，则电流将从半导体端流出。若光线不断照射，则可连续产生电流。

图3-64 硒光电池

1—半透明金属层；2—阻挡层；3—硒层；4—金属电极

光电池的最大特点是光电转换效率高，一般可达8％～12％，目前最高可达18％（理论值可达20％）。在足够的阳光下，它可以产生100W/m2的电能。硅光电池广泛应用于人造卫星、宇宙飞船及工业自动控制和检测。

2.光敏晶体管

光敏晶体管是一种利用受光照射时载流子增加的半导体光电元件。它与普通晶体管一样也具有P-N结。具有一个P-N结的叫光敏二极管，而具有两个P-N结的叫光敏三极管。

光敏二极管的结构与一般二极管相似，它的P-N结装在管顶上，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。

图3-65 光敏二极管的工作原理

如图3-65所示，无光照时，晶体管工作在截止状态，当光照射在P-N结上时，使少数载流子的浓度大大增加，因此，通过P-N结的反向电流也随之增加。如果入射光照射的强度变化，光生电子-空穴对的浓度也相应变化，通过外电路的光电流强度也随之变化，可见光敏二极管能将光信号转换成电信号输出。

光敏三极管与一般三极管相似，具有两个P-N结。图3-66（a）为N-P-N型光敏三极管的工作原理，当光照射到基极-集电极结上时，就会在结附近产生电子-空穴对，从而形成光电流，再输入到晶体管的基极。由于基极电流增加，因此集电极电流是光生电流的β倍。所以，光敏三极管不但具有把光信号转换成电信号的作用，同时还具有放大作用。光敏三极管的放大系数β决定于基极宽度和发射极的注入效率，一般为几十～几百倍，有的可达1000倍以上，故广泛用于光继电器。但光敏晶体管的电容量大，不适合于高速工作的场合。

图3-66 光敏三极管工作原理及等效电路(https://www.xing528.com)

光敏三极管的等效电路如图3-66（b）所示。

四、光电传感器的应用

由于光电传感器具有结构简单、重量轻、体积小、价格便宜、响应快、性能稳定及具有很高的灵敏度等优点，因此在检测和自动控制等领域中应用很广。

光电传感器按其工作原理可分为模拟式和脉冲式两类。所谓模拟式，是指光敏器件的光电流的大小随光通量的大小而变，为光通量的函数。而脉冲式光敏器件的输出状态仅有两种稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态，即光敏器件受光照射时，有电信号输出，不受光照射时，无电信号输出。

光电传感器在工业应用中可归纳为直射式、透射式、反射式和遮蔽式等四种基本形式。

直射式如图3-67（a）所示，光源本身就是被测物体。被测物体的光通量指向光敏器件，产生光电流输出。这种形式常在光电比色高温计中作光电器件。它的光通量的强度分布和光谱的强度分布都是被测温度的函数。

透射式如图3-67（b）所示，光源的光通量一部分由被测物体吸收，另一部分则穿过被测物体投射到光敏器件上。该形式常用于测量混合气体、液体的透明度、浓度等。

反射式如图3-67（c）所示，光源发射出的光通量投射到被测物体上，被测物体又将部分光通量反射到光敏器件上。反射的光通量取决于被测物体的反射条件。该形式一般用于测量工件表面的粗糙度及测量转速等。

遮蔽式如图3-67（d）所示，光源发射出的光通量投射到被测物体上，被测物体遮蔽光通量改变，则投影到光敏器件上的光通量也跟着改变。这种形式常用于测量位置、位移、振动、频率等，在自动控制中用作自控开关。

下面列举部分实例，说明光敏器件的具体应用。

1.测量工件表面的缺陷

用光电传感器测量工件表面缺陷的工作原理如图3-68所示，激光管1发出的光束经过透镜2、3变为平行光束，再由透镜4把平行光束聚焦在工件7的表面上，形成宽约0.1mm的细长光带。光栏5用于控制光通量。如果工件表面有缺陷（非圆、粗糙、裂纹等），则会引起光束偏转或散射，这些光被硅光电池6接收，即可转换成电信号输出。

图3-67 光敏器件在工业应用中的基本形式

图3-68 检查零件表面缺陷的光电传感器

1—激光管；2、3、4—透镜；5—光栏；6—硅光电池；7—工件

2.测量转速

图3-69所示为用光电传感器测量转速的工作原理。在电机的旋转轴上涂上黑白两种颜色（或粘贴反光物质），当电机转动时，反射光与不反射光交替出现，光电元件相应地间断接收光的反射信号，并输出间断的电信号，再经放大及整形电路输出方波信号，最后由电子数字显示器输出电机的转速。

图3-69 光电转速计工作原理

1—光电元件；2—放大及整形电路

图3-70 光电式数字转速表的工作原理

1—光电器件；2—放大器

3.光电数字转速表

光电数字转速表如图3-70所示，该装置是一种典型的遮蔽式光敏器件。在被测的电机转轴上固定一个调速盘，将光源发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。光线每照射到光敏器件上一次，则该光敏器件就产生一个电信号脉冲，经放大及整形后记录或显示。

若调制盘上开有z个缺口，测量记数时间为t（s），被测转速为n（r/min），则此时得到的计数值c为

c＝ztn/60 　（3-55）