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一文讀懂光電傳感器工作原理、分類及特性

發(fā)布時(shí)間:2016-12-15 來(lái)源:WW_CGQJS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】光電傳感器是一種小型電子設(shè)備,各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件。它主要是利用光的各種性質(zhì),檢測(cè)物體的有無(wú)和表面狀態(tài)的變化等的傳感器。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn),因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。
 
光電傳感器
 
光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。 把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
 
一文讀懂光電傳感器工作原理、分類及特性
 
光電效應(yīng)原理
 
光電元件是光電傳感器中最重要的組成部分,它的核心工作原理是不同類型的光電效應(yīng)。根據(jù)波粒二象性,光是由光速運(yùn)動(dòng)的光子所組成, 當(dāng)物體受到光線照射時(shí),其內(nèi)部的電子吸收了光子的能量后改變狀態(tài),自身的電性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變,這樣的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。
 
根據(jù)電屬性狀態(tài)的不同變化,將光電效應(yīng)分為以下三種:
 
1)外光電效應(yīng)
 
在光線作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?;谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管,光電倍增管等
 
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2)光電導(dǎo)效應(yīng)
 
半導(dǎo)體內(nèi)的電子吸收光子后不能躍出半導(dǎo)體,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)?;诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻,光敏晶體管等
 
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3)光生伏特效應(yīng)
 
在光線作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池和光敏二極管、三極管等
 
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光電元件工作原理
 
基于不同的光電效應(yīng),我們來(lái)看一下他們分別是如何工作的:
 
外光電效應(yīng)器件
 
利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件,一般都是真空的或充氣的光電器件,如光電管和光電倍增管。
 
以光電管為例,當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí),單個(gè)光子把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子,從而使自由電子的能量增加。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時(shí),它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發(fā)射,這種電子稱為光電子。 只有當(dāng)入射光的頻率高于極限頻率時(shí),才會(huì)產(chǎn)生光電子。
 
一文讀懂光電傳感器工作原理、分類及特性
 
光電子產(chǎn)生之后,被真空管中的陽(yáng)極所吸收,從而產(chǎn)生電流。若此時(shí)增加光照強(qiáng)度,更多的光子將會(huì)照射到陰極材料,從而產(chǎn)生更多光電子,光電流也會(huì)相應(yīng)增加。在電阻R值確定的情況下,回路中的光電流與入射光的光照強(qiáng)度成函數(shù)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化,通過(guò)測(cè)量電路讀取電流數(shù),即可算出光照強(qiáng)度。
 
內(nèi)光電效應(yīng)器件
 
利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件,常見(jiàn)的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。
 
根據(jù)能帶理論,自由原子中電子具有的能量狀態(tài)不是任意的,電子只能存在在一定的能級(jí)上。能帶分為價(jià)帶、禁帶和導(dǎo)帶。電子可以在導(dǎo)帶中流動(dòng),不可以在價(jià)帶中流動(dòng),在外界影響下,電子可由價(jià)帶越過(guò)帶隙進(jìn)入到導(dǎo)帶,從而改變導(dǎo)體的電阻。
 
不同導(dǎo)體的帶隙厚度不一樣,如下圖所示,絕緣體的帶隙較寬,導(dǎo)致電子很難從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶,所以其電阻很大;金屬導(dǎo)體沒(méi)有帶隙,其價(jià)帶和導(dǎo)帶相連,因此導(dǎo)電性能好。
 
一文讀懂光電傳感器工作原理、分類及特性
 
電子吸收光子能量后,由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶從而改變導(dǎo)體電阻的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。利用該效應(yīng)可以制作光敏電阻,通過(guò)觀察電阻的變化來(lái)確定被測(cè)光量。
 
光生伏特效應(yīng)器件
 
光生伏特效應(yīng)簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng),指的是物體在受到光照之后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電池是一種自發(fā)電式的光電元件,它受到光照時(shí)自身能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì),在不加電源的情況下,只要接通外電路,便有電流通過(guò)。具體的工作原理如下:
 
一文讀懂光電傳感器工作原理、分類及特性
 
光伏電池在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積PN結(jié),P區(qū)有大量的空穴,N區(qū)有大量的電子。當(dāng)光照射P區(qū)表面時(shí),若光子能量大于硅的禁帶寬度,則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對(duì),P區(qū)表面吸收的光子越多,激發(fā)的電子空穴越多,越向PN結(jié)區(qū)越少。由于PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的,它使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子—空穴對(duì)分離,光生電子被推向N區(qū),光生空穴被留在P區(qū)。從而使N區(qū)帶負(fù)電,P區(qū)帶正電,形成光生電動(dòng)勢(shì)。若用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū),電路中就有光電流流過(guò)。
 
光電傳感器的分類
 
光電傳感器按檢測(cè)方式分為漫反射型、反射板型、對(duì)射型:
 
一文讀懂光電傳感器工作原理、分類及特性
 
根據(jù)相應(yīng)的檢測(cè)方式有下列這些不同結(jié)構(gòu)的光電傳感器:
 
⑴槽型光電傳感器
 
把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見(jiàn)光,在無(wú)阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí),光被遮擋,光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào),切斷或接通負(fù)載電流,從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。
 
⑵對(duì)射型光電傳感器
 
若把發(fā)光器和收光器分離開(kāi),就可使檢測(cè)距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開(kāi)關(guān)就稱為對(duì)射分離式光電開(kāi)關(guān),簡(jiǎn)稱對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè),檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路,收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
 
⑶反光板型光電開(kāi)關(guān)
 
把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi),在它的前方裝一塊反光板,利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開(kāi)關(guān)。正常情況下,發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到;一旦光路被檢測(cè)物擋住,收光器收不到光時(shí),光電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作,輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
 
⑷擴(kuò)散反射型光電開(kāi)關(guān)
 
它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器,但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測(cè)物通過(guò)時(shí)擋住了光,并把光部分反射回來(lái),收光器就收到光信號(hào),輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。
 
光電傳感器的基本特性包括輸出電流與接收器兩端電壓之間的關(guān)系曲線、輸出電流與發(fā)射器輸入電流之間的關(guān)系曲線、輸出電流隨溫度變化的關(guān)系曲線、脈沖響應(yīng)特性曲線等。
 
光電傳感器的特點(diǎn)
 
在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中有下列特點(diǎn):
 
1、檢測(cè)距離長(zhǎng)
 
如果在對(duì)射型中保留10m以上的檢測(cè)距離等,便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段(磁性、超聲波等) 無(wú)法遠(yuǎn)距離檢測(cè)。
 
2、對(duì)檢測(cè)物體的限制少
 
由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理,所以不象接近傳感器等將檢測(cè)物體限定 在金屬,它可對(duì)玻璃。塑料。木材。液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)。
 
3、響應(yīng)時(shí)間短
 
光本身為高速,并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成,所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間,響應(yīng)時(shí)間非常短。
 
4、分辨率高
 
能通過(guò)高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn),或通過(guò)構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng),來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。
 
5、可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè)
 
可以無(wú)須機(jī)械性地接觸檢測(cè)物體實(shí)現(xiàn)檢測(cè),因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成損傷。因此,傳感器能長(zhǎng)期使用。
 
6、可實(shí)現(xiàn)顏色判別
 
通過(guò)檢測(cè)物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長(zhǎng)和檢測(cè)物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì),可對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。
 
7、便于調(diào)整
 
在投射可視光的類型中,投光光束是眼睛可見(jiàn)的,便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行調(diào)整。
 
光電傳感器的選型
 
光電傳感器使用前的選型需考慮下列因素:
 
檢測(cè)物體
 
1、對(duì)射型(物體被測(cè)面尺寸)
 
2、回歸反射型(物體被測(cè)面尺寸,光澤反射能力強(qiáng)弱)
 
3、擴(kuò)散反射型(物體被測(cè)面尺寸,被測(cè)物體顏色)
 
檢測(cè)方式
 
1、對(duì)射型(投光器+受光器),
 
2、回歸反射型(反射板+投受光器),
 
3、擴(kuò)散反射型(靠物體將投出的光線反射回受光器,固需要確認(rèn)是否有背景物體)
 
輸出形態(tài)
 
1、常開(kāi)(NO)2、常閉(NC)3、常開(kāi)(NO)+常閉(NC)4、常開(kāi)(NO)或常閉(NC)
 
檢測(cè)距離
 
1、對(duì)射型(投光器到受光器的距離),
 
2、回歸反射型(反射板到投受光器的距離),
 
3、擴(kuò)散反射型(被測(cè)物體到投受光器的距離)
 
控制輸出
 
1、晶體管輸出(NPN低電平輸出,PNP高電平輸出)
 
2、繼電器接點(diǎn)輸出
 
工作電源
 
1、直流
 
2、交流
 
3、交直流通用
 
安裝連接方式
 
1、導(dǎo)線引出型(默認(rèn)導(dǎo)線長(zhǎng)度1.2m)
 
2、 接插件型(配接插線需要確認(rèn)直線性或L字型,導(dǎo)線長(zhǎng)度)
 
其他功能
 
延時(shí)功能(E3JM)
 
附 件
 
反射板,安裝配件(固定安裝傳感器使用)
 
隨著自動(dòng)化生產(chǎn)程度的不斷提高,對(duì)傳感器的要求也在不斷提高,這就促使光電傳感器不得不隨著時(shí)代步伐而更新,改善光電傳感器性能必須朝著高靈敏度?高精確度?響應(yīng)速度快?互換性好的方向發(fā)展?
 
本文來(lái)源于傳感器技術(shù)。
 
 
 
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