5.1常用光電傳感器5.1.1光電傳感器概述

1.光譜與光度單位

2.光電效應(yīng)與光敏元件5.1.2常用光電傳感器

1.對(duì)射式

2.反射板式

3.直反式5.1.1光電傳感器概述1.光譜與光度單位光是一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波，是能量的一種存在形式，具有波粒二象性。光在傳播過(guò)程中主要表現(xiàn)為波動(dòng)性（稱(chēng)為光波），在同一種介質(zhì)中光的傳播路徑是直線(xiàn)（稱(chēng)為光線(xiàn)）；光在與物質(zhì)的相互作用中主要表現(xiàn)為粒子性（稱(chēng)為光子）。右圖為全波段電磁波譜圖，波長(zhǎng)從6nm～300μm的電磁波為光波，分為紫外光、可見(jiàn)光和紅外光。5.1.1光電傳感器概述1.光譜與光度單位可見(jiàn)光一般是指能引起視覺(jué)效應(yīng)的電磁波，其波長(zhǎng)范圍約在0.38μm～0.78μm之間；根據(jù)視覺(jué)感受，可見(jiàn)光分為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七個(gè)波長(zhǎng)段，對(duì)應(yīng)為七種不同的光色彩，“雨后天晴見(jiàn)彩虹”則是對(duì)可見(jiàn)光不同色彩波長(zhǎng)的最好證明。5.1.1光電傳感器概述1.光譜與光度單位光波長(zhǎng)在0.78μm～300μm左右的電磁波稱(chēng)為“紅外線(xiàn)”，在6nm～0.38μm左右的電磁波稱(chēng)為“紫外線(xiàn)”。紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)不能引起視覺(jué)效應(yīng)，但可以用光學(xué)儀器或攝影器材來(lái)檢測(cè)這種光線(xiàn)的存在。在太陽(yáng)輻射的電磁波中，大于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)被大氣層中的水蒸氣和二氧化碳強(qiáng)烈吸收，小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)被大氣層中的臭氧層吸收，到達(dá)地面的太陽(yáng)光波長(zhǎng)正好與可見(jiàn)光相同。紅外線(xiàn)紫外線(xiàn)5.1.1光電傳感器概述1.光譜與光度單位光的度量方法來(lái)自于電磁波輻射理論，對(duì)應(yīng)的光度量方法及其單位如下：光通量光源在單位時(shí)間內(nèi)以輻射形式發(fā)射、傳播出去的并能使人眼產(chǎn)生光感的能量之和，稱(chēng)為光通量。用符號(hào)Φ表示，單位是流明（lm）。發(fā)光效率光源所發(fā)出的光通量與該光源所消耗的電功率的比值，稱(chēng)為該光源的光效。

單位是流明/瓦（lm/W）。發(fā)光強(qiáng)度光源在某一給定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量稱(chēng)為光源在該方向的發(fā)光強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱(chēng)光強(qiáng)。以I表示，單位是坎德拉（cd）5.1.1光電傳感器概述1.光譜與光度單位照度單位被照面積上接收到的光通量稱(chēng)為照度，用E表示，單位是勒克斯（lx）。如果每平方米被照面上接收到的光通量為11m，則照度為11x，即1lx＝1lm/m2。亮度光源在某一方向上的亮度是光源在該方向上的單位投影面積、單位立體角中發(fā)射的光通量，即視線(xiàn)方向上單位面積的發(fā)光強(qiáng)度。亮度以L(fǎng)表示，單位是每平方米埃德拉（cd/m2）2.光電效應(yīng)與光敏元件光照射到某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)的電特性發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)，可分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。產(chǎn)生光電效應(yīng)的原因是光子對(duì)光敏物質(zhì)的作用。當(dāng)光線(xiàn)照射到光敏物質(zhì)時(shí)，光敏物質(zhì)中的電子會(huì)吸收光子的能量，從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)；當(dāng)高能態(tài)電子足以克服原子核的束縛時(shí)就會(huì)脫離原子核，在外電場(chǎng)作用下參與導(dǎo)電，因而產(chǎn)生了光電效應(yīng)。每個(gè)光子的能量為：式中，h為普朗克常數(shù)（=6.626×10-34J·S），ν為光的頻率，λ為光的波長(zhǎng)，c為光在真空中的傳播速度（=299792456m/S≈3.0×105km/S）。5.1.1光電傳感器概述5.1.1光電傳感器概述（a）（b）光電倍增管2.光電效應(yīng)與光敏元件外光電效應(yīng)是指在光線(xiàn)作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象，也稱(chēng)為光發(fā)射效應(yīng)。其中，向外發(fā)射的電子稱(chēng)為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱(chēng)為光電材料（如：鉑Pt、銀Ag、鋅Zn、銫Cs、銻Sb等）?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有如光電管、光電倍增管等，主要用于生物發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、色譜分析、射線(xiàn)探測(cè)、光子計(jì)數(shù)和微光探測(cè)等。光電倍增管檢測(cè)電路5.1.1光電傳感器概述2.光電效應(yīng)與光敏元件內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線(xiàn)作用下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體表面，而使物體的電阻率發(fā)生變化、產(chǎn)生光電流或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，可分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生電流、光生伏特效應(yīng)和紅外熱釋電效應(yīng)。對(duì)應(yīng)的器件有如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等。

光敏電阻光敏二極管光敏三極管硅光電池5.1.1光電傳感器概述2.光電效應(yīng)與光敏元件光敏電阻利用的是光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照到半導(dǎo)體材料時(shí)，晶格原子或參雜原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量被激發(fā)，產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)參與導(dǎo)電，引起半導(dǎo)體材料阻值下降，電導(dǎo)率升高；當(dāng)光照停止后，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。5.1.1光電傳感器概述2.光電效應(yīng)與光敏元件光敏二極管、光敏三極管的工作原理是基于光生電流。當(dāng)光照射到器件的PN結(jié)上時(shí)，PN結(jié)區(qū)的電子吸收光子的能量被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在外加反偏電壓的作用下，使反向電流增加，形成光電流，且光電流隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。5.1.1光電傳感器概述2.光電效應(yīng)與光敏元件硅光電池利用的是光生伏特效應(yīng)。它是在一塊硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成薄P層的大面積PN結(jié)。當(dāng)光照射到P區(qū)表面時(shí)，薄P層的電子吸收光子能量產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光電子被吸到N區(qū)，空穴保留在P區(qū)，從而使P區(qū)帶正電、N區(qū)帶負(fù)電，形成光生電動(dòng)勢(shì)。5.1.2常用光電傳感器利用半導(dǎo)體光電敏感元件可以制作各種光電傳感器，其特點(diǎn)是反應(yīng)速度快、能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量（如定位、分類(lèi)和計(jì)數(shù)測(cè)量等），而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、檢測(cè)與自動(dòng)化控制、物流控制、印刷包裝及門(mén)控行業(yè)等。ST5000單光束反射式紅外光電傳感器金屬殼光敏電阻紅外線(xiàn)反射感應(yīng)水龍頭5.1.2常用光電傳感器光電傳感器按組成結(jié)構(gòu)分為一體式和分體式。一體式光電傳感器的光源和光電敏感元件同時(shí)安裝在U型槽的兩臂內(nèi)側(cè)，主要用于半透明或不透明物品的檢測(cè)與計(jì)數(shù)，如工件位置檢測(cè)、紙張計(jì)數(shù)、條形碼識(shí)別等；分體式光電傳感器分為光發(fā)射器和光接收器，光發(fā)射器和光接收器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接收器。一體對(duì)射式光電傳感器分體對(duì)射式光電傳感器一體反射式光電傳感器5.1.2常用光電傳感器光電傳感器檢測(cè)最常用的方式是對(duì)射式、反射板式和直反式。1.對(duì)射式對(duì)射式是最早使用的一種光電檢測(cè)模式，其傳感器采用分體式。發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)接收器發(fā)射光線(xiàn)，當(dāng)被測(cè)物擋住光束時(shí)，接收器輸出光線(xiàn)被遮擋產(chǎn)生的變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。對(duì)射安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有：光路對(duì)準(zhǔn)使最大數(shù)量的發(fā)射光到達(dá)接收器，發(fā)射光要位于接收區(qū)域的中央位置。檢測(cè)距離指?jìng)鞲衅鞯陌l(fā)射器與接收器之間的最大距離，發(fā)射器與接收器的安裝距離必須小于最大距離，以保證檢測(cè)的可靠性。有效光束從光源發(fā)出的光線(xiàn)通常是以錐形傳播，則有效光束是指發(fā)射的所有光束中起作用的那部分光能5.1.2常用光電傳感器2.反射板式。反射板式的檢測(cè)模式中，采用一體式光電傳感器，及傳感器中既有發(fā)射器又有接收器。發(fā)射器發(fā)射光照到反射板上，反射光再返回接收器上。當(dāng)物體擋住光束時(shí)，被測(cè)物就被檢測(cè)到了。一體反射式光電傳感器反射式光電傳感器檢測(cè)原理結(jié)構(gòu)5.1.2常用光電傳感器2.反射板式。反射板通常是由幾何微棱鏡組成的矩陣，每個(gè)棱鏡有三個(gè)互相垂直的平面和一個(gè)斜面。光束從斜面射入，經(jīng)其他三個(gè)面反射后從這個(gè)斜面上平行的返回，它能將入射光以偏離垂直線(xiàn)最大20°的角度反射回來(lái)，這樣就使對(duì)準(zhǔn)非常容易。多數(shù)棱鏡式反射板由透明丙烯酸塑料壓鑄而成，具有多種尺寸和外形。反射板中的微棱鏡不同尺寸、形狀的棱鏡式反射板5.1.2常用光電傳感器2.反射板式。在反射板式的檢測(cè)模式中，傳感器和反射板的安裝與被檢測(cè)對(duì)象的表面特性密切相關(guān)：水平斜角安裝如果一個(gè)表面很平很亮的物體總是沿固定的方向經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域，那么可以將傳感器和反射板水平斜角安裝，以使被測(cè)物表面反射回來(lái)的光回不到傳感器，傾斜角度通常為10~15°，斜角安裝可消除干擾。傾斜安裝如果光亮被測(cè)物表面是圓形或被測(cè)物是以不確定的角度進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，此時(shí)可以將傳感器和反射板水平及垂直方向均旋轉(zhuǎn)一定角度，這樣通常情況下可以解決問(wèn)題。如問(wèn)題仍不能解決，則考慮使用偏振反射板式或?qū)ι涫綑z測(cè)模式。光路對(duì)準(zhǔn)近年來(lái)，隨著LED技術(shù)的不斷提高，使用可見(jiàn)光光源的發(fā)射器逐步增多。當(dāng)使用可見(jiàn)光光源時(shí)，當(dāng)我們?cè)诜瓷浒迳峡吹娇梢?jiàn)光時(shí)，光路基本就對(duì)準(zhǔn)了。5.1.2常用光電傳感器3.直反式。在實(shí)際應(yīng)用中，淺色或白色紙張有一定的光反射作用；當(dāng)背景為灰色或黑色時(shí)，反射光很弱；二者反射光強(qiáng)的差異也能可靠地用光敏元件區(qū)別，并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，此種方式稱(chēng)為直接反射式。例如：復(fù)印機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)的計(jì)數(shù)。直反式采用一體式傳感器，發(fā)射器發(fā)出的光以多種角度照到被測(cè)物表面上，被測(cè)物表面同樣以多種角度對(duì)入射光進(jìn)行反射，其中只有很小的一部分被反射回接收器。直反式檢測(cè)模式對(duì)光能的利用率相對(duì)較低，適用于具有亮白表面的被測(cè)物檢測(cè)。多數(shù)直反式傳感器都加裝鏡頭，一是校準(zhǔn)發(fā)射光，使其更加集中；二是匯集和聚焦反射光，以便獲得更強(qiáng)的反射光。拓展提高

光電安全保護(hù)器光電安全保護(hù)器又稱(chēng)為紅外線(xiàn)光電安全光柵（或光幕），是通過(guò)一組紅外線(xiàn)光束，形成保護(hù)光柵，當(dāng)光柵出現(xiàn)被遮擋時(shí)，光電保護(hù)裝置發(fā)出信號(hào)，控制具有潛在危險(xiǎn)的機(jī)械設(shè)備停止工作，以降低作業(yè)人員在工作環(huán)境中受到傷害的可能性，有效保護(hù)作業(yè)人員的人身安全。其組成單元有：發(fā)光器：由若干發(fā)光單元組成，發(fā)射紅外光線(xiàn)。受光器：由若干受光單元組成，接受紅外光線(xiàn)，與發(fā)光器對(duì)應(yīng)，形成保護(hù)光幕，產(chǎn)生通光、遮光信號(hào)，通過(guò)信號(hào)電纜傳輸?shù)娇刂破??？刂破鳎簽榘l(fā)光器、受光器供電，并處理受光器產(chǎn)生的通光、遮光信號(hào)，產(chǎn)生控制信號(hào)，控制機(jī)床的制動(dòng)或其他設(shè)備的報(bào)警，實(shí)現(xiàn)機(jī)床停車(chē)或安全報(bào)警。信號(hào)電纜：用來(lái)傳輸控制器和發(fā)光器、受光器之間的信號(hào)。控制電纜：用來(lái)連接控制器和機(jī)床、設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床或其他設(shè)備的安全控制。拓展提高

光電安全保護(hù)器光電安全保護(hù)器工作原理：發(fā)光器發(fā)出的光直射到受