光電傳感器是一種小型電子器件，是各種光電檢測系統(tǒng)中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。 它主要是利用光的各種特性來檢測物體存在或不存在以及表面狀況變化的傳感器。 光電傳感器具有非接觸、響應(yīng)速度快、性能可靠等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化設(shè)備和機(jī)器人中。
光電傳感器
光電傳感器一般由光源、光路和光電元件三部分組成。 將測量到的變化轉(zhuǎn)化為光信號的變化，然后借助光電元件將光信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電信號。
光電效應(yīng)原理
光電元件是光電傳感器最重要的組成部分，其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，光是由以光速運(yùn)動的光子組成的。 當(dāng)物體被光照射時(shí)，其內(nèi)部的電子吸收光子的能量并改變其狀態(tài)，其自身的電特性也會發(fā)生變化。 這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。
根據(jù)電性狀態(tài)變化的不同，光電效應(yīng)分為以下三種：
1）外光電效應(yīng)
電子在光的作用下從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。
2）光電導(dǎo)效應(yīng)
半導(dǎo)體中的電子吸收光子后無法跳出半導(dǎo)體，引起物體電導(dǎo)率變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(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)和光伏效應(yīng)。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光電晶體管等。
3）光伏效應(yīng)
在光的作用下，物體在一定方向上產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。基于光伏效應(yīng)的光電元件包括??光伏電池、光電二極管、晶體管等。
光電元件的工作原理
根據(jù)不同的光電效應(yīng)，我們來看看它們是如何工作的：
外置光電效應(yīng)器件
利用物質(zhì)在光照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)制成的光電器件一般為真空或充氣光電器件，如光電管、光電倍增管等。
以光電管為例，當(dāng)入射光照射到陰極時(shí)，單個(gè)光子將其全部能量轉(zhuǎn)移給陰極材料中的自由電子，從而增加了自由電子的能量。 當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的功函數(shù)時(shí)，就能克服金屬表面的約束而逸出，形成電子發(fā)射。 這種類型的電子稱為光電子。 只有當(dāng)入射光的頻率高于極限頻率時(shí)才會產(chǎn)生光電子。
光電子產(chǎn)生后，被真空管中的陽極吸收，從而產(chǎn)生電流。 如果此時(shí)增加光強(qiáng)度，就會有更多的光子照射到陰極材料，從而產(chǎn)生更多的光電子，光電流也會相應(yīng)增加。 當(dāng)電阻R值確定后，環(huán)路中的光電流與入射光的強(qiáng)度呈函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 通過測量電路讀取電流值即可計(jì)算出光強(qiáng)。
內(nèi)部光電效應(yīng)器件
利用物質(zhì)在光照射下改變其導(dǎo)電性或產(chǎn)生電動勢的光電器件稱為內(nèi)光電效應(yīng)器件。 常見的包括光敏電阻、光伏器件和光電晶體管。
根據(jù)能帶理論，自由原子中電子的能態(tài)不是任意的，電子只能存在于一定的能級上。 能帶分為價(jià)帶、禁帶和導(dǎo)帶。 電子可以在導(dǎo)帶中流動，但不能在價(jià)帶中流動。 在外界影響下，電子可以跨越帶隙從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，從而改變導(dǎo)體的電阻。
不同導(dǎo)體的帶隙厚度不同。 如下圖所示，絕緣體的帶隙較寬，使得電子很難從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，因此它的電阻非常大。 金屬導(dǎo)體沒有帶隙，它們的價(jià)帶和導(dǎo)帶是相連的，因此可以很好地導(dǎo)電。
電子吸收光子能量后，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而改變導(dǎo)體的電阻。 這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 利用這種效應(yīng)可以制作光敏電阻，通過觀察電阻的變化就可以確定被測光的量。
光伏效應(yīng)裝置
光伏效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)，是指物體受光后產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。 光伏電池是一種自發(fā)電光電元件。 當(dāng)受到光照時(shí)，能產(chǎn)生一定方向的電動勢。 在沒有電源的情況下，只要連接外部電路，就會有電流流過。 具體工作原理如下：
光伏電池采用擴(kuò)散的方法，在N型硅片上混合一些P型雜質(zhì)，形成大面積的PN結(jié)。 P區(qū)有大量空穴，N區(qū)有大量電子。 當(dāng)光照射P區(qū)表面時(shí)，如果光子能量大于硅的禁帶寬度，則P區(qū)每吸收一個(gè)光子就會產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對。 P區(qū)表面吸收的光子越多，激發(fā)的電子空穴就越多。 空穴越多，PN結(jié)區(qū)域的空穴越少。 由于PN結(jié)中電場的方向是從N區(qū)到P區(qū)，因此它將在PN結(jié)附近擴(kuò)散的電子空穴對分開。 光生電子被推向N區(qū)，光生空穴留在P區(qū)。 結(jié)果，N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電，形成光生電動勢。 如果用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就會流過光電流。
光電傳感器的分類
光電傳感器按檢測方式分為漫反射式、反射板式和對射式：
根據(jù)相應(yīng)的檢測方式，有以下不同結(jié)構(gòu)的光電傳感器：
⑴槽式光電傳感器
光發(fā)射器和接收器面對面安裝在槽的兩側(cè)，即槽型光電器件。 發(fā)射器可以發(fā)射紅外光或可見光，光接收器在沒有遮擋的情況下可以接收到光。 但當(dāng)被檢測物體通過槽時(shí)，光線被阻擋，光電開關(guān)動作。 輸出開關(guān)控制信號，切斷或接通負(fù)載電流，完成一次控制動作。 由于整體結(jié)構(gòu)的限制，槽位開關(guān)的檢測距離一般只有幾厘米。
⑵對射型光電傳感器
如果發(fā)射器和接收器分開，則可以增加檢測距離。 由光發(fā)射器和光接收器組成的光電開關(guān)稱為對射型分離型光電開關(guān)，簡稱對射型光電開關(guān)。 其探測距離可達(dá)數(shù)米甚至數(shù)十米。 使用時(shí)，光發(fā)射器和光接收器安裝在檢測物體經(jīng)過的路徑兩側(cè)。 當(dāng)檢測物體通過，遮擋光路時(shí)，光接收器動作，輸出開關(guān)控制信號。
⑶反射式光電開關(guān)
將發(fā)射器和接收器放入同一裝置中，在其前面安裝一個(gè)反射器，利用反射原理完成光電控制功能的稱為反射器反射式（或鏡面反射式）光電開關(guān)。 正常情況下，光發(fā)射器發(fā)出的光經(jīng)反射器反射后被光接收器接收； 一旦光路被檢測物體遮擋，光接收器無法接收到光線，光電開關(guān)就會動作，輸出開關(guān)控制信號。
⑷漫反射型光電開關(guān)
它的探測頭還裝有光發(fā)射器和光接收器，但前面沒有反射器。 正常情況下，發(fā)射器發(fā)出的光接收器是找不到的。 當(dāng)檢測物體通過時(shí)，它會阻擋光線并將部分光線反射回來。 光接收器接收光信號并輸出??切換信號。
光電傳感器的基本特性包括輸出電流與接收器兩端電壓的關(guān)系曲線、輸出電流與發(fā)射器輸入電流的關(guān)系曲線、輸出電流與溫度的關(guān)系曲線、脈沖響應(yīng)特性曲線等
光電傳感器的特點(diǎn)
它在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中具有以下特點(diǎn)：
1. 檢測距離長
如果對射型保持10m以上的檢測距離，就可以實(shí)現(xiàn)其他檢測方式（磁力、超聲波等）無法實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離檢測。
2、檢測對象限制少
由于檢測原理是基于檢測物體引起的光遮蔽和反射，與將檢測物體限制為金屬的接近傳感器不同，它可以檢測玻璃。 塑料。 木頭。 檢測幾乎所有物體光電效應(yīng)原理圖，例如液體。
3、響應(yīng)時(shí)間短
光本身是高速的，傳感器的電路是由電子部件組成的，所以響應(yīng)時(shí)間很短，不包括機(jī)械操作時(shí)間。
4. 高分辨率
通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)將投影光束集中在一個(gè)小光斑上或構(gòu)建特殊的光接收光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率。 它還可以檢測小物體并進(jìn)行高精度位置檢測。
5、可實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測
無需與檢測物體進(jìn)行機(jī)械接觸即可實(shí)現(xiàn)檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損壞。 因此，傳感器可以長期使用。
6.可實(shí)現(xiàn)顏色辨別
檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)所發(fā)射的光的波長和檢測物體的顏色組合而變化。 利用該特性，可以檢測檢測對象的顏色。
7、調(diào)節(jié)方便
在投射可見光的類型中，投射的光束是肉眼可見的，因此可以輕松調(diào)整檢測到的物體的位置。
光電傳感器選型
使用前選擇光電傳感器應(yīng)考慮以下因素：
檢測物體
1.對射式（被測物體表面尺寸）
2. 回歸反射型（被測物體尺寸、光澤反射強(qiáng)度）
3、漫反射型（被測物體尺寸、被測物體顏色）
檢測方法
1.對射型（發(fā)射器+接收器），
2.回歸反射型（反射板+發(fā)射器和接收器），
3、漫反射型（依靠物體將發(fā)出的光反射回接收器，需要確認(rèn)是否有背景物體）
輸出形式
1. 常開（NO） 2. 常閉（NC） 3. 常開（NO）+常閉（NC） 4. 常開（NO）或常閉（NC）
檢測距離
1.對射型（發(fā)射器到接收器的距離），
2.回歸反射型（反射板到發(fā)射器和接收器的距離），
3、漫反射型（被測物體到發(fā)射器和接收器的距離）
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.直流電
2. 溝通
3、交直流通用
安裝連接方法
1、導(dǎo)線引出式（默認(rèn)線長1.2m）
2、連接器類型（配跳線時(shí)需確認(rèn)直線型還是L型以及線材長度）
其他功能
延時(shí)功能（E3JM）
附錄
反射板、安裝附件（用于固定安裝傳感器）
隨著自動化生產(chǎn)程度不斷提高，對傳感器的要求也越來越高。 這迫使光電傳感器必須跟上時(shí)代的步伐而更新。 為了提高光電傳感器的性能，必須向高靈敏度方向發(fā)展嗎？ 高準(zhǔn)確率？ 快速反應(yīng)？ 朝著互換性好的方向發(fā)展？
光電傳感器是一種小型電子器件，是各種光電檢測系統(tǒng)中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。 它主要是利用光的各種特性來檢測物體存在或不存在以及表面狀況變化的傳感器。 光電傳感器具有非接觸、響應(yīng)速度快、性能可靠等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化設(shè)備和機(jī)器人中。
光電傳感器
光電傳感器一般由光源、光路和光電元件三部分組成。 將測量到的變化轉(zhuǎn)化為光信號的變化，然后借助光電元件將光信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電信號。
光電效應(yīng)原理
光電元件是光電傳感器最重要的組成部分，其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，光是由以光速運(yùn)動的光子組成的。 當(dāng)物體被光照射時(shí)，其內(nèi)部的電子吸收光子的能量并改變其狀態(tài)，其自身的電特性也會發(fā)生變化。 這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。
根據(jù)電性狀態(tài)變化的不同，光電效應(yīng)分為以下三種：
1）外光電效應(yīng)
電子在光的作用下從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。
2）光電導(dǎo)效應(yīng)
半導(dǎo)體中的電子吸收光子后無法跳出半導(dǎo)體，引起物體電導(dǎo)率變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(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)和光伏效應(yīng)。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光電晶體管等。
3）光伏效應(yīng)
在光的作用下，物體在一定方向上產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。基于光伏效應(yīng)的光電元件包括??光伏電池、光電二極管、晶體管等。
光電元件的工作原理
根據(jù)不同的光電效應(yīng)，我們來看看它們是如何工作的：
外置光電效應(yīng)器件
利用物質(zhì)在光照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)制成的光電器件一般為真空或充氣光電器件，如光電管、光電倍增管等。
以光電管為例，當(dāng)入射光照射到陰極時(shí)，單個(gè)光子將其全部能量轉(zhuǎn)移給陰極材料中的自由電子，從而增加了自由電子的能量。 當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的功函數(shù)時(shí)，就能克服金屬表面的約束而逸出，形成電子發(fā)射。 這種類型的電子稱為光電子。 只有當(dāng)入射光的頻率高于極限頻率時(shí)才會產(chǎn)生光電子。
光電子產(chǎn)生后，被真空管中的陽極吸收，從而產(chǎn)生電流。 如果此時(shí)增加光強(qiáng)度，就會有更多的光子照射到陰極材料，從而產(chǎn)生更多的光電子，光電流也會相應(yīng)增加。 當(dāng)電阻R值確定后，環(huán)路中的光電流與入射光的強(qiáng)度呈函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 通過測量電路讀取電流值即可計(jì)算出光強(qiáng)。
內(nèi)部光電效應(yīng)器件
利用物質(zhì)在光照射下改變其導(dǎo)電性或產(chǎn)生電動勢的光電器件稱為內(nèi)光電效應(yīng)器件。 常見的包括光敏電阻、光伏器件和光電晶體管。
根據(jù)能帶理論，自由原子中電子的能態(tài)不是任意的，電子只能存在于一定的能級上。 能帶分為價(jià)帶、禁帶和導(dǎo)帶。 電子可以在導(dǎo)帶中流動，但不能在價(jià)帶中流動。 在外界影響下，電子可以穿過帶隙從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，從而改變導(dǎo)體的電阻。
不同導(dǎo)體的帶隙厚度不同。 如下圖所示，絕緣體的帶隙較寬，使得電子很難從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，因此它的電阻非常大。 金屬導(dǎo)體沒有帶隙，它們的價(jià)帶和導(dǎo)帶是相連的，因此可以很好地導(dǎo)電。
電子吸收光子能量后，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而改變導(dǎo)體的電阻。 這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 利用這種效應(yīng)可以制作光敏電阻，通過觀察電阻的變化就可以確定被測光的量。
光伏效應(yīng)裝置
光伏效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)，是指物體受光后產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。 光伏電池是一種自發(fā)電光電元件。 當(dāng)受到光照時(shí)，能產(chǎn)生一定方向的電動勢。 在沒有電源的情況下，只要連接外部電路，就會有電流流過。 具體工作原理如下：
光伏電池采用擴(kuò)散的方法，在N型硅片上混合一些P型雜質(zhì)，形成大面積的PN結(jié)。 P區(qū)有大量空穴，N區(qū)有大量電子。 當(dāng)光照射P區(qū)表面時(shí)，如果光子能量大于硅的禁帶寬度，則P區(qū)每吸收一個(gè)光子就會產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對。 P區(qū)表面吸收的光子越多，激發(fā)的電子空穴就越多。 空穴越多，PN結(jié)區(qū)域的空穴越少。 由于PN結(jié)中電場的方向是從N區(qū)到P區(qū)，因此它將在PN結(jié)附近擴(kuò)散的電子空穴對分開。 光生電子被推向N區(qū)，光生空穴留在P區(qū)。 結(jié)果，N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電，形成光生電動勢。 如果用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就會流過光電流。
光電傳感器的分類
光電傳感器按檢測方式分為漫反射式、反射板式和對射式：
根據(jù)相應(yīng)的檢測方式，有以下不同結(jié)構(gòu)的光電傳感器：
⑴槽式光電傳感器
光發(fā)射器和接收器面對面安裝在槽的兩側(cè)，即槽型光電器件。 發(fā)射器可以發(fā)射紅外光或可見光，光接收器在沒有遮擋的情況下可以接收到光。 但當(dāng)被檢測物體通過槽時(shí)，光線被阻擋，光電開關(guān)動作。 輸出開關(guān)控制信號，切斷或接通負(fù)載電流，完成一次控制動作。 由于整體結(jié)構(gòu)的限制，槽位開關(guān)的檢測距離一般只有幾厘米。
⑵對射型光電傳感器
如果發(fā)射器和接收器分開，則可以增加檢測距離。 由光發(fā)射器和光接收器組成的光電開關(guān)稱為對射型分離型光電開關(guān)，簡稱對射型光電開關(guān)。 其探測距離可達(dá)數(shù)米甚至數(shù)十米。 使用時(shí)，光發(fā)射器和光接收器安裝在檢測物體經(jīng)過的路徑兩側(cè)。 當(dāng)檢測物體通過，遮擋光路時(shí)，光接收器動作，輸出開關(guān)控制信號。
⑶反射式光電開關(guān)
將發(fā)射器和接收器放入同一裝置中，在其前面安裝一個(gè)反射器，利用反射原理完成光電控制功能的稱為反射器反射式（或鏡面反射式）光電開關(guān)。 正常情況下，光發(fā)射器發(fā)出的光經(jīng)反射器反射后被光接收器接收； 一旦光路被檢測物體遮擋，光接收器無法接收到光線，光電開關(guān)就會動作，輸出開關(guān)控制信號。
⑷漫反射型光電開關(guān)
它的探測頭還裝有光發(fā)射器和光接收器，但前面沒有反射器。 正常情況下，發(fā)射器發(fā)出的光接收器是找不到的。 當(dāng)檢測物體通過時(shí)，它會阻擋光線并將部分光線反射回來。 光接收器接收光信號并輸出??切換信號。
光電傳感器的基本特性包括輸出電流與接收器兩端電壓的關(guān)系曲線、輸出電流與發(fā)射器輸入電流的關(guān)系曲線、輸出電流與溫度的關(guān)系曲線、脈沖響應(yīng)特性曲線等
光電傳感器的特點(diǎn)
它在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中具有以下特點(diǎn)：
1. 檢測距離長
如果對射型保持10m以上的檢測距離，就可以實(shí)現(xiàn)其他檢測方式（磁力、超聲波等）無法實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離檢測。
2、檢測對象限制少
由于檢測原理是基于檢測物體引起的光遮蔽和反射，與將檢測物體限制為金屬的接近傳感器不同，它可以檢測玻璃。 塑料。 木頭。 檢測幾乎所有物體，例如液體。
3、響應(yīng)時(shí)間短
光本身是高速的，傳感器的電路是由電子部件組成的，所以響應(yīng)時(shí)間很短光電效應(yīng)原理圖，不包括機(jī)械操作時(shí)間。
4. 高分辨率
通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)將光束集中在一個(gè)小光斑上或構(gòu)建特殊的光接收光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率。 它還可以檢測小物體并進(jìn)行高精度位置檢測。
5、可實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測
無需與檢測物體進(jìn)行機(jī)械接觸即可實(shí)現(xiàn)檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損壞。 因此，傳感器可以長期使用。
6.可實(shí)現(xiàn)顏色辨別
檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)所發(fā)射的光的波長和檢測物體的顏色組合而變化。 利用該特性，可以檢測檢測對象的顏色。
7、調(diào)節(jié)方便
在投射可見光的類型中，投射的光束是肉眼可見的，因此可以輕松調(diào)整檢測到的物體的位置。
光電傳感器選型
使用前選擇光電傳感器應(yīng)考慮以下因素：
檢測物體
1.對射式（被測物體表面尺寸）
2. 回歸反射型（被測物體尺寸、光澤反射強(qiáng)度）
3、漫反射型（被測物體尺寸、被測物體顏色）
檢測方法
1.對射型（發(fā)射器+接收器），
2.回歸反射型（反射板+發(fā)射器和接收器），
3、漫反射型（依靠物體將發(fā)出的光反射回接收器，需要確認(rèn)是否有背景物體）
輸出形式
1. 常開（NO） 2. 常閉（NC） 3. 常開（NO）+常閉（NC） 4. 常開（NO）或常閉（NC）
檢測距離
1.對射型（發(fā)射器到接收器的距離），
2.回歸反射型（反射板到發(fā)射器和接收器的距離），
3、漫反射型（被測物體到發(fā)射器和接收器的距離）
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.直流電
2. 溝通
3、交直流通用
安裝連接方法
1、導(dǎo)線引出式（默認(rèn)線長1.2m）
2、連接器類型（配跳線時(shí)需確認(rèn)直線型還是L型以及線材長度）
其他功能
延時(shí)功能（E3JM）
附錄
反射板、安裝配件（用于固定安裝傳感器）
隨著自動化生產(chǎn)程度不斷提高，對傳感器的要求也越來越高。 這迫使光電傳感器必須與時(shí)俱進(jìn)。 為了提高光電傳感器的性能，必須向高靈敏度方向發(fā)展嗎？ 高準(zhǔn)確率？ 快速反應(yīng)？ 向著互換性好的方向發(fā)展？