光电传感器调研报告
前言：
在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。
一、理论基础——光电效应
光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。
光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。
根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数，h＝*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：
式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。
由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。
相应的波长为式中，c为光速，A为逸出功。
当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。它属于内光电效应。当光照在半导体上是，若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度，则电子从价带跃迁到导带，形成电子，同时，价带留下相应的空穴。电子、空穴仍留在半导体内，并参与导电在外电场作用下形成的电流。除金属外，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著，根据光导效应制造的光电元件有固有入射光频率，当光照在光电阻上，其导电性增强，电阻值下降。光强度愈强，其阻值愈小，若停止光照，其阻值恢复到原阻值。半导体受光照射产生电动势的现象称为光生伏特效应，据此效应制造的光电器件有光电池，光电二极管，管控晶闸管和光耦合器等。
二、光电传感器原理
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图6，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
光电传感器一般由三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路，发送器对准目
标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维，三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜μA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。
三、光电传感器代表生产
代表生产商：新光电子株式会社创立于1974年，专业致力于光电传感器、发光受光元器件等光电半导体的研发、生产和销售。
新光电子经过38年的发展和壮大，积累了丰富的专业技术经验，取得业界和广大客户的一致认可。现公司已经拥有一大批经验丰富的光学电子专业人才；拥有1000多㎡的无尘车间和先进的研发、生产和检验设备。并在广东省珠海市设立独资子公司：珠海日嘉新光电子有限公司。为确保每个产品的品质，完全实施日系管理模式，执行特有的禁止返修工艺。
新光电子产品广泛应用在金融设备，交通设备，医疗设备，OA设备，游戏机，自动化等行业设备。
部分应用机器设备：金融金钱机器：ATM,自动取款机，自动存取款一体机，自动售货机，各种自助终端设备等。交通机器：地铁、高铁、铁路等的票务机器设备，自动售票机，自动检票机，站台安全门等。游戏机：推币机，玛丽机，嘉年华，投币器，退币器等。办公机器：条码打印机，传真机，复印机，打印机等。
型号：KI,KB,KR,KP,KA等系列
种类：光电
封装形式：防尘，PCB直插，连接头，软线等形式
感性距离：1mm~2000mm
技术参数查询：
品牌：SHINKOH ELECS
输出信号：模拟型，数字型（施密特电路），抗干扰型等
四．传感器指标
技术指标：
传感器具有防水、抗凝、精确度高、稳定性好、寿命长、适合野外使用等优良性能。数据采集终端使用嵌入式操作系统及无线通信收发模块集成，采用模块化设计易扩展，适应多种类型传感器，可以定时休眠和唤醒，可同时滚存数百组数据。
信息数据传输采用频传输协议完成区域自动智能组网传输，采用GPRS完成超远距传输和互联网对接传输。能源配置有电池、太阳能和电网等多种能源支持方式。管理接收主控具有USB口或串口接收环境信息数据，可以扩展终端机和传感器，可以增加和修改传感器公式，可以支持多品种传感器，具有网络接口可以进行互联网应用，可以数据导出，有显示接口可以接液晶显示屏，有硬盘扩展接口可以增加存储容量，有大型数据库系统可以存储和管理大流量数据。
智能控制器采用模块化设计，具有与主控数据交互功能，能完成多通道、多类型设备的管理和控制，具有人机交互功能，能完成人工控制管理，具有安全工作保障功能，使用嵌入式软件完成可选、可修订的多阶段控制系统。
性能指标：
1.灵敏度：指沿着传感器测量轴方向对单位振动量输入x 可获得的电压信号输出值u，即s=u/x。与灵敏度相关的一个指标是分辨率，这是指输出电压变化量△u 可加辨认的最小机械振动输入变化量△x 的大小为了测量出微小的振动变化，传感器应有较高的灵敏度。
2.使用频率范围：指灵敏度随频率而变化的量值不超出给定误差的频率区间。其两端分别为频率下限和上限。为了测量静态机械量，传感器应具有零频率响应特性。传感器的使用频率范围，除和传感器本身的频率响应特性有关外，还和传感器安装条件有关（主要影响频率上限）。
3.动态范围：动态范围即可测量的量程，是指灵敏度随幅值的变化量不超出给定误差限的输入机械量的幅值范围。在此范围内，输出电压和机械输入量成正比，所以也称为线性范围。动态范围一般不用绝对量数值表示，而用分贝做单位，这是因为被测振值变化幅度过大的缘故，以分贝级表示使用更方便一些。
4.相移：指输入简谐振动时，输出同频电压信号相对输入量的相位滞后量。相移的存在有可能使输出的合成波形产生崎变，为避免输出失真，要求相移值为零或Π，或者随频率成正比变化。
五、光电元件
根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。
1.光电管
光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图1所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为
光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图2所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从
而实现光电转换。当光线照射到光电阴极K 上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I ，在负载电阻 上的电压
光电管的光电特性如图 3 所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。
2. 4
从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极K 和一个阳极A ，与光电管不同的是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3…它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、…，倍增电极通常为10～15级。光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。当入射光照射阴极K 时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极D1加速，以高速轰击D1 ，引起二次电子发射，一个入射的光电
子可以产生多个二次电子， D1发射出的二次电子又被D1、D2问的电场加速，射向D2并再次产生二次电子发射……，这样逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。若倍增电极有n 级，各级的倍增率为σ ，则光电倍增管的倍增率可以认为是σN ，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA 的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。
3、光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下：
1）暗电阻 光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。
2)亮电阻 光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。
六．光电传感器特性
1、伏安特性
光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如图5所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。
图5光敏电阻的伏安特性
2、光电特性
光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。
3、光谱特性
入射光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光谱特性。使用时可根据被测光的波长范围，选择不同材料的光敏电阻。 图2光电管测量电路 图3光电管的光电特性 图4光电
倍增结构示
意图
4、响应时间
光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性。光敏电阻上升响应时间和下降响应时间约为10-1～10-3s，即频率响应为10Hz～1000Hz，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个主要缺点。
5、温度特性
光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降，这也是光敏电阻的另一缺点。
6、频率特性
频率特性是指外加电压和入射光强一定是，光电流I与入射光的调制频率f之间的关系，，光电二极管的频率特性较光电三极管的频率特性好，这是由于光电三极管的基射结存在电容和载流子基区需要时间的缘故。利用内光电效率原理制造的光电元件的频率特性最差，这是由于俘获载流子和释放电荷都需要一定时间的缘故。
七、光电传感器的应用
LED（发光二极管）：
发光二极管最早出现在19世纪60年代， LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。不象白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。
经调制的LED传感器：
1970年，人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点，就是它能够以非常快的速度来开关，开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发射器的调制频率，那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。将收音机调到某台，就可以忽略其他的无线电波信号。经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相当于收音机。
人们常常有一个误解：认为由于红外光LED发出的红外光是看不到的，那么红外光的能量肯定会很强。经过调制的光电传感器的能量的大小与LED光波的波长无太大关系。一个LED发出的光能很少，经过调制才将其变得能量很高。一个未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段，使接收器只能接收到发射器发出的光，才能使其能量变得很高。相比之下，经过调制的接收器能忽略周围的光，只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。
在早期，色标传感器使用白炽灯做光源，使用光电池接收器，直到后来发明了高效的可见光LED。现在，多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器。经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离，这是因为检测距离是一个非常重要的参数。未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体，这些场合要求的响应速度都非常快。但是，现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度，能满足大多数的检测应用。
超声波传感器：
声波传感器所发射和接收的声波，其振动频率都超过了人耳所能听到的范围。它是通过计算声波从发射，经被测物反射回到接收器所需要的时间，来判断物体的位置。对于对射式
超声波传感器，如果物体挡住了从发射器到接收器的声波，则传感器就会检测到物体。与光电传感器不同，超声波传感器不受被测物透明度和反光率的影响，因此在许多使用超声波传感器的场合就不适合使用光电传感器来检测。
光纤：
安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用，是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。
光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处（入射角在一定范围内，），被全部反射回来。根据光学原理，所有光束都可以由光纤来传输。
两条入射光束（入射角在接受角以内）沿光纤长度方向经多次反射后，从另一端射出。另一条入射角超出接受角范围的入射光，损失在金属外皮内。这个接受角比两倍的最大入射角略大，这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响（弯曲半径要大于最小弯曲半径）。大多数光纤是可弯曲的，很容易安装在狭小的空间。
玻璃光纤：
玻璃光纤由一束非常细（直径约50μm）的玻璃纤维丝组成。典型的光缆由几百根单独的带金属外皮玻璃光纤组成，光缆外部有一层护套保护。光缆的端部有各种尺寸和外形，并且浇注了坚固的透明树脂。检测面经过光学打磨，非常平滑。这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率。
玻璃光纤内的光纤束可以是紧凑布置的，也可随意布置。紧凑布置的玻璃光纤通常用在医疗设备或管道镜上。每一根光纤从一端到另一端都需要精心布置，这样才能在另一端得到非常清晰的图像。由于这种光纤费用非常昂贵并且多数的光纤应用场合并不需要得到一个非常清晰的图像，所以多数的玻璃光纤其光纤束是随意布置的，这种光纤就非常便宜了，当然其所得到的图像也只是一些光。
玻璃光纤外部的保护层通常是柔性的不锈钢护套，也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纤可用于特殊的空间或环境，其检测头做成不同的形状以适用于不同的检测要求。玻璃光纤坚固并且性能可靠，可使用在高温和有化学成分的环境中，它可以传输可见光和红外光。常见的问题就是由于经常弯曲或弯曲半径过小而导致玻璃丝折断，对于这种应用场合，我们推荐使用塑料光纤。
塑料光纤：
塑料光纤由单根的光纤束（典型光束直径为到）构成，通常有PVC外皮。它能安装在狭小的空间并且能弯成很小的角度。
多数的塑料光纤其检测头都做成探针形或带螺纹的圆柱形，另一端未做加工以方便客户根据使用将其剪短。邦纳公司的塑料光纤都配有一个光纤刀。不像玻璃光纤，塑料光纤具有较高的柔性，带防护外皮的塑料光纤适于安装在往复运动的机械结构上。塑料光纤吸收一定波长的光波，包括红外光，因而塑料光纤只能传输可见光。
与玻璃光纤相比，塑料光纤易受高温，化学物质和溶剂的影响。
对射式和直反式光纤玻璃光纤和塑料光纤既有“单根的”－对射式，也有“分叉的”－直反式。单根光纤可以将光从发射器传输到检测区域，或从检测区域传输到接收器。分叉式的光纤有两个明显的分支，可分别传输发射光和接收光，使传感器既可以通过一个分支将发射光传输到检测区域，同时又通过另一个分支将反射光传输回接收器。
直反式的玻璃光纤，其检测头处的光纤束是随意布置的。直反式的塑料光纤，其光纤束是沿光纤长度方向一根挨一根布置。
光纤的特殊应用：
由于光纤受使用环境影响小并且抗电磁干扰，因而能被用在一些特殊的场合，如：适用于真空环境下的真空传导光纤（VFT）和适用于爆炸环境下的光纤。在这两个应用中，特制的光纤安装在特殊的环境中，经一个法兰引出来接到外面的传感器上，光纤和法兰的尺寸多种多样。本安型传感器，如NAMUR型的传感器，可直接用在特殊或有爆炸性危险的环境中。
八、光电传感器的选型
光电传感器选型要素：1、被测物到光电传感器的距离
2、被测物运动的距离，即量程，注意与上1条略有区别
3、背景/前景与被测物之间的高度差，实际即需要实现的分辨率
4、被测物表面是否光滑、反光、吸光（如黑色海绵）
5、供电电压、输出方式、接线方式、IP等级、安装方式、外形、特
殊要求（如防爆、防油等等）
例：光电传感器，要求：1圆柱形的 2交流 3检测距离10CM左右
选型：【型号】： E3F-DS10Y1
【品名】：光电开关漫反射型
【外形】：直径18毫米圆柱体
【检测距离】：10厘米（CM)
【检测物体】：不透明体
【工作电压】：交流90-250VAC
【输出方式】：交流二线常开
【输出电流】：300毫安（mA)
【外壳材料】：塑料ABS
九、调研报告总结
随着科学技术的发展人们对测量精度有了更高的要求，这就促使光电传感器不得不随着时代步伐而更新，改善光电传感器性能的主要手段就是应用新材料、新技术制造性能更优越的光电元件。例如今天光电传感器的雏形，是一种小的金属圆柱形设备,发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源的一种坚固的白炽灯传感器。由于这种传感器存在各种缺陷，逐渐在测量领域销声匿迹。到了光纤出现，因为它的各种优越的性能，于是出现了光纤与传感器配套使用的无源元件,另外光纤不受任何电磁信号的干扰,并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一层金属外皮，这层金属外皮的密度比光芯要低,因而折射率低，光束照在这两种材料的边界处(入射角在一定范围内,),被全部反射回来.根据光学原理,所有光束都可以由光纤来传输。两条入射光束(入射角在接受角以内)沿光纤长度方向经多次反射后,从另一端射出，另一条入射角超出接受角范围的入射光,损失在金属外皮内.这个接受角比两倍的最大入射角略大,这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响(弯曲半径要大于最小弯曲半径)。大多数光纤是可弯曲的,很容易安装在狭小的空间。
光电传感器是一种非接触式测小型电子测量设备,依靠检测出其接收到的光强的变化，来达到测量目的，同时它也是一种容易受到外界干扰而失去测量准确度的器件。所以在设计时除了选择先进光电元件，还必须设置参比信号和温度补偿措施，用来削弱或消除这些因素的影响。光电传感器必须经过光波调制，光波的调制像无线电波的传送和接收，将收音机调到某台,就可以忽略其他的无线电波信号未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏
蔽手段,使接收器只能接收到发射器发出的光,才能使其能量变得很高.相比之下,经过调制的接收器能忽略周围的光,只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应.未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射,如刚出炉的红热瓶子,在这种应用场合如果使用其它的传感器,可能会有误动作。
光电传感器由于非接触、高可靠性等优点，在测量时对变被测物体损害小，所以自其发明以来就在测量领域有着举足轻重的地位，目前它已广泛应用于测量机械量、热工量、成分量、智能车系统等。现在它在电力系统自动并网装置中起到了非常重要的作用，因为发电机投入电网运行常采用准同法，必须满足：三相线序一致，频率一致，相位一致，电压幅值相等，其中的一个条件在系统设计时已经满足，后三个条件必须同时满足才能并网，当然人工并网比较困难，光电并网比较容易。
时代在发展，科学技术在更新，光电传感器种类也日益增多，应用领域也越来越广泛，光电传感器具有其他传感器所不能取代优越性，因此它发展前景非常好，应用也会越来越广泛。