3種光電效應(yīng)，解讀光電傳感器核心工作原理

在光的感應(yīng)和檢測(cè)中，盡可能保持光不擴(kuò)散、光能量不損耗是非常重要的一環(huán)，這對(duì)于傳感器的精度有著非常大的影響。所以，光纖傳感器、激光傳感器和CMOS可見光傳感器等精度更高的光電傳感器相繼被研發(fā)出來，并成為現(xiàn)在甚至未來好幾年的熱門光電傳感器。

光電傳感器指采用光電元件來檢測(cè)物體的有無和表面狀態(tài)的變化等的傳感器，一般由發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路三部分組成，工作原理是先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，再將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化。

故光電傳感器的本質(zhì)是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制。

比如光傳感器的應(yīng)用條形碼掃描筆，就是通過檢測(cè)條形碼反射的光強(qiáng)度變化來識(shí)別條形碼。在條形碼掃描筆里，發(fā)光二極管就是光電傳感器的發(fā)送器，光敏三極管是接收器，而把電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、整形等處理的電路則為檢測(cè)電路。

140年，光電傳感器的“改朝換代”發(fā)展史

源起：白熾燈傳感器

1879年，愛迪生發(fā)明了白熾燈，而最早的光電傳感器用的就是白熾燈作為發(fā)射光源。一個(gè)小的金屬圓柱形設(shè)備里面有一個(gè)白熾燈作為光源，同時(shí)還帶有一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，可將光聚集射向接收器，再通過接收器出電纜連接到一個(gè)真空管放大器上，這就是早期的白熾燈傳感器，也是光電傳感器的雛形，可用于檢測(cè)物體的有無。

發(fā)展：LED取代白熾燈

19世紀(jì)60年代，LED（發(fā)光二極管）開始出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)用LED做的光電傳感器性能比白熾燈傳感器要優(yōu)質(zhì)可靠，因此LED開始取代白熾燈。

相比于白熾燈，LED的優(yōu)勢(shì)主要在于以下4點(diǎn)：

1、壽命更長(zhǎng)。白熾燈發(fā)亮的原理是高溫鎢絲產(chǎn)生光輻射，但鎢絲溫度越高，升華越快，故白熾燈的壽命較短；而LED是固態(tài)的，不存在升華問題，幫能延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。

2、能耗更低。LED發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所發(fā)出光能的一部分。

3、速度更快。LED能夠以非?？斓乃俣葋黹_關(guān)，開關(guān)速度可達(dá)到KHz。

4、LED體積小，且抗沖擊和抗震性能也更好。

進(jìn)化1：非調(diào)制的LED光電傳感器退出歷史舞臺(tái)

1970年，人們將接收器的放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻率，讓傳感器只能對(duì)某種頻率振動(dòng)的光信號(hào)進(jìn)行放大，以此大大加快了LED光電傳感器的開關(guān)速度。

另外，對(duì)于LED光電傳感器來說，調(diào)制本身就是非常有必要的，因?yàn)橐粋€(gè)LED發(fā)出的光能是很小的，所以要經(jīng)過調(diào)制才能使其能量變得很高，從而改進(jìn)光電傳感器的設(shè)計(jì)，增大了檢測(cè)距離，擴(kuò)展了光束的角度，提高傳感器的準(zhǔn)確性以及對(duì)環(huán)境的抗干擾能力。

于是，1980年，非調(diào)制的光電傳感器逐步退出歷史舞臺(tái)。

進(jìn)化2：高效可見光LED出現(xiàn)，革新色標(biāo)傳感器

如果說調(diào)制的LED傳感器提高了光電傳感器的開關(guān)性能，那么高效可見光LED出現(xiàn)，就是革新了色標(biāo)傳感器。

LED能發(fā)射多種光，包括紅外光、綠光、紅光、藍(lán)光或白光等，不過早期LED發(fā)出的光都是相對(duì)弱的，其中紅外光LED的效率最高，但對(duì)于那些需要區(qū)分不同顏色的光電傳感器來說（比如色標(biāo)傳感器），不可見的紅外光不適合，它們需要的是可見光源。

因此，早期LED并不適用于色標(biāo)傳感器，當(dāng)時(shí)的色標(biāo)傳感器都是用白熾燈作光源，直到后來發(fā)明了高效的可見光LED。

以發(fā)光效率為標(biāo)志的LED發(fā)展歷程

從可見光LED的發(fā)展歷程可發(fā)現(xiàn)，1985年后，采用AlGaInP、SiC和GaN等材料的LED逐漸出現(xiàn)，這些材料禁帶寬度大，還能通過調(diào)整摻雜組分來改變帶隙寬度，從而得到超高亮度的可見光LED。

現(xiàn)在，多數(shù)的色標(biāo)傳感器都是使用經(jīng)調(diào)制的各種顏色的可見光LED發(fā)射器。

展望：光纖傳感器、激光傳感器和CMOS可見光傳感器

在光的感應(yīng)和檢測(cè)中，盡可能保持光不擴(kuò)散、光能量不損耗是非常重要的一環(huán)，這對(duì)于傳感器的精度有著非常大的影響。所以，光纖傳感器、激光傳感器和CMOS可見光傳感器等精度更高的光電傳感器相繼被研發(fā)出來，并成為現(xiàn)在甚至未來好幾年的熱門光電傳感器。

3種光電效應(yīng)，解讀光電傳感器核心工作原理

沒有光電效應(yīng)，就沒有光電傳感器。

光電傳感器之所以能把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，檢測(cè)物體的有無和表面狀態(tài)的變化，主要靠的是各種光電元件，包括光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等，這些光電元件一般作為光電傳感器的接收器，工作原理是光電效應(yīng)：

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。

光電效應(yīng)的本質(zhì)是光變致電，光電轉(zhuǎn)換。

光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)，其中內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)需要給電路加電壓，而光生伏特不用。這三種光電效應(yīng)的區(qū)分很簡(jiǎn)單，就是在光線作用下，它們電子的變化是不一樣的。

制圖：傳感器專家網(wǎng)

①在光線作用下，電子逸出物體表面，物體的伏安特性發(fā)生了變化，這是外光電效應(yīng)，如光電管，光電倍增管等。

外光電效應(yīng)

②吸收光線能量后，電子不逸出，物體電阻率發(fā)生明顯變化，這是光電導(dǎo)效應(yīng)，如光敏電阻，光敏晶體管等；

光電導(dǎo)效應(yīng)

③吸收光線能量后，電子不逸出，并在物體內(nèi)部自建場(chǎng)里產(chǎn)生光電壓，這是光生伏特效應(yīng)，如光敏二極管，三極管和光電池等。

光生伏特效應(yīng)

通過以上光電元件，我們可以把測(cè)量物的光變化轉(zhuǎn)化成電變化。

比如利用光電管（外光電效應(yīng)）作為接收器，制成光控制電器，可用于自動(dòng)控制，進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。當(dāng)光照在光電管上時(shí)，光電管電路中產(chǎn)生電光流，經(jīng)過放大器放大，使電磁鐵磁化，然后把銜鐵吸??；當(dāng)光電管上沒有光照時(shí)，光電管電路中沒有電流，電磁鐵與銜鐵分離。

再比如最常見的光敏二極管（光電導(dǎo)效應(yīng)）。光電傳感器光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大。當(dāng)無光照時(shí)，它的反向電流很小，電路截止；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生光電載流子，電路接通。

總得來說，光電效應(yīng)讓光電傳感器擁有了感知光變化的能力，并把光信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)變化，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。

4種結(jié)構(gòu)類型，光電傳感器檢測(cè)方式的大不同

光電傳感器具有精度高、反應(yīng)快、非接觸、靈活、檢測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在檢測(cè)和控制中，可檢測(cè)物體有無、光信號(hào)強(qiáng)弱、光的顏色等參數(shù)，然后進(jìn)行控制，常見的有開關(guān)控制、自動(dòng)計(jì)件、顏色分揀等。

根據(jù)檢測(cè)方式的不同，光電傳感器可分為漫反射型、反射板型、對(duì)射型和距離型，不同的類型對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的光電傳感器。

制圖：傳感器專家網(wǎng)

①漫反射型：漫反射型光電開關(guān)

漫反射型光電開關(guān)，發(fā)射器和接收器裝在一起，當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時(shí)，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化。

漫反射型是安裝最簡(jiǎn)單方便，但作用距離最短，檢測(cè)也最不穩(wěn)定。

②反射板型：反光板型光電開關(guān)

反光板反射式光電開關(guān)，把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，并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。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。

反射板型光電傳感器可檢測(cè)透明物體和光亮度高的物體，作用距離較長(zhǎng)，且安裝方便，檢測(cè)穩(wěn)定。但當(dāng)反光鏡有灰塵時(shí)，檢測(cè)精度會(huì)降低。

③對(duì)射型：對(duì)射型光電傳感器

對(duì)射分離式光電開關(guān)，由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成，若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測(cè)距離加大，故它的檢測(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)物通過路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。

對(duì)射型光電傳感器是檢測(cè)精度最高的，距離也可以很遠(yuǎn)，但是安裝不方便，占用空間較大，且不能檢測(cè)透明和體積小的物體。

④距離型：擴(kuò)散反射型光電開關(guān)

擴(kuò)散反射型光電開關(guān)，它的檢測(cè)頭里裝有一個(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)物通過時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)。

距離型光電傳感器的發(fā)射器是點(diǎn)發(fā)射，但接收器是面接收，所以它可以允許被測(cè)物有一個(gè)更大的偏轉(zhuǎn)角度。

什么意思呢？

從上面的原理圖，我們可以發(fā)現(xiàn)距離型光電傳感器設(shè)定的檢測(cè)距離是一定的，因此我們可以設(shè)定一個(gè)固定的發(fā)射光——反射光角度。當(dāng)有檢測(cè)物經(jīng)過時(shí)，檢測(cè)到的反射光與被檢測(cè)物返回的反射光之間的角度與我們?cè)O(shè)定的角度肯定是不一致的，幫傳感器能檢測(cè)出物體的存在。即除了設(shè)定好的那個(gè)角度是判定為無物體的，其他所有角度都會(huì)判斷為有物體，被測(cè)物的偏轉(zhuǎn)角度變大，可大大提高傳感器的精確性和靈敏度。

5種應(yīng)用示例，光電傳感器的廣泛用途

接下來，將列舉6種常見的光電傳感器應(yīng)用，從現(xiàn)實(shí)生活出發(fā)，更好地理解光電傳感器。

1、光電式煙霧報(bào)警器

沒有煙霧時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線直線傳播，光電三極管沒有接收信號(hào)。沒有輸出，有煙霧時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線被煙霧顆粒折射，使三極管接受到光線，有信號(hào)輸出，發(fā)出報(bào)警。

2、光電式轉(zhuǎn)速表

在電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射光與不反射光交替出現(xiàn)，光電傳感器相應(yīng)地間斷接收光的反射信號(hào)，并輸出間斷的電信號(hào)，再經(jīng)放大器及整形電路放大整形輸出方波信號(hào)，最后由電子數(shù)字顯示器輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3、產(chǎn)品計(jì)數(shù)器

產(chǎn)品在傳送帶上運(yùn)行時(shí)，不斷地遮擋光源到光電傳感器的光路，使光電脈沖電路產(chǎn)生一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)。產(chǎn)品每遮光一次，光電傳感器電路便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目，該脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)并由顯示電路顯示出來。

4、光電檢測(cè)和自動(dòng)控制

光電池作為光電探測(cè)使用時(shí)，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。

5、光電傳感器在汽車上的應(yīng)用

光電傳感器還能為汽車提供更舒適的顯示質(zhì)量體驗(yàn)，讓汽車顯示設(shè)備在任何環(huán)境光下都能實(shí)現(xiàn)完全的背光效果。

包括車載娛樂/導(dǎo)航/DVD系統(tǒng)背光控制、后座娛樂用顯示器背光控制、儀表組背光控制（速度計(jì)/轉(zhuǎn)速計(jì)）、自動(dòng)后視鏡亮度控制等，都可以通過光傳感器來完成。

除了以上幾個(gè)應(yīng)用，光電傳感器在高壓大電流測(cè)量、繼電保護(hù)、煙塵濁度監(jiān)測(cè)等方面也有著廣泛應(yīng)用。

4大市場(chǎng)趨勢(shì)，透視光電傳感器未來

激光傳感器：超極版的光電傳感器

激光傳感器，有著無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被稱為超級(jí)版光電傳感器。近幾年，自動(dòng)駕駛非?；鸨?，而能精準(zhǔn)遠(yuǎn)距測(cè)量及形成三維地圖的激光雷達(dá)也因此而熱得發(fā)紫，這是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的自動(dòng)駕駛最準(zhǔn)的傳感器。

據(jù)外媒報(bào)道，隨著自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車激光雷達(dá)傳感器市場(chǎng)到2022年將達(dá)到8.18億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到47％。

未來，隨著自動(dòng)駕駛越來越多功能的改進(jìn)與落地，人們對(duì)于自動(dòng)駕駛不再只是幻想，汽車搭載輔助駕駛系統(tǒng)絕對(duì)是大趨勢(shì)，而激光雷達(dá)的市場(chǎng)，也備受看好。

光纖傳感器：搭乘5G快車開拓市場(chǎng)

光纖傳感器相對(duì)普通的光電傳感器來說，精度更高。普通的光電傳感器由于光的擴(kuò)散等原因，收光量的大小無法精確控制，即導(dǎo)致檢測(cè)的精度無法提高精度，而光纖傳感器通過光纖線傳輸光線，提高光束的聚攏程度，易判斷收光量的大小，檢測(cè)精度要高。

另外，光纖傳感器還有體積極小、響應(yīng)速度快、耐水、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可測(cè)量磁、聲、壓力、溫度、加速度、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流等物理量，應(yīng)用十分廣泛。

再加上5G即將來臨，作為5G基礎(chǔ)的光纖傳感，未來可搭乘5G快車，進(jìn)一步打開市場(chǎng)。

CMOS傳感器：智能時(shí)代的硬件標(biāo)配

可見光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，其中，以CMOS線性可見光傳感器為代表的高端可見光傳感器，更是因暗電流小、靈敏度高、低照度響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，受到背光調(diào)節(jié)及節(jié)能控制等市場(chǎng)的青睞，廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、電腦顯示器、LED背光、智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品上。

據(jù)報(bào)道，2018年，全球CIS市場(chǎng)規(guī)模155億美元，預(yù)計(jì)2019年同比增長(zhǎng)10%，達(dá)到170億美元。目前，CIS市場(chǎng)正處于穩(wěn)定增長(zhǎng)期，預(yù)計(jì)2024年市場(chǎng)逐漸飽和，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到240億美元。

未來，隨著智能時(shí)代的來臨，日常生活中，我們智能硬件終端將日漸增多，而CMOS傳感器的市場(chǎng)將隨之?dāng)U張，所以，CMOS傳感器是光電傳感器未來重要的發(fā)展方向之一。

多功能MEMS光電傳感器：發(fā)展的必然趨勢(shì)

不僅是光電傳感器，多功能、智能化、微型化可以說是所有傳感器未來的趨勢(shì)。

首先，隨著終端用戶體驗(yàn)的不斷升級(jí)及消費(fèi)習(xí)慣的逐漸改變，光電傳感器要求具有保密性高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)、自適應(yīng)性強(qiáng)、通信功能等特點(diǎn)，因此，在光電傳感器中內(nèi)置微處理器，實(shí)現(xiàn)智能化是光電傳感器發(fā)展的必然趨勢(shì)。

其次，傳統(tǒng)的光電傳感器往往體積較大，功能不完善，應(yīng)用領(lǐng)域受限，難以滿足便攜設(shè)備、可穿戴設(shè)備等下游應(yīng)用領(lǐng)域不斷升級(jí)的消費(fèi)需求。而隨著精密加工、微電子、集成電路等技術(shù)的發(fā)展及新材料的應(yīng)用，使得傳感器中敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)理電路的尺寸正在從毫米級(jí)走向微米級(jí)甚至納米級(jí)，因此，微型化是未來光電傳感器發(fā)展的必然趨勢(shì)。

最后，隨著光電傳感器應(yīng)用領(lǐng)城的不斷擴(kuò)大，為了能夠全面而準(zhǔn)確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時(shí)測(cè)量多種被測(cè)變量，以滿足終端應(yīng)用的集成化要求，因此，多功能化是未來光電傳感器發(fā)展的必然趨勢(shì)。
編輯：hfy