光电式传感器

定义与基本工作原理

光电式传感器（或称光敏传感器）是利用光电器件把光信号转换成电信号或电参数（电压、电流、电荷、电阻等）的装置。工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现对非电量的测量。测量光学量时，光电器件作为敏感元件使用；测量其他物理量时，它作为转换元件使用。

类别

按照工作原理的不同，光电式传感器可分为四类：

1. 光电效应传感器：利用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。
2. 红外热释电探测器：对光谱中长波（红外）敏感的器件，主要利用辐射的红外光（因热激发）照射材料时引起材料温度变化，进而使材料的自发极化强度改变，从而在电极上产生与温度变化率相关的电信号。
3. 固体图像传感器：结构上主要分为以电荷耦合器件（CCD）为代表的电荷耦合型图像传感器和用光敏二极管与MOS晶体管构成的CMOS型图像传感器。两者都利用光敏单元进行光电转换，将图像转换为电信号，主要差异是电信号的传送方式（读取过程）不同；若需数字信号输出，通常还需经模数转换（ADC）。
4. 光纤传感器：利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，沿着光纤经多次反射被送到光接收器，经接收解调后变成电信号。

基本形式

光电式传感器由光路及电路两大部分组成。光路实现被测信号对光学量的调制；电路完成从光信号到电信号的转换。按测量光路组成可分为四种基本形式：

1. 透射式光电传感器：光源发出恒定光通量（luminous flux，人眼所能感觉到的光信号辐射功率，单位：流明，lm）的光，穿过被测对象，部分光被吸收，其余到达光敏器件转变为电信号输出。光敏器件上输出的光电流是被测对象所吸收光通量的函数。可用于测量液体、气体和固体的透明度和浑浊度等参数。
2. 反射式光电传感器：将恒定光源发出的光投射到被测对象上，由光敏器件接收其反射光通量。反射光通量的变化反映出被测对象的特性。例如光通量变化大小可反映被测物体的表面光洁度；通过光通量的变化频率，可反映被测物体的转速。
3. 辐射式光电传感器：光源本身就是被测对象，即被测对象是一辐射源。光电器件接收辐射能的强弱变化，光通量的强弱与被测参量（如温度）的高低有关。
4. 开关式光电传感器：在光源与光电器件间的光路上有物体时，光路被切断，否则光路畅通。光敏器件上表现出有光（无物体阻挡）就有电信号，无光（有物体阻挡）则无电信号，即仅为“0”或“1”的两种开关状态。使用形式有开关、计数和编码三种。

光电检测系统组成与特点

光电检测系统由光源、光学系统、光电探测器三部分构成。其优点：非接触式检测、速度快（${10}^{-1}$~${10}^{-6}$ s）、精度高、可靠性强及可连续测量；除光信号外，还可用于检测液面、位置、压力等。缺点：易受沾污和外界干扰光影响，且使用温度范围受限，探测器本体须处于允许温度内，但可用隔热、冷却或远距光路检测高温目标。

光变换形式

光电检测的基本流程：被测量经“光学变换”转化为“光照强度”，再由“光敏管”转换为“光生电流”。四种光变换形式：

• 反射式：光源照射被测物，光经反射后由光电器件接收。
• 遮挡式：被测物置于光源与光电器件之间，通过遮挡光束进行测量。
• 辐射式：被测物作为辐射源，发出的光经透镜聚焦后由光电器件接收。
• 透射式：光源发出的光经透镜准直后穿过被测物，再由透镜聚焦至光电器件。