光電傳感器是一種小型電子設(shè)備,各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件。它主要是利用光的各種性質(zhì),檢測物體的有無和表面狀態(tài)的變化等的傳感器。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點,因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應(yīng)用。
光電傳感器
光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。 把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。
光電效應(yīng)原理
光電元件是光電傳感器中最重要的組成部分,它的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,光是由光速運動的光子所組成, 當物體受到光線照射時,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)也會發(fā)生改變,這樣的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。
根據(jù)電屬性狀態(tài)的不同變化,將光電效應(yīng)分為以下三種:
1)外光電效應(yīng)
在光線作用下使電子逸出物體表面的現(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)體內(nèi)的電子吸收光子后不能躍出半導(dǎo)體,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化,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)和光生伏特效應(yīng)。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻,光敏晶體管等
3)光生伏特效應(yīng)
在光線作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池和光敏二極管、三極管等
光電元件工作原理
基于不同的光電效應(yīng),我們來看一下他們分別是如何工作的:
外光電效應(yīng)器件
利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件,一般都是真空的或充氣的光電器件,如光電管和光電倍增管。
以光電管為例,當入射光照射在陰極上時,單個光子把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子,從而使自由電子的能量增加。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時,它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發(fā)射,這種電子稱為光電子。 只有當入射光的頻率高于極限頻率時,才會產(chǎn)生光電子。
光電子產(chǎn)生之后,被真空管中的陽極所吸收,從而產(chǎn)生電流。若此時增加光照強度,更多的光子將會照射到陰極材料,從而產(chǎn)生更多光電子,光電流也會相應(yīng)增加。在電阻R值確定的情況下,回路中的光電流與入射光的光照強度成函數(shù)關(guān)系,從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化,通過測量電路讀取電流數(shù),即可算出光照強度。
內(nèi)光電效應(yīng)器件
利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件,常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。
根據(jù)能帶理論,自由原子中電子具有的能量狀態(tài)不是任意的,電子只能存在在一定的能級上。能帶分為價帶、禁帶和導(dǎo)帶。電子可以在導(dǎo)帶中流動,不可以在價帶中流動,在外界影響下,電子可由價帶越過帶隙進入到導(dǎo)帶,從而改變導(dǎo)體的電阻。
不同導(dǎo)體的帶隙厚度不一樣,如下圖所示,絕緣體的帶隙較寬,導(dǎo)致電子很難從價帶躍遷至導(dǎo)帶,所以其電阻很大;金屬導(dǎo)體沒有帶隙,其價帶和導(dǎo)帶相連,因此導(dǎo)電性能好。
電子吸收光子能量后,由價帶躍遷至導(dǎo)帶從而改變導(dǎo)體電阻的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。利用該效應(yīng)可以制作光敏電阻,通過觀察電阻的變化來確定被測光量。
光生伏特效應(yīng)器件
光生伏特效應(yīng)簡稱光伏效應(yīng),指的是物體在受到光照之后產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。光電池是一種自發(fā)電式的光電元件,它受到光照時自身能產(chǎn)生一定方向的電動勢,在不加電源的情況下,只要接通外電路,便有電流通過。具體的工作原理如下:
光伏電池在一塊N型硅片上用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成的一個大面積PN結(jié),P區(qū)有大量的空穴,N區(qū)有大量的電子。當光照射P區(qū)表面時,若光子能量大于硅的禁帶寬度,則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子—空穴對,P區(qū)表面吸收的光子越多,激發(fā)的電子空穴越多,越向PN結(jié)區(qū)越少。由于PN結(jié)內(nèi)電場的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的,它使擴散到PN結(jié)附近的電子—空穴對分離,光生電子被推向N區(qū),光生空穴被留在P區(qū)。從而使N區(qū)帶負電,P區(qū)帶正電,形成光生電動勢。若用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū),電路中就有光電流流過。
光電傳感器的分類
光電傳感器按檢測方式分為漫反射型、反射板型、對射型:
根據(jù)相應(yīng)的檢測方式有下列這些不同結(jié)構(gòu)的光電傳感器:
⑴槽型光電傳感器
把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光,在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時,光被遮擋,光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號,切斷或接通負載電流,從而完成一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。
⑵對射型光電傳感器
若把發(fā)光器和收光器分離開,就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為對射分離式光電開關(guān),簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè),檢測物通過時阻擋光路,收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。
⑶反光板型光電開關(guān)
把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi),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的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。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;一旦光路被檢測物擋住,收光器收不到光時,光電開關(guān)就動作,輸出一個開關(guān)控制信號。
⑷擴散反射型光電開關(guān)
它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器,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。當檢測物通過時擋住了光,并把光部分反射回來,收光器就收到光信號,輸出一個開關(guān)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之間的關(guān)系曲線、輸出電流與發(fā)射器輸入電流之間的關(guān)系曲線、輸出電流隨溫度變化的關(guān)系曲線、脈沖響應(yīng)特性曲線等。
光電傳感器的特點
在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中有下列特點:
1、檢測距離長
如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等,便能實現(xiàn)其他檢測手段(磁性、超聲波等) 無法遠距離檢測。
2、對檢測物體的限制少
由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理,所以不象接近傳感器等將檢測物體限定 在金屬,它可對玻璃。塑料。木材。液體等幾乎所有物體進行檢測。
3、響應(yīng)時間短
光本身為高速,并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成,所以不包含機械性工作時間,響應(yīng)時間非常短。
4、分辨率高
能通過高級設(shè)計技術(shù)使投光光束集中在小光點,或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng),來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。
5、可實現(xiàn)非接觸的檢測
可以無須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)檢測,因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此,傳感器能長期使用。
6、可實現(xiàn)顏色判別
通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì),可對檢測物體的顏色進行檢測。
7、便于調(diào)整
在投射可視光的類型中,投光光束是眼睛可見的,便于對檢測物體的位置進行調(diào)整。
光電傳感器的選型
光電傳感器使用前的選型需考慮下列因素:
檢測物體
1、對射型(物體被測面尺寸)
2、回歸反射型(物體被測面尺寸,光澤反射能力強弱)
3、擴散反射型(物體被測面尺寸,被測物體顏色)
檢測方式
1、對射型(投光器+受光器),
2、回歸反射型(反射板+投受光器),
3、擴散反射型(靠物體將投出的光線反射回受光器,固需要確認是否有背景物體)
輸出形態(tài)
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(投光器到受光器的距離),
2、回歸反射型(反射板到投受光器的距離),
3、擴散反射型(被測物體到投受光器的距離)
控制輸出
1、晶體管輸出(NPN低電平輸出,PNP高電平輸出)
2、繼電器接點輸出
工作電源
1、直流
2、交流
3、交直流通用
安裝連接方式
1、導(dǎo)線引出型(默認導(dǎo)線長度1.2m)
2、 接插件型(配接插線需要確認直線性或L字型,導(dǎo)線長度)
其他功能
延時功能(E3JM)
附 件
反射板,安裝配件(固定安裝傳感器使用)
隨著自動化生產(chǎn)程度的不斷提高,對傳感器的要求也在不斷提高,這就促使光電傳感器不得不隨著時代步伐而更新,改善光電傳感器性能必須朝著高靈敏度?高精確度?響應(yīng)速度快?互換性好的方向發(fā)展?
評論
查看更多