概述

光电传感器一般由处理通路和处理元件组成。其基本原理是根据光电效应将测量的变化转换为光信号的变化，然后借助光电元件进一步将非电信号转换为电信号。光电效应是指用光照射一个物体，可以看作是一系列具有一定能量的光子在这个物体上轰击。此时，光子能量传递给电子，一个光子的全部能量一次被一个电子吸收。电子获得光子传递的能量后，其状态会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。

光电效应通常分为三类:(1)在光的作用下，能使电子溢出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等；(2)在光的作用下改变物体电阻率的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等；(3)在光的作用下，物体产生一定方向电势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，可测参数多，传感器结构简单，形式灵活。因此，光电传感器广泛应用于检测和控制中。

光电传感器是实现各种光电检测系统光电转换的关键部件，是将光信号（可见和紫外线激光）转换为电信号的装置。

光电传感器是以光电器件为转换元件的传感器。可用于检测直接引起光量变化的非电物理量，如光强、光照度、辐射温度测量、气体成分分析等；也可用于检测其他可转换为光量变化的非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度、物体形状、工作状态识别等。光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，广泛应用于工业自动化装置和机器人中。新的光电器件不断出现，特别是CCD图像传感器的诞生为光电传感器的进一步应用创造了新的一页。

工作原理

由光通量对光电元件的不同作用原理制成的光学测控系统多种多样，根据光电元件（光学测控系统）的输出性质可分为模拟光电传感器和脉冲（开关）光电传感器。模拟光电传感器是将测量转换为连续变化的光电流，与测量之间的单值关系.模拟光电传感器可分为三类：透射(吸收)式，漫反射式，遮光式(光束阻档)。所谓透射是指被测物体放置在光路中，恒光源发出的光能通过被测物体，部分被吸收后，透射光投射到光电元件上；所谓漫反射是指恒光源发出的光投射到被测物体上，然后从被测物体表面反射到光电元件上；所谓遮光是指当光源发出的光通量通过被测物体的光覆盖部分时，投射到光电元件上的光通量发生变化，变化程度与被测物体在光路位置有关。

光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外观与普通二极管相同。当没有光时，它与普通二极管相同，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光时，载流子被刺激产生电子孔，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参与导电，形成比暗电流大得多的反向电流，称为光电流。光电流的大小与光强成正比，因此负载电阻可以得到随光强度变化的电信号。

光敏三极管不仅具有光敏二极管将光信号转换为电信号的功能，还具有放大电信号的功能。光敏三极管的外观与普通三极管没有太大区别。一般光敏三极管只引出两个极-发射极和集电极，但不引出基极。管壳也打开窗户进行光照射。为了增加光照，基础面积大，发射面积小，入射光主要被基础吸收。工作时，集电结反偏，发射结正偏。管道在无光照下流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），穿透电流小于普通三极管；当有光时，会刺激大量的电子孔对，使基极产生电流Ib此时此刻流过管道的电流称为光电流，发射极电流Ie=（1+β）Ib，可见光电三极管比光电二极管更灵敏。

工作原理

光电传感器通过将光强的变化转换为电信号来控制。

一般来说，光电传感器由发送器、接收器和检测电路三部分组成。

发射器对准目标发射光束，发射光束一般来自半导体光源，发光二极管(LED)，激光二极管和红外发射二极管。光束不间断发射，或改变脉冲宽度。接收器由光电二极管、光电三极管和光电池组成。在接收器前面，安装了透镜和光圈等光学元件。后面是检测电路，可以过滤有效信号和应用信号。

此外，光电开关的结构元件还包括发射板和光纤。

特性

1).暂态响应范围宽，谐波测量能力强

暂态特性的优缺点是判断一个互感器是否可以应用于电力系统的重要参数，特别是与继电保护动作时间的配合。由于铁芯的存在，传统的电磁互感器对高频信号的响应特性较差，不能正确反映一次侧的临时过程。光电互感器传输测量的频率范围主要由电子线路部分决定，没有铁芯饱和的问题，可以准确反映一次侧的临时过程。一般可以设计到0.1Hz到1MHz，特殊可设计2000MHz光电传感器的结构可以测量高压电力线路上的谐波。电磁感应互感器很难实现。

2).数字接口，通信能力强

由于光电传感器下传光数字信号，与通信网络接口方便，传输过程中无测量误差。同时，随着微机保护控制设备的广泛应用，光电互感器可以直接向二次设备提供数字量，从而节省原保护装置中的变换器和A/D采样部分大大简化了二次设备，促进了保护新原理的研究。

3).体积小，重量轻，易升级，满足变电站小型化、紧凑型的要求

由于光电传感器通过传感器头和电子线路获取和处理信号，体积小，重量一般为1万kg以下，易于集成AIS或GIS在中间，这将大大降低变电站的面积，满足变电站小型化和紧凑的要求。同时，光电互感器可以通过少量光缆与二次设备连接，大大降低电缆沟和电缆。

类型

⑴槽型光电传感器

一个光发射器和一个接收器面对面安装在一个凹槽的两侧。发光器可以发出红外线或可见光，光接收器可以在不受阻碍的情况下接收光。然而，当被检测到的物体通过凹槽时，光被阻挡，光电开关移动。输出开关控制信号，切断或连接负载电流，完成一次控制动作。由于整体结构的限制，槽开关的检测距离一般只有几厘米。

⑵对射光电传感器

如果将发光器与接收器分开，可以增加检测距离。由发光器和接收器组成的光电开关称为对射分离光电开关，称为对射光电开关。它的检测距离可以达到几米甚至几十米。使用时，发光器和接收器分别安装在检测器通过路径的两侧。当检测器通过时，光路被阻挡，接收器将输出开关控制信号。

⑶反光板型光电开关

在同一装置中安装发光器和集光器，在其前面安装反射器，利用反射原理完成光电控制，称为反射器反射型（或反射器反射型）光电开关。在正常情况下，发光器发出的光被反射器反射，并被集光器接收；一旦光路被检测物体堵塞，集光器无法接收光，光电开关将移动并输出开关控制信号。

⑷扩散反射光电开关

它的检测头还配备了发光器和光收集器，但前面没有反射器。在正常情况下，无法找到发光器发出的光收集器。当检测器通过并反射光部分时，光收集器接收信号并输出开关信号。

分类

1、标准类型

1）漫反射型：一般型或能量型 (-8)，聚焦式 (-8-H)，带背景抑制功能型 (-8-H)，带背景分析功能型 (-8-HW)；

2）反射板型：一般型 (-6)，带偏振滤波功能型 (-54, -55)，带透明体检测功能型 (-54-G)，带前景抑制功能型 (-54-V)；

3）对射型；

4）槽型；

5）光纤传感器：塑料光纤型，玻璃光纤型；

6）色标传感器，颜色传感器，荧光传感器；

7）光通讯；

8）激光测距：三角反射原理型，相位差原理型，时间差原理型；

9）光栅；

10）防爆/隔爆型。

2、安全类型

1）安全对射光电；

2）安全光栅；

3）安全光幕；

4）安全控制器。

3、门控类型

1）雷达传感器：区域检测型；

2）主动式传感器：单光束型，多光束型，区域检测型；

3）被动式传感器：区域检测型；

4）电梯光幕；

5）通用光电：槽形，对射型等。

应用

以光电元件为敏感元件的光电传感器种类繁多，用途广泛。根据光电传感器的输出性质，可分为两类：（1）光电测量仪器将测量转化为连续变化的光电流，可用于测量物体的光强度、温度、透光率、位移和表面状态。例如，测量光强的照度计、光电高温计、光电比色计和浊度计以及防止火灾的光电报警器构成自动检测装置和仪器，如检查被加工部件的直径、长度、椭圆度和表面粗糙度。其敏感元件采用光电元件。半导体光电元件不仅在民用工业领域得到了广泛的应用，而且在军事上也有着重要的地位。例如使用硫化铅光敏电阻可以制成红外夜视仪、红外摄影仪、红外导航系统等；(2)将测量转化为不断变化的光电流。光电元件用于光照或无光照时"有"或"无"各种光电自动装置由电信号输出特性制成。开关式光电转换元件采用光电元件。例如电子计算机的光电输入器、开关式温度调节装置、速度测量数字光电速度计等。

一、烟尘浊度监测仪

防止工业烟尘污染是环境保护的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要了解烟尘排放情况，因此必须监测烟尘源，自动显示和超标报警。烟道中的烟尘浊度是通过烟道传输过程中光线的变化来检测的。如果烟道的浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒吸收和折射，到达光探测器的光减少。因此，光探测器输出信号的强度可以反映烟道浊度的变化。

二、条形码扫描笔

当扫描笔头在条形码上移动时，如果遇到黑线，发光二极管的光将被黑线吸收，光敏三极管无法接收反射光，呈现高阻抗，处于截止状态。当遇到白色间隔时，发光二极管发出的光被反射到光敏三极管的基础上，光敏三极管产生光电流并通过。扫描完整个条形码后，光敏三极管将条形码一个接一个地变形为电脉冲信号。信号放大后，将形成一个脉冲列，然后通过计算机处理完成条形码信息的识别。

三、产品计数器

当产品在传送带上运行时，它会不断地阻挡光源到光电传感器的光路，从而使光电脉冲电路产生电脉冲信号。每次产品被遮挡时，光电传感器电路都会产生一个脉冲信号。因此，输出的脉冲数代表产品的数量，通过计数电路计数并显示在显示电路上。

四、光电烟雾报警器

当没有烟雾时，发光二极管发出的光线直线传播，光电三极管没有接收到信号。没有输出，当有烟雾时，发光二极管发出的光被烟雾颗粒折射，使三极管接收光，有信号输出并发出警报。

五、测量速度

在电机的旋转轴上涂上黑白两种颜色旋转时，反射光和非反射光交替出现。光电传感器相应地间歇性地接收光的反射信号，输出间歇性电信号，然后通过放大器和塑料电路放大塑料输出方波信号，最后通过电子数字显示器输出电机的速度。

六、光电池在光电检测和自动控制中的应用

光电电电池用于光电检测时，其基本原理与光敏二极管相同，但其基本结构和制造工艺并不完全相同。由于光电池不需要额外的电压；光电转换效率高、光谱范围宽、频率特性好、噪声低等，广泛应用于光电读取、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影回声、紫外线监视器、燃气轮机熄火保护装置等。

应用市场哪些案例

光电传感器应用于激光武器

光电传感器更容易成为激光攻击的目标，因为它们对红外辐射、可见光或两者都特别敏感。此外，电子系统和传感器本身也很容易受到激光产生的热噪声和电磁噪声的干扰，无法正常工作。战场上的激光武器攻击光电传感器的主要方法如下：使用适当的能量激光束“致盲”，使其无法探测或继续跟踪已探测到的目标。或者，如果传感器引导武器飞向目标，失明就会失去目标。综上所述，由于传感器在战场上的作用越来越重要，容易受到激光攻击，它们已成为低能激光武器的首选。

光电传感器应用于自动抄表系统

随着微电子技术、传感器技术、计算机技术和现代通信技术的发展，光电传感器可以用来开发自动手表复制系统。电表的铝板由电涡流和磁场产生的扭矩驱动。使用光电传感器可以将铝板的转数转换为脉冲数。例如，在旋转明亮的铝板上局部涂黑，然后通过反射光电发射接收管，则当铝板旋转时，在局部涂黑处会产生脉冲，铝板的转数采样可转换为相应的脉冲数，并通过光电耦合隔离电路送至CPU的T0端口进行计数处理。采用光电耦合隔离器可有效防止干扰信号进入微机。自动抄表系统可结合其他传输方式形成。

光电传感器用于监测烟尘污染

光电传感器是一种小型电子设备，通过将光强变化转换为电信号，可以检测其接收到的光强变化，实现控制功能。由于光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，广泛应用于工业自动化装置和机器人，可以利用光电传感器的特点检测烟尘，光电传感器输出信号的强度可以反映烟道浊度的变化。

卫生级防冲洗型光电传感器

防冲洗传感器能提供极高的可靠性和舒适性，降低运行成本。配合IO-Link接口以及能够大幅延长使用寿命的proTect+密封理念，这两款新型传感器适用于苛刻的应用环境，是食品饮料行业的理想解决方案。

光电传感器如何运用新技术在市场应用领域中发展的？

1、用于目标跟踪和坐标定位256光电管阵列四象限CMOS光电传感器

传统的象限传感器和当前的快速发展CMOS图像传感器的组合提出了一个256单元光电管阵列四象限CMOS光电传感器。

传感器的感光单元采用CMOS图像传感器中使用的有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)在设计中，光电信号预处理电路直接将传感器产生的光电信号转换为大范围的电信号输出，避免了弱信号的处理，降低了噪声的影响。传感器采用阵列采集光信号，可以直接确定目标光源的坐标位置，实现一步到位的快速调整。传感器使用标准CMOS传感器阵列和信号处理电路集成在同一芯片上的工艺制造可以实现传感器的集成SOC集成和智能化(SmartSensor)设计。广泛应用于激光瞄准、制导、跟踪，搜索装置，精密测量，如激光微定位、位移监控、精密机床的光电控制等精密机床领域。它是一种新型的集成阵列四象限，用于目标跟踪和坐标定位CMOS光电传感器。

2、光敏象限阵列与磁敏线阵列兼容CMOS数模混合传感器集成电路

基于硅光电传感的象限传感器广泛应用于激光跟踪制导.位移监控.精密机床和其他控制领域。基于硅的半导体磁敏传感器广泛应用于各种磁场计测量磁场强度.各种磁头和非磁信号探测器读出磁介质上的信息。

3、光电二极管阵列的应用SPR检测生物传感器微弱信号

为了提高表面等离子体共振生物医学传感器的检测能力，将高性能光电二极管阵列为光电转换装置，论证并实现了一种有效的噪声抑制检测方法，利用光电二极管阵列装置可以输出参考噪声信号的特性，通过连贯的噪声消除波软阈值噪声消除，使SPR传感器输出信噪比为40%dB左右提高到52dB以上.用SPR传感器检测人体免疫球蛋白(IgG)分子特异性结合的实验表明，这种方法得到了显著改进SPR传感器的分辨率使其能够准确地检测样液中的分辨率IgG含量10~(-3)mg/mL精度和分辨率提高到一个数量级以上。

4、运动物体检测中光电检测传感器阵列的应用

基于覆盖理论和卡尔曼滤波算法的光电检测传感器阵列具有收集和处理阵列覆盖区域中感知对象信息的功能，即检测和描述感知对象的存在.运动及其运动轨迹等。

未来光电传感器发展的方向

光电传感器的发展方向

1、生产的发展方向

(1)使光电传感器从理论研究快速发展到生产一站式工业化模式，走自主创新与国际合作相结合的跨越式发展道路，使中国成为世界传感器生产大国；

(2)光电传感器产品结构全面、协调、可持续发展。产品品种要向高科技、高附加值倾斜，尤其要填充“空白”品种；

(3)生产模式正在向专业化方向发展。也就是说，传感器类别的生产很少和很好，特别是生产某一应用领域所需的某一类传感器系列产品，以获得较高的市场份额，以及每个传感器企业的专业合作生产；

(4)光电传感器的大规模生产技术正在向自动化方向发展。光电传感器种类繁多，使用的敏感材料不同，决定了传感器制造技术的多样性和复杂性。从目前光电传感器工艺线的概况来看，大部分工艺都实现了单机自动化，但在生产过程中仍存在许多困难，未来需要广泛应用CAD，CAM先进的自动化设备和工业机器人取得突破；

(5)企业重点技术转型应加强从依赖引进技术到消化吸收和自主创新的转移；

(6)企业要加快跨越式发展，从国内市场向国内外市场结合；

(7)企业结构将会“大、中、小并举”，“集团化、专业化生产共存”发展模式。

3、研究的发展方向

光电传感及其相关技术的快速发展满足了各种控制装置和系统的更高要求，使得各个领域的自动化程度越来越高，光电传感器的重要性不断提高。

目前，光电传感器研究的主要方向是:

(1)多用途。也就是说，一个光电传感器不仅可以测量一个物理量，还可以同时测量各种物理量；

(2)开发新的传感材料和传感技术；

(3)在恶劣条件下(高温、高压等)开发和应用低成本传感器(连接、安装等)；

(4)结合光电传感器与其他微技术的微光学技术的发展。

3、前景预测

根据传感器市场报告，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场将达到600多亿美元。调查显示，东欧、亚太地区和加拿大已经成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国和日本仍然是传感器市场分布最大的地区。就世界而言，汽车市场仍然是传感器市场增长最快的市场，其次是过程控制市场和通信市场前景。

一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特点。市场规模最大的是流量传感器、压力传感器和温度传感器，分别占整个传感器市场的21%、19%和14%。无线传感器在传感器市场的主要增长，MEMS传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，2007-2010年无线传感器复合年增长率预计将超过25%。

在不断变化的创新中，全球传感器市场呈现出快速增长的趋势。相关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有技术的基础上扩展和改进，各国将竞争加快新一代传感器的发展和产业化，竞争将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化物传感器，以及市场份额的扩大。