敖志偉

摘 要：光電傳感器是一種以光電效應(yīng)為基本工作原理的傳感器。本文從光電效應(yīng)為出發(fā)點(diǎn)，詳細(xì)闡述了光電傳感器的基本工作原理和分類，總結(jié)了其在自動(dòng)控制領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，最后以煙塵濁度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀和條形碼掃描筆為例介紹了光電傳感器在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光電傳感器；自動(dòng)控制；光電效應(yīng)

1 光電傳感器原理及分類

1.1 光電效應(yīng)

光電傳感器以光電效應(yīng)為核心工作原理。當(dāng)物體受到光輻射時(shí)，其內(nèi)部電子會(huì)吸收光粒子的能量而使自身性質(zhì)發(fā)生根本的改變，該現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。根據(jù)光照后電子狀態(tài)的不同變化，一般將光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)，而后者又可以進(jìn)一步分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指在光線的作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象，光電管是以該效應(yīng)的原理的典型光電元件。內(nèi)容光電效應(yīng)則是指光照后物體的電子不能逸出表面而使其內(nèi)部的電導(dǎo)率發(fā)生改變，或者產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，以內(nèi)光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的典型光器件有光敏電阻、二極管等[1]。

1.2 光電傳感器的基本原理

光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件3部分構(gòu)成。通過把被測(cè)物理量的變化直接或間接轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的變化，再經(jīng)過光電元件把光信號(hào)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的變化，最后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析，即可計(jì)算出被測(cè)物理量。

1.3 光電傳感器的分類

根據(jù)發(fā)射端（光源）與接收端（光電元件）的位置關(guān)系，可以將光電傳感器分為槽型、對(duì)射型、反光板型和漫反射型4類：將光發(fā)射端和光接收器分別安裝在一個(gè)槽的相對(duì)兩側(cè)，發(fā)射端在沒有任何阻擋的情況下接收端將收到光照[2]。一旦被檢測(cè)物體從槽中通過，則發(fā)光線就會(huì)被遮擋而觸發(fā)光電開關(guān)，產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)來切斷或接通負(fù)載回路，從而完成一次基本控制動(dòng)作。如果將發(fā)射端和接收端之間的距離分得更遠(yuǎn)，就形成了對(duì)射式光電傳感器。反射板型光電傳感器的發(fā)射端與接收端安裝在同一側(cè)，并且其前方裝有一塊反光板，若光路無阻，則出射光經(jīng)反射回到接收端，一旦被測(cè)物體出現(xiàn)在光路中，則會(huì)觸發(fā)光電開關(guān)而產(chǎn)生開關(guān)控制信號(hào)。反光板也可以由被測(cè)物體充當(dāng)，當(dāng)被測(cè)物體出現(xiàn)在光路中并將部分光線反射回接收端，則可成功檢測(cè)到物體的存在，此時(shí)就成了漫反射型光電傳感器。

2 光電傳感器在自動(dòng)控制的應(yīng)用

由于光電傳感器特有的優(yōu)勢(shì)，其在自動(dòng)控制領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，下面舉幾個(gè)典型的應(yīng)用案例。

2.1 煙塵濁度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

工業(yè)煙塵對(duì)環(huán)境的影響十分嚴(yán)重，因此有必要對(duì)煙塵源的濁度進(jìn)行監(jiān)測(cè)、顯示和超標(biāo)報(bào)警。該系統(tǒng)采用了對(duì)射式檢測(cè)方式，利用煙塵對(duì)光線的散射原理進(jìn)行檢測(cè)。煙塵濁度越高，光源發(fā)出的光被散射得越嚴(yán)重，接收端接收的光信號(hào)越弱。因此，只要檢測(cè)接收端的光電流就可以實(shí)現(xiàn)煙塵濁度的測(cè)量。為了提高性能，對(duì)光電流進(jìn)行了放大，當(dāng)放大電路輸出的電信號(hào)超過規(guī)定值時(shí)，觸發(fā)諧振器工作，從而驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)生報(bào)警信號(hào)。光源采用白熾燈是為了避免大氣中的水蒸汽和二氧化碳對(duì)光源造成的衰減而影響測(cè)量精度[3]。

2.2 光電轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀

光電轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀主要由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等部分構(gòu)成。開孔圓盤與被測(cè)軸相連并保持同步，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)并恰好通過縫隙析時(shí)，光源發(fā)生的光線便會(huì)穿過縫隙而被光敏元件接收，從而產(chǎn)生一次計(jì)數(shù)脈沖。根據(jù)脈沖出現(xiàn)的頻率即可計(jì)算出被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速。其原理圖如圖1所示。

2.3 條形碼掃描筆

條形碼掃描筆采用光電反射式設(shè)計(jì)，發(fā)射端為一個(gè)發(fā)光二極管，接收端為一個(gè)光敏三極管，兩者都封裝在掃描筆筒內(nèi)，筆尖處留一小孔，并且該小孔恰好為檢測(cè)光的折射點(diǎn)。筆尖在條形碼上掃描時(shí)，當(dāng)掃到黑色豎線時(shí)，光源的光線被吸收較多，只有很少一部分經(jīng)紙面反射到接收端，從而產(chǎn)生一個(gè)較低的電平信號(hào)；當(dāng)掃描到條形碼的白色間隔處時(shí)，光源的光線大部分被反射回接收端，從而產(chǎn)生一個(gè)較高的電平信號(hào)。高電平與低電平的變化規(guī)律與變形碼的分布相同，經(jīng)過解碼后，最終得到條形碼的數(shù)字序列。其原理圖如圖2所示。

3 結(jié)論

光電傳感器是基于光電效應(yīng)而工作的，是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，具有檢測(cè)距離長(zhǎng)、檢測(cè)對(duì)象無限制、檢測(cè)物理量多、響應(yīng)速度快、非接觸式檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中占有極其重要的地位。隨著光電傳感器的集成化和產(chǎn)業(yè)化，以及無線光電傳感器、光纖光電傳感器、智能光電傳感器和COMS圖像傳感器等新型光電傳感器件的出現(xiàn)，未來的光電傳感器市場(chǎng)正在被重新定義。

參考文獻(xiàn)

[1]楊應(yīng)平，胡昌奎，胡靖華編著.光電技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]陳冬萍.基于光電傳感器測(cè)距的智能軟包計(jì)數(shù)系統(tǒng)[D].杭州電子科技大學(xué)，2013.

[3]葉仁虎.基于光電傳感器的地震波檢測(cè)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春理工大學(xué)，2013.

（作者單位：軍械工程學(xué)院）