光電感測技術

中文名：光電感測技術

外文名：Photoelectric sensing technology

應用學科：計算機

光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，感測器的結構簡單，形式靈活多樣，因此，光電式感測器在檢測和控制中應用非常廣泛。

光電感測器是各種光電檢測系統中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。

光電式感測器是以光電器件作為轉換元件的感測器。它可用於檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態的識別等。光電式感測器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。新的光電器件不斷湧現，特別是CCD圖像感測器的誕生，為光電感測器的進一步應用開創了新的一頁。

由光通量對光電元件的作用原理不同所製成的光學測控系統是多種多樣的，按光電元件(光學測控系統)輸出量性質可分二類，即模擬式光電感測器和脈衝（開關）式光電感測器。模擬式光電感測器是將被測量轉換成連續變化的光電流，它與被測量間呈單值關係。模擬式光電感測器按被測量（檢測目標物體）方法可分為透射(吸收)式，漫反射式，遮光式（光束阻檔）三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恆光源發出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恆光源發出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當光源發出的光通量經被測物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關。

光敏二極體是最常見的光感測器。光敏二極體的外型與一般二極體一樣，當無光照時，它與普通二極體一樣，反向電流很小，稱為光敏二極體的暗電流；當有光照時，載流子被激發，產生電子-空穴，稱為光電光電感測器載流子。在外電場的作用下，光電載流子參與導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，於是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。

光敏三極體除了具有光敏二極體能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極體相差不大，一般光敏三極體只引出兩個極——發射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區面積做得很大，發射區較小，入射光主要被基區吸收。工作時集電結反偏，發射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三極體的穿透電流還小；當有光照時，激發大量的電子-空穴對，使得基極產生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+β）Ib，可見光電三極體要比光電二極體具有更高的靈敏度。

工作原理：

光電感測器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。

光電感測器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路。

發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源於半導體光源，發光二極體(LED)、激光二極體及紅外發射二極體。光束不間斷地發射，或者改變脈衝寬度。接收器有光電二極體、光電三極體、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其後面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。

此外，光電開關的結構元件中還有發射板和光導纖維。

槽型光電感測器：

把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側組成槽形光電。發光器能發出紅外光或可見光，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，光電開關便動作，輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。

對射型光電感測器：

若把發光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大，一個發光器和一個收光器組成對射分離式光電開關，簡稱對射式光電開關。對射式光電開關的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用對射式光電開關時把發光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。

反光板型光電開關：

把發光器和收光器裝入同一個裝置內，在前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用，稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關。正常情況下，發光器發出的光源被反光板反射回來再被收光器收到；一旦被檢測物擋住光路，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。

擴散反射型光電開關：

擴散反射型光電開關的檢測頭裡也裝有一個發光器和一個收光器，但擴散反射型光電開關前方沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是找不到的。在檢測時，當檢測物通過時擋住了光，並把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關信號。

首先要考慮的是接線或配置的問題。對於對射型光電感測器必須由投光部和受光部組合使用，兩端都需要供電；而回歸反射型必須由感測器探頭和回歸反射板組合使用；同時，用戶必須給感測器提供穩定電源，如果是直流供電，必須確認正負極，如若正負極連接錯誤則會導致輸出信號沒有。

上述的原因分析是對光電感測器本身的考慮，我們還需要考慮的是檢測物體的位置問題，如果檢測物體不在檢測區域，這樣的檢測是徒勞的。檢測物體必須在感測器可以檢測的區域內，也就是光電可以感知的範圍內。其次，要考慮感測器光軸有沒有對準問題，對射型的投光部和受光部光軸必須對準，對應的回歸反射型的探頭部分和反光板光軸必須對準。同樣還要考慮的是檢測物體是否符合標準檢測物體或者最小檢測物體的標準，檢測物體不能小於最小檢測物體的標準，從而避免導致對射型、反射型不能很好檢測透明物體，像反射型對檢測物體的顏色有要求，顏色越深，檢測距離就越近。

如果以上情況都可以很明確地做出排除后，我們需要做的事就是檢測環境的干擾因素。如光照強度不能超出額定範圍；如果現場環境有粉塵，就需要我們定期清理光電感測器探頭表面；或者是多個感測器緊密安裝，互相產生干擾；還有一種影響比較大的是電氣干擾，如果周圍有大功率設備，產生干擾時必須要有相應的抗干擾措施。如果做過上述的逐一排查，這些因素都可以明確地排除還是沒有信號輸出的話，建議退回廠家檢測判斷。

光電感測器通常由三部分構成，它們分別為：發送器、接收器和檢測電路。

發射器帶一個校準鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內有一個小的白熾燈做為光源，這些小而堅固的白熾燈感測器就是如今光電感測器的雛形。

接收器有光電二極體、光電三極體及光電池組成。光敏二極體是現在最常見的感測器。光電感測器光敏二極體的外型與一般二極體一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便於光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大，光敏二極體工作在反向偏置的工作狀態下，並與負載電阻相串聯，當無光照時，它與普通二極體一樣，反向電流很小稱為光敏二極體的暗電流；當有光照時，載流子被激發，產生電子-空穴，稱為光電載流子。

此外，光電感測器的結構元件中還有發射板和光導纖維。角反射板是結構牢固的發射裝置，它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回。它可以在與光軸0到25的範圍改變發射角，使光束幾乎是從一根發射線，經過反射后，仍從這根反射線返回。

1、檢測距離長

如果在對射型中保留10 m以上的檢測距離等，便能實現其他檢測手段（磁性、超聲波等）無法遠距離檢測。

2、對檢測物體的限制少

由於以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近感測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、響應時間短

光本身為高速，並且感測器的電路都由電子零件構成，所以不包含機械性工作時間，響應時間非常短。

4、解析度高

能通過高級設計技術使投光光束集中在小光點，或通過構成特殊的受光光學系統，來實現高解析度。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。

5、可實現非接觸的檢測

可以無須機械性地接觸檢測物體實現檢測，因此不會對檢測物體和感測器造成損傷。因此，感測器能長期使用。

6、可實現顏色判別

通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據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，可對檢測物體的顏色進行檢測。

7、便於調整

在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便於對檢測物體的位置進行調整。

1、煙塵濁度監測儀

防止工業煙塵污染是環保的重要任務之一。為了消除工業煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。

2、條形碼掃描筆

當掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發光二極體的光線將被黑線吸收，光敏三極體接收不到反射光，呈高阻抗，處於截止狀態。當遇到白色間隔時，發光二極體所發出的光線，被反射到光敏三極體的基極，光敏三極體產生光電流而導通。整個條形碼被掃描過之後，光敏三極體將條形碼變形一個個電脈衝信號，該信號經放大、整形后便形成脈衝列，再經計算機處理，完成對條形碼信息的識別。

3、產品計數器

產品在傳送帶上運行時，不斷地遮擋光源到光電感測器的光路，使光電脈衝電路產生一個個電脈衝信號。產品每遮光一次，光電感測器電路便產生一個脈衝信號，因此，輸出的脈衝數即代表產品的數目，該脈衝經計數電路計數並由顯示電路顯示出來。

4、光電式煙霧報警器

沒有煙霧時，發光二極體發出的光線直線傳播，光電三極體沒有接收信號。沒有輸出，有煙霧時，發光二極體發出的光線被煙霧顆粒折射，使三極體接受到光線，有信號輸出，發出報警。

5、測量轉速

在電動機的旋轉軸上塗上黑白兩種顏色，轉動時，反射光與不反射光交替出現，光電感測器相應地間斷接收光的反射信號，並輸出間斷的電信號，再經放大器及整形電路放大整形輸出方波信號，最後由電子數字顯示器輸出電機的轉速。

6、光電池在光電檢測和自動控制方面的應用

光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極體相同，但它們的基本結構和製造工藝不完全相同。由於光電池工作時不需要外加電壓；光電轉換效率高，光譜範圍寬，頻率特性好，雜訊低等，它已廣泛地用於光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光准直、電影還音、紫外光監視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。

光電感測器應用於激光武器：

由於光電感測器對紅外輻射，或可見光，或對二者都特別靈敏，因而就更加容易成為激光攻擊的目標。此外，電子系統及感測器本身還極易受到激光產生的熱雜訊和電磁雜訊的干擾而無法正常工作。戰場上的激光武器攻擊光電感測器的方式主要有以下幾種：用適當能量的激光束將感測器“致盲”，使其無法探測或繼續跟蹤已經探測到的目標。或者，如果感測器正在導引武器飛向目標，則致盲將使其失去目標。綜上所述，由於感測器在戰場上發揮的作用越來越重要，同時又很容易遭受激光攻擊，它們已成為低能激光武器的首選目標。

光電感測器應用於自動抄表系統：

隨著微電子技術、感測器技術、計算機技術及現代通訊技術的發展，可以利用光電感測器來研製自動抄表系統。電能表的鋁盤受電渦流和磁場的作用下產生的轉矩驅動而旋轉。採用光電感測器則可將鋁盤的轉數轉換成脈衝數。如：在旋轉的光亮的鋁盤上局部塗黑，再配以反射式光電發射接收對管，則當鋁盤旋轉時，在局部塗黑處便產生脈衝，並可將鋁盤的轉數採樣轉換為相應的脈衝數，並經光電耦合隔離電路，送至CPU的T0埠進行計數處理。採用光電耦合隔離器可有效地防止干擾信號進入微機。再結合其它傳輸方式便可以形成自動抄表系統。

光電感測器應用於監控煙塵污染：

光電感測器是一種小型電子設備，它可以檢測出其接收到的光強的變化，通過把光強度的變化轉換成電信號的變化實現控制功能。由於光電式感測器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用，而我們可以利用光電感測器的特性來檢測煙塵的情況，因而光電感測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。

1、暫態響應範圍寬，諧波測量能力強

暫態特性的優劣是判斷一種互感器能否在電力系統中獲得應用的一個重要參數，特別是與繼電保護動作時間的配合。傳統電磁式互感器由於存在鐵芯，對高頻信號的響應特性較差，不能正確反映一次側的暫態過程。而光電互感器傳測量的頻率範圍主要由電子線路部分決定，沒有鐵芯飽和的問題，因此能夠準確反映一次側的暫態過程。一般可設計到0.1 Hz到1 MHz，特殊的可設計到200 MHz的帶通。光電感測器的結構可以測量高壓電力線路上的諧波。而電磁感應互感器是難以達到的。

2、數字介面，通信能力強

由於光電感測器下傳的就是光數字信號，與通信網路容易介面，且傳輸過程中沒有測量誤差。同時隨著微機化的保護控制設備的廣泛採用，光電互感器可以直接向二次設備提供數字量，這樣就能省去原來保護裝置中的變換器和A/D採樣部分，使二次設備得到大大的簡化，推動保護新原理的研究。

3、體積小，重量輕、易升級，滿足變電站小型化與緊湊型的要求，由於光電感測器是靠感測頭和電子線路進行信號的獲取和處理，體積小，重量一般在 1000 kg以下，便於集成在AIS或GIS中，這樣將大大減少變電站的佔地面積，滿足變電站小型化和緊湊化的要求。同時光電互感器通過少量光纜與二次設備連接，可使電纜溝和電纜大為減。

光電感測器的主要應用領域：車載娛樂/導航/DVD系統背光控制，以便在所有的環境光條件下都可以顯示出理想的背光亮度；後座娛樂用顯示器背光控制；儀錶組背光控制(速度計/轉速計)；自動後視鏡亮度控制(通常要求兩個感測器，一個是前向的，一個是後向的)；自動前大燈和雨水感應控制(專用，根據需求進行變化)；后視相機控制(專用，根據需求進行變化)。在提供更舒適的顯示質量方面已經成為最有效的解決方案之一，它具有與人眼相似的特性，這對於汽車應用而言至關重要，因為這些應用要求在所有環境光條件下都能達到完全的背光效果。例如，在白天，用戶需要最大的亮度來實現最佳的可見度，但是這種亮度在對於夜間條件而言則是過亮的，因此帶有良好光譜響應 (良好的IR衰減)的光感測器、適當的動態範圍和整體的良好輸出信號調節可以很容易地自動完成這些應用。終端用戶可以設置幾個閾值水平(如低、中、亮光)，或能夠隨意地動態地改變感測器的背光亮度。這也適用於汽車後視鏡亮度控制，當鏡子變暗和/或變亮時需要智能的亮度管理，可以通過環境光感測器來完成。

對於攜帶型應用，如果用戶不改變系統設置(通常是亮度控制)，那麼一個顯示器總是消耗同樣多的能量。在室外等特別亮的區域，用戶傾向於提高顯示器的亮度，這就會增加系統的功耗。而當條件變化時，如進入建築物，大多數用戶都不會去改變設置，因此系統功耗仍然保持很高。但是，通過使用一個光感測器，系統能夠自動檢測條件變化並調節設置，以保證顯示器處於最佳的亮度，進而降低總功耗。在一般的消費類應用中，這也能夠延長電池壽命。對於行動電話、筆計本電腦、PAD和數碼相機，通過採用環境光感測器反饋，可以自動進行亮度控制，從而延長了電池壽命。

並不是一個新的構想。在數十年前就已經利用光電二極體和光敏電阻來實現這一構想。所謂新構想，是指對環境光感應的同時還能消減無用的紅外線和紫外線光，而且在支持汽車規格AECQ-1000嚴格要求的同時還可以實現小封裝，尤其是能夠保證在-40度至+105度(2級)溫度範圍內的操作，以滿足其餘的規格要求。如何保持工作質量標準並滿足AECQ-1000的2級工作要求，這是當今在所有光設計解決方案中所面臨的挑戰。採用一個光感測器或LED發射器或接收器時，任何的光學解決方案都會面臨著暴露在恆定高溫下(>+85度)而出現的封裝變色問題(會變暗或變成淡黃)。同樣值得一提的是，到目前為止，所有環境光感測器的應用都限於車艙內，在發動機艙或戶外環境中還沒有出現光感測器應用。事實上，即使出現了這樣的應用，光封裝也不是針對這樣的苛刻條件(+125或+150度的條件)而設計，因此，在當前的光學封裝技術下，它們很可能還不能夠承受這樣的條件。

半導體相似感測器和封裝開發的最新進展使得終端用戶在光感測器上具有了更廣泛的選擇。小封裝、低功耗、高集成和簡單易用性是設計者更多地採用光感測器的原因，其應用範圍涉及消費類電子、工業應用以及汽車領域。

1、用於目標跟蹤和坐標定位256光電管陣列四象限CMOS光電感測器

將傳統的象限感測器與當前迅速發展的CMOS圖象感測器相結合，提出了使用有源感測陣列感光的256單元光電管陣列四象限CMOS光電感測器。

該感測器的感光單元採用了CMOS圖象感測器中使用的有源像素感測器(Active Pixel Sensor，APS)設計，在感光單元內部由光電信號預處理電路直接將感測產生的光電信號轉化為幅度較大的電信號輸出，避免了對微弱信號的處理，降低了雜訊的影響。感測器應用陣列採集光信號，可以直接確定目標光源的坐標位置並實現一步到位的快速調整。感測器使用標準CMOS工藝製造，將感測陣列與信號處理電路集成在同一晶元上，可以實現感測器的SOC集成和智能化(Smart Sensor)設計。廣泛應用於激光的瞄準、制導、跟蹤，搜索裝置，精密測量，如激光微定位、位移監控、精密機床的光電控制等領域。是一種用於目標跟蹤和坐標定位的新型集成陣列四象限CMOS光電感測器。

2、光敏象限陣列與磁敏線陣列兼容CMOS數模混合感測器集成電路

基於硅光電感測的象限感測器廣泛應用於激光的跟蹤制導、位移監控、精密機床等控制等領域。基於硅的半導體磁敏感測器廣泛應用於測量磁場強度的各種磁場計、讀出磁介質上信息的各類磁頭以及非磁信號的探測器等。

3、應用光電二極體陣列的SPR生物感測器微弱信號檢測

以提升表面等離子共振生物醫學感測器的檢測能力為目標，用高性能光電二極體陣列為光電轉換器件，論證並實現一種可高效抑制雜訊的檢測方法，利用光電二極體陣列器件可輸出參考雜訊信號的特性，通過相干消噪結合小波軟閾值消噪，使SPR感測器輸出信噪比從40dB左右提高到52dB以上，用SPR感測器檢測人體免疫球蛋白(IgG)分子特異性結合的實驗表明，該方法顯著提高了SPR感測器的解析度，使之可精確檢測樣液中IgG含量10~(-3)mg/mL量級的微弱變化，精度和解析度提升一個數量級以上。

4、光電檢測感測器陣列在運動物體檢測中的應用

一個基於覆蓋理論和卡爾曼濾波演演算法的光電檢測感測器陣列，該陣列具有採集和處理陣列覆蓋區域中所感知對象信息的功能，即檢測和描述感知對象的存在、運動及其運動軌跡[14] 等情況。

諮詢公司INTECHNOCONSULTING的感測器市場報告顯示，2008年全球感測器市場容量為506億美元，預計2010年全球感測器市場可達600億美元以上。調查顯示，東歐、亞太區和加拿大成為感測器市場增長最快的地區，而美國、德國、日本依舊是感測器市場分佈最大的地區。就世界範圍而言，感測器市場上增長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程式控制制市場，看好通信市場前景。

一些感測器市場比如壓力感測器、溫度感測器、流量感測器、水平感測器已表現出成熟市場的特徵。流量感測器、壓力感測器、溫度感測器的市場規模最大，分別佔到整個感測器市場的21%、19%和14%。感測器市場的主要增長來自於無線感測器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機電系統)感測器、生物感測器等新興感測器。其中，無線感測器在2007-2010年複合年增長率預計會超過25%。

全球的感測器市場在不斷變化的創新之中呈現出快速增長的趨勢。有關專家指出，感測器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代感測器的開發和產業化，競爭也將日益激烈。新技術的發展將重新定義未來的感測器市場，比如無線感測器、光纖感測器、智能感測器和金屬氧化感測器等新型感測器的出現與市場份額的擴大。

參考資料

1．如何正確判斷光電感測器輸出無信號．感測器之家．2013-6-26．

2．光電感測器工作原理及結構分析．大比特商務網．

3．光電感測器的分類．感測器交易網．

4．光電感測器的特長有哪些?．感測器．

5．光電感測器應用於激光武器．中國移動物聯網．

6．光電感測器應用於自動抄表系統．中國移動物聯網．

7．光電感測器應用於監控煙塵污染．中國移動物聯網．

8．基於光電感測器的變電站通信控制系統解決方案．中國移動物聯網．

9．256光電管陣列四象限CMOS光電感測器研究．知網空間．2004．

10．新型集成陣列四象限CMOS光電感測器的研製．中國知網．2005．