从0到1,全面解读光电传感器

在光的感应和检测中,尽可能保持光不扩散、光能量不损耗是非常重要的一环,这对于传感器的精度有着非常大的影响。所以,光纤传感器、激光传感器和CMOS可见光传感器等精度更高的光电传感器相继被研发出来,并成为现在甚至未来好几年的热门光电传感器。

光电传感器指采用光电元件来检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器,一般由发送器、接收器和检测电路三部分组成,工作原理是先把被测量的变化转换成光信号的变化,再将光信号的变化转换成电信号的变化。

故光电传感器的本质是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制

比如光传感器的应用条形码扫描笔,就是通过检测条形码反射的光强度变化来识别条形码。在条形码扫描笔里,发光二极管就是光电传感器的发送器,光敏三极管是接收器,而把电脉冲信号进行放大、整形等处理的电路则为检测电路。

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140年,光电传感器的“改朝换代”发展史

源起:白炽灯传感器

1879年,爱迪生发明了白炽灯,而最早的光电传感器用的就是白炽灯作为发射光源。一个小的金属圆柱形设备里面有一个白炽灯作为光源,同时还带有一个校准镜头,可将光聚集射向接收器,再通过接收器出电缆连接到一个真空管放大器上,这就是早期的白炽灯传感器,也是光电传感器的雏形,可用于检测物体的有无。

发展:LED取代白炽灯

19世纪60年代,LED(发光二极管)开始出现,人们发现用LED做的光电传感器性能比白炽灯传感器要优质可靠,因此LED开始取代白炽灯。

相比于白炽灯,LED的优势主要在于以下4点:

1、寿命更长。白炽灯发亮的原理是高温钨丝产生光辐射,但钨丝温度越高,升华越快,故白炽灯的寿命较短;而LED是固态的,不存在升华问题,帮能延长传感器的使用寿命。

2、能耗更低。LED发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所发出光能的一部分。

3、速度更快。LED能够以非常快的速度来开关,开关速度可达到KHz。

4、LED体积小,且抗冲击和抗震性能也更好。

进化1:非调制的LED光电传感器退出历史舞台

1970年,人们将接收器的放大器调制到发射器的调制频率,让传感器只能对某种频率振动的光信号进行放大,以此大大加快了LED光电传感器的开关速度。

另外,对于LED光电传感器来说,调制本身就是非常有必要的,因为一个LED发出的光能是很小的,所以要经过调制才能使其能量变得很高,从而改进光电传感器的设计,增大了检测距离,扩展了光束的角度,提高传感器的准确性以及对环境的抗干扰能力。

于是,1980年,非调制的光电传感器逐步退出历史舞台。

进化2:高效可见光LED出现,革新色标传感器

如果说调制的LED传感器提高了光电传感器的开关性能,那么高效可见光LED出现,就是革新了色标传感器。

LED能发射多种光,包括红外光、绿光、红光、蓝光或白光等,不过早期LED发出的光都是相对弱的,其中红外光LED的效率最高,但对于那些需要区分不同颜色的光电传感器来说(比如色标传感器),不可见的红外光不适合,它们需要的是可见光源。

因此,早期LED并不适用于色标传感器,当时的色标传感器都是用白炽灯作光源,直到后来发明了高效的可见光LED。


以发光效率为标志的LED发展历程

从可见光LED的发展历程可发现,1985年后,采用AlGaInP、SiC和GaN等材料的LED逐渐出现,这些材料禁带宽度大,还能通过调整掺杂组分来改变带隙宽度,从而得到超高亮度的可见光LED。

现在,多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器。

展望:光纤传感器、激光传感器和CMOS可见光传感器

在光的感应和检测中,尽可能保持光不扩散、光能量不损耗是非常重要的一环,这对于传感器的精度有着非常大的影响。所以,光纤传感器、激光传感器和CMOS可见光传感器等精度更高的光电传感器相继被研发出来,并成为现在甚至未来好几年的热门光电传感器。


3种光电效应,解读光电传感器核心工作原理

没有光电效应,就没有光电传感器。

光电传感器之所以能把光信号转换成电信号,检测物体的有无和表面状态的变化,主要靠的是各种光电元件,包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等,这些光电元件一般作为光电传感器的接收器,工作原理是光电效应:

当物体受到光线照射时,其内部的电子吸收了光子的能量后改变状态,自身的电性质也会发生改变。

光电效应的本质是光变致电,光电转换。

光电效应分为外光电效应和内光电效应,其中内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应,光电导效应需要给电路加电压,而光生伏特不用。这三种光电效应的区分很简单,就是在光线作用下,它们电子的变化是不一样的。


制图:传感器专家网

①在光线作用下,电子逸出物体表面,物体的伏安特性发生了变化,这是外光电效应,如光电管,光电倍增管等。


外光电效应

②吸收光线能量后,电子不逸出,物体电阻率发生明显变化,这是光电导效应,如光敏电阻,光敏晶体管等;


光电导效应

③吸收光线能量后,电子不逸出,并在物体内部自建场里产生光电压,这是光生伏特效应,如光敏二极管,三极管和光电池等。


光生伏特效应

通过以上光电元件,我们可以把测量物的光变化转化成电变化。

比如利用光电管(外光电效应)作为接收器,制成光控制电器,可用于自动控制,进行自动计数、自动报警、自动跟踪等。当光照在光电管上时,光电管电路中产生电光流,经过放大器放大,使电磁铁磁化,然后把衔铁吸住;当光电管上没有光照时,光电管电路中没有电流,电磁铁与衔铁分离。


再比如最常见的光敏二极管(光电导效应)。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样,只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口,以便于光线射入,为增加受光面积,PN结的面积做得较大。当无光照时,它的反向电流很小,电路截止;当有光照时,载流子被激发,产生光电载流子,电路接通。


总得来说,光电效应让光电传感器拥有了感知光变化的能力,并把光信号变化转换成电信号变化,进行数据处理与应用。


4种结构类型,光电传感器检测方式的大不同

光电传感器具有精度高、反应快、非接触、灵活、检测距离远等优点,广泛应用在检测和控制中,可检测物体有无、光信号强弱、光的颜色等参数,然后进行控制,常见的有开关控制、自动计件、颜色分拣等。

根据检测方式的不同,光电传感器可分为漫反射型、反射板型、对射型和距离型,不同的类型对应不同结构的光电传感器。


制图:传感器专家网

①漫反射型:漫反射型光电开关


漫反射型光电开关,发射器和接收器装在一起,当开关发射光束时,目标产生漫反射,当有足够的组合光返回接收器时,开关状态发生变化。

漫反射型是安装最简单方便,但作用距离最短,检测也最不稳定。

②反射板型:反光板型光电开关


反光板反射式光电开关,把发光器和收光器装入同一个装置内,并在它的前方装一块反光板,利用反射原理完成光电控制作用。正常情况下,发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到;一旦光路被检测物挡住,收光器收不到光时,光电开关就动作,输出一个开关控制信号。

反射板型光电传感器可检测透明物体和光亮度高的物体,作用距离较长,且安装方便,检测稳定。但当反光镜有灰尘时,检测精度会降低。

③对射型:对射型光电传感器


对射分离式光电开关,由一个发光器和一个收光器组成,若把发光器和收光器分离开,就可使检测距离加大,故它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧,检测物通过时阻挡光路,收光器就动作输出一个开关控制信号。

对射型光电传感器是检测精度最高的,距离也可以很远,但是安装不方便,占用空间较大,且不能检测透明和体积小的物体。

④距离型:扩散反射型光电开关


扩散反射型光电开关,它的检测头里装有一个发光器和一个收光器,但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光,并把光部分反射回来,收光器就收到光信号,输出一个开关信号。

距离型光电传感器的发射器是点发射,但接收器是面接收,所以它可以允许被测物有一个更大的偏转角度。

什么意思呢?

从上面的原理图,我们可以发现距离型光电传感器设定的检测距离是一定的,因此我们可以设定一个固定的发射光——反射光角度。当有检测物经过时,检测到的反射光与被检测物返回的反射光之间的角度与我们设定的角度肯定是不一致的,帮传感器能检测出物体的存在。即除了设定好的那个角度是判定为无物体的,其他所有角度都会判断为有物体,被测物的偏转角度变大,可大大提高传感器的精确性和灵敏度。


5种应用示例,光电传感器的广泛用途

接下来,将列举6种常见的光电传感器应用,从现实生活出发,更好地理解光电传感器。

1、光电式烟雾报警器

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信号。没有输出,有烟雾时,发光二极管发出的光线被烟雾颗粒折射,使三极管接受到光线,有信号输出,发出报警。

2、光电式转速表

在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色,转动时,反射光与不反射光交替出现,光电传感器相应地间断接收光的反射信号,并输出间断的电信号,再经放大器及整形电路放大整形输出方波信号,最后由电子数字显示器输出电机的转速。

3、产品计数器

产品在传送带上运行时,不断地遮挡光源到光电传感器的光路,使光电脉冲电路产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次,光电传感器电路便产生一个脉冲信号,因此,输出的脉冲数即代表产品的数目,该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来。

4、光电检测和自动控制

光电池作为光电探测使用时,其基本原理与光敏二极管相同,但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压;光电转换效率高,光谱范围宽,频率特性好,噪声低等,它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。

5、光电传感器在汽车上的应用

光电传感器还能为汽车提供更舒适的显示质量体验,让汽车显示设备在任何环境光下都能实现完全的背光效果。

包括车载娱乐/导航/DVD系统背光控制、后座娱乐用显示器背光控制、仪表组背光控制(速度计/转速计)、自动后视镜亮度控制等,都可以通过光传感器来完成。

除了以上几个应用,光电传感器在高压大电流测量、继电保护、烟尘浊度监测等方面也有着广泛应用。


4大市场趋势,透视光电传感器未来

激光传感器:超极版的光电传感器

激光传感器,有着无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等优点,被称为超级版光电传感器。近几年,自动驾驶非常火爆,而能精准远距测量及形成三维地图的激光雷达也因此而热得发紫,这是业内公认的自动驾驶最准的传感器。

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据外媒报道,随着自动驾驶汽车技术的发展,汽车激光雷达传感器市场到2022年将达到8.18亿美元,复合年增长率达到47%。

未来,随着自动驾驶越来越多功能的改进与落地,人们对于自动驾驶不再只是幻想,汽车搭载辅助驾驶系统绝对是大趋势,而激光雷达的市场,也备受看好。

光纤传感器:搭乘5G快车开拓市场

光纤传感器相对普通的光电传感器来说,精度更高。普通的光电传感器由于光的扩散等原因,收光量的大小无法精确控制,即导致检测的精度无法提高精度,而光纤传感器通过光纤线传输光线,提高光束的聚拢程度,易判断收光量的大小,检测精度要高。

另外,光纤传感器还有体积极小、响应速度快、耐水、耐高温、耐腐蚀等优点,可测量磁、声、压力、温度、加速度、位移、液面、转矩、光声、电流等物理量,应用十分广泛。

再加上5G即将来临,作为5G基础的光纤传感,未来可搭乘5G快车,进一步打开市场。

CMOS传感器:智能时代的硬件标配

可见光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一,其中,以CMOS线性可见光传感器为代表的高端可见光传感器,更是因暗电流小、灵敏度高、低照度响应等优点,受到背光调节及节能控制等市场的青睐,广泛应用于电视机、电脑显示器、LED背光、智能手机、数码相机等产品上。

据报道,2018年,全球CIS市场规模155亿美元,预计2019年同比增长10%,达到170亿美元。目前,CIS市场正处于稳定增长期,预计2024年市场逐渐饱和,市场规模达到240亿美元。

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未来,随着智能时代的来临,日常生活中,我们智能硬件终端将日渐增多,而CMOS传感器的市场将随之扩张,所以,CMOS传感器是光电传感器未来重要的发展方向之一。

多功能MEMS光电传感器:发展的必然趋势

不仅是光电传感器,多功能、智能化、微型化可以说是所有传感器未来的趋势。

首先,随着终端用户体验的不断升级及消费习惯的逐渐改变,光电传感器要求具有保密性高、传输距离远、抗干扰性强、自适应性强、通信功能等特点,因此,在光电传感器中内置微处理器,实现智能化是光电传感器发展的必然趋势。

其次,传统的光电传感器往往体积较大,功能不完善,应用领域受限,难以满足便携设备、可穿戴设备等下游应用领域不断升级的消费需求。而随着精密加工、微电子、集成电路等技术的发展及新材料的应用,使得传感器中敏感元件、转换元件和调理电路的尺寸正在从毫米级走向微米级甚至纳米级,因此,微型化是未来光电传感器发展的必然趋势。

最后,随着光电传感器应用领城的不断扩大,为了能够全面而准确地反映客观事物和环境,往往需要同时测量多种被测变量,以满足终端应用的集成化要求,因此,多功能化是未来光电传感器发展的必然趋势。

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