光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。光电式传感器在机电控制系统中应用较多，本节介绍光敏电阻、光敏晶体管=、光电开关及光电断续器和热释电元件。
一、光敏电阻
某些半导体材料，在黑暗环境下电阻值很高。在受光照射时，光子能量将在这些光敏材料中激发出许多电子空穴对，从而增强导电性，使电阻值降低。光线越强，阻值也变得越低。光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，电阻值也恢复到原值。
光敏电阻种类繁多，一般由金属的硫化物、硒化物、蹄化物组成。如硫化镐、硫化铅、硒化铅、蹄化铅等。光敏电阻结构很简单，由于内光电效应只限于光照的物体表面薄层，因此把渗杂的半导体薄膜沉积在绝缘基底上，再从两端引出两个电极，上面带有透光窗，密封起来就成为光敏电阻，如图2-42所示。下面讨论光敏电阻的基本特性。
1.伏安特性：伏安特性是指光敏电阻两端所加电压和电流的关系曲线，如图2-43(a)所示。无光照的电阻值称“暗电阻”，此时流过的电流称“暗电流”。有光照的电阻值称“亮电阻”，此时流过电流称“亮电流”。亮电流与暗电流之差称为“光电流”。暗电阻越大、亮电阻越小(即光电流要尽可能大)，光敏电阻的灵敏度就高。由曲线可知，加在光敏电阻两端电压越大，光电流也越大，而且没有饱和现象。在给定的光照下，电阻值与外加电压无关，即斜率为常数，说明光敏电阻也是一个线性电阻，符合欧姆定律。在给定的电压下，光电流随光照增强而增大。同普通电阻一样，光敏电阻也有最大额定功率的限制，当超过这个功率使用，就会导致光敏电阻损坏。
2.光照特性：光照特性是指光电流I和光通量Φ的关系曲线，如图2-43(b)所示。由图可知，光电流和光照强度之间关系是非线性的，而且光照强度较大时，光电流有饱和趋向。因此，光敏电阻不适宜做检测元件，这是它的缺点。所以光敏电阻在机电控制系统中只是常用作开关量的光电传感器。
3.光谱特性：同一光敏电阻对不同波长λ的入射光，其相对灵敏度也是不同的，而且不同的光敏电阻其最大峰值点出现的波长也不相同。所以，在选用光敏电阻时，应当把元件与光源结合起来考虑，才能获得满意的结果。
4.频率特性：指入射光的强度变化频率与光电流的相对灵敏度的关系曲线。当光敏电阻受到脉冲光作用时，光电流并不立即作出相应的变化，而具有一定的“惰性”，这种惰性常用时间常数τ来描述。所谓时间常数即为从光敏电阻停止光照时起到电流下降到原来的63％所需的时间。时间常数越小越好，说明反应迅速，动态特性好。由曲线可知，硫化铅的频率特性较好。光敏电阻的响应时间还与光强有关，光越强，响应时间就越短。大多数光敏电阻的时间常数较大，这是光敏电阻的缺点。
5.温度特性：光敏电阻和其他半导体一样，它的特性受温度影响较大。温度升高将导致暗电阻减小、灵敏度下降。温度特性通常用温度系数来描述，温度系数越小越好.灵敏度的峰值随温度升高向短波长方向移动。
由于光敏电阻体积小、使用简单，在控制系统中常用作光信号、自然光、光量、光位等检测。图2-44是利用光敏产生的脉冲信号来对传送带上工件进行计数的。图中R为光敏电阻，当光源的光线照在R上时，R为亮阻值，阻值小，a点电位低，使三极管发射极的电位也低。当传送带上工件遮住光线时，R为暗电阻，阻值大，a点电位升高，三极管发射极的电位随之升高。工件过后，光线又重新照在R上，如此重复。由图(b)可以看出，每通过一个工件，Ub就出现一个脉冲，所以对工件的计数转换成对脉冲的计数，Ub可以送后面电路处理，显示或打印。如果脉宽超过一定数值，可认为两个工件连续经过所致，所以计数两次。
二、光敏晶体管
1.光敏二极管
光敏二极管的结构与普通二极管相似，它的PN结装在管的顶面，并有一个透镜窗口，可使入射光集中照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，其电路连接与伏安特性如图2-45所示。当无光照时，反向电阻很大，反向电流很小(一般为10-2～10-3μA)称为“暗电流”。当光照时，光子打在PN结附近，使PN结附近产生电子空穴对，在PN结电场作用下做定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流就越大。所以光敏二极管在无光照时处于截止状态，受光照时处于导通状态。
2.光敏三极管
光敏三极管有PNP型和NPN型两种，由于后者性能较优，因此实用较多。光敏三极管的外型结构与光敏二极管相似，通常也只引出两个电极(无基极引线)，光线由窗口对着集电极的PN结。光敏三极管的电路连接与普通三极管相同，基极开路，集电结反偏，发射结正偏，如图2-46所示。
无光照时，集电极的PN结反偏，集电极与基极间有反向饱和电流ICeo，该电流流入发射结，放大成集电极与发射极之间的穿透电流，即Iceo=(l=β)Icbo。此即光敏三极管的暗电流。
当光照集电极PN结附近时，在PN结附近产生电子空穴对，其在PN结内电场作用下，定向运动形成大的反向饱和电流。该电流流入发射结放大成光敏三极管的光电流，即放大(1+β)倍，所以光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。
3.光照特性
光照特性是指外加电压恒定时，输出电流I和光照度E之间的关系，如图2-47(a)、(b)所示。由图可知，二极管的光照特性比三极管线性度好，所以二极管适合作检测元件；三极管在弱光时电流增加缓慢，不利于弱光检测。
4.光谱特性
光谱特性是指外加电压和光照强度恒定时，输出电流和入射光波长之间的关系，如图2-47(c)所示。由图可知锗光敏晶体管在光波长为0.5～1.7μm范围内有较大输出电流值。此范围称为它的响应波长，其中最大输出电流发生在波长为1.4μm附近。硅光敏晶体管的响应在光波长为0.5～1.7μm范围内，最大输出电流发生在波长为0.8μm附近。这些数据对机电控制系统设计中正确选用光敏晶体管是非常重要的，为了提高光电传感器的灵敏度和效率，光敏晶体管和光源的频谱要相配合。
5.频率特性
频率特性是指外加电压和光照强度恒定时，人射光强度变化频率与输出电流相对灵敏度之间的关系，如图2-47(d)所示。由于光敏三极管存在发射结电容和基区较厚，所以它的频率特性比二极管差，且响应时间在10μs之间(二极管小于10μs)，另外碴管比锗管要小。从曲线可知，频率特性与负载有关，减小负载，可扩大额响范围，但输出电压也减小了，所以设计中要权衡考虑。
温度变化对光敏晶体管的暗电流和光电流都有影响，一般都随温度升高而增加。但是温度变化对输出电流影响较小，输出电流主要由光照度所决定。而暗电流随温度变化很大，所以在应用时应在线路上采取措施进行温度补偿。
三、光电式传感器的应用
1.光电式传感器的类型
光电式传感器属于非接触式测量，目前越来越多地用于生产的各领域。依被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可以将光电式传感器分成下述四种类型：
(l)光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源
的某些物理参数，如图2-48(a)所示。典型的例子如光电高温比色温度计、光照度计等。
(2)恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数，如图2-48(b)所示。典型的例子如透明度计、浊度计绝
(3)恒光源发出的光通量授射到被测物上，然后从被测物反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数，如图2-48(c)所示。典型的例子如用反射式光电法测转速，测量工作表面粗糙度、纸张的白度等。
(4)从恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，因此照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸，如图2-48(d)所示。典型的例子如振动测量、尺寸测量等。
2.应用实例
(l)高温比色温度计
它是根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温的一个典型例子。根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长λ1、λ2上的辐射强度Iλ1、Iλ2之比与该物体的温度成指数关系：（2-49）
式中 Kl、K2——与λl、λ2及物体的黑度有关的常数。
因此，我们只要测出Iλ1与Iλ2之比，就可根据式(2-49)算出物体的温度了。图2-49是光电高温比色温度计的原理图。
测温对象发出的辐射线经物镜2投射到半反半透镜3上，它将光线分为两路。第一路光线经反射镜4、目镜5到达使用者的眼睛，以便瞄准测温对象。第二路光线穿过半反半透镜成像于光阑7，通过光导棒8混合均匀后投射到分光镜9上。分光镜的功能是使红外光通过，可见光反射。红外光透过分光镜到达滤光片10，滤光片的功能是进一步起滤波作用，它只让红外光中的某一特定波长λl的光线通过，最后被硅光电池ll所接收，转换为与Iλ1成正比的光电流I1。滤光片12的作用是只让可见光中的某一特定波长λ2的光线通过，最后被硅光电池13所接收，转换与Iλ2成正比的光电流I2。I1、I2分别经电流／电压转换器14、15转换为电压Ul、U2，再经过运算电路算出Ul／U2值。由于Ul／U2值可以代表Iλ1／Iλ2，故采用一定的办法可以进一步根据式(2-49)计算出被测物的温度T，由显示器17显示出来。
(2)光电式浊度计
水样本的浊度是水文资料的重要内容之一，图2-51是光电式浊度计的原理图。
光源发出的光线经半反半透镜3分成两束相等的光线。一路光线直接到达光电池7，产生作为被测水样浊度的参比信号。另一路光线穿过被测样品水到达光电池6，其中一部分光线被样品介质吸收，样品水越混浊，光线的衰减量越大，到达光电池6的光通量就越小。两路光信号均转换成电压信号U1、U2，由运算电路10计算出U1、U2的比值，并进一步算出被测水样的浊度。
采用半反半透镜3及光电池7作为参比通道的好处是：当光源的光通量由于种种原因有所变化(或环境温度变化)引起光电池灵敏度发生改变时，由于两个通道的结构完全一样，所以在最后运算 U1／U2值时，上述误差可自动抵消，减小了测量误差。
(3)光电式转速表
转速是指每分钟或每秒钟内旋转物体转动的圈数。机械式转速表和接触式电子转速表精度不高，影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米处非接触地测量转速。由于光电器件的动态特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不干扰被测物的转动，图2-52是它的原理图。
光源l发出的光线经透镜2会聚成平行光束，照射到旋转物体上的反光纸4反射回来，经透镜5聚焦后落在光敏二极管6上。它产生与转速对应的电脉冲信号，经放大整形电路8得到了TTL 电平的脉冲信号，再经频率计电路9处理后由显示器10显示出每分钟或每秒钟的转数即转速。
(4)光电式带材
跑偏检测器
带材
跑偏检测器是用来检测带型材料在加工过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。例如，在冷轧带钢厂中，某些工艺采用连续生产方式，如连续酸洗，退火，镀锡等。带钢在上述运动过程中易产生走偏。在其他工业部门如印染、造纸、胶片、磁带等生产过程中也会发生类似问题。带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，出现卷边，造成废品。
图2-53(a)是光电式边缘位置检测传感器的原理图。光源 l发出的光线经透镜2会聚为平行光束投射向透镜3，从而又被会聚落到光敏电阻4上。在平行光束到达透镜3的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，从而使到达光敏电阻的光通量减小。图2-53(b)是测量电路简图。图中，R1、R2是同型号的光敏电阻，Rl作为测量元件装在带材下方。R2用遮光罩罩住，起温度补偿作用。当带材处于正确位置(中间位置)时，由Rl、R2、 R3、 R4组成的电桥平衡，放大器输出电压UO为零。当带材左偏时，遮光面积减小，光敏电阻Rl的阻值随之减小，电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压UO为负值，它反映了带材
跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，UO为正值。输出信号 UO一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。
四、光电开关及光电断续器
光电开关与光电断续器都是用来检测物体的靠近、通过等状态的光电传感器。近年来，随着生产自动化、机电一体化的发展，光电开关及光电断续器已发展成系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据生产需要，选用适当规格的产品，而不必自行设计光路及电路。
从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达数十米。
1.光电开关的结构和分类
光电开关可分为两类:遮断型和反射型，如图2-54所示。图a中，发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个电脉冲信号。反射型分为两种情况:反射镜反射型及被测物体反射型(简称散射型)，分别如图b、图c所示。反射镜反射型传感器单侧安装，需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果，它的检测距离不如遮断型。散射型安装最为方便，并且可以根据被检测物上的黑白标记来检测，但散射型的检测距离较小，只有几百毫米。
光电开关中的红外光发射器一般采用功率较大的红外发光二极管(红外LED)。而接收器可采用光敏三极管、光敏达林顿三极管或光电池。为了防止日光灯的干扰，可在光敏元件表面加红外滤光透镜。其次，LED可用高频(4OkHz左右)脉冲电流驱动，从而发射调制光脉冲，相应地，接收光电元件的输出信号经选频交流放大器及解调器处理，可以有效地防止太阳光的干扰。
光电开关可用于生产流水线上统计产量、检测装配件到位与否以及装配质量(如瓶盖是否压上、标签是否漏贴等)，并且可以根据被测物的特定标记给出自动控制信号。目前，它已广泛地应用于自动包装机、自动灌装机、装配流水线等自动化机械装置中。
2.光电断续器
光电断续器的工作原理与光电开关相同，但其光电发射、接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，所以两者能可靠地对准，其外形如图2-55所示。它也可分成遮断式和反射式两种。遮断式(也称槽式)的槽宽、深度及光敏元件各不相同，并已形成系列化产品，可供用户选择。反射型的检测距离较小，多用于安装空间较小的场合。由于检测范围小，光电断续器的发光二极管可以直接用直流电驱动，红外LED的正向压降约为(1.2～1.5)V，驱动电流控制在几十毫安。
光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。例如，在复印机中，它被用来检测复印纸的有无;在流水线上检测细小物体的通过及透明物体的暗色标记，以及检测物体是否靠近的接近开关、行程开关等。图2-56示出了光电断续器的部分应用。
五、热释电元件在红外线检测中的应用
红外线是波长大于0.76μm的不可见光。红外线检测的方法很多，有热电偶检测、光导纤维检测、量子器件检测等。近年来，热释电元件崭露头脚，在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如:防盗器、自动门、自动灯的控制以及能辐射中红外线的物体温度的检测。
1.结构及热释电效应
某些电介物质表面温度发生变化时，在这些介质的表面就会产生电荷，这种现象称为热释电效应，具有这种效应的介质制成的元性称为热释电元件。红外热释电传感器由滤光片、热释电红外敏感元件、高输入阻抗放大器等组成，如图2-57所示。
敏感元件用锆钛酸铅(PZT)制成。锆钛酸铅不但具有压电效应，还具有热释电效应。当其表面温度升高Δt时，其晶体内部的原子排列将产生变化，诱出自发极化电荷ΔQ。设元件的电容为C，则元件两电极间的输出电压ΔU=ΔQ/C。必须指出的是，热释电效应产生的表面电荷不是永存的，它很快便因元件表面漏电及空气中的各种离子所中和。因此，热释电元件只能测量温度的变化量及强度周期变化的红外线。
制作敏感元件时，先把热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两侧镀上电极，构成有极性的小电容。温度变化趋势不同，输出的热释电信号极性也不同，所以可以把两个极性相反的热释电敏感元件做在同一晶片上，并且反向串联，如图c所示。由环境的影响而使整个晶片温度变化时，两个传感元件产生的热释电信号相互抵消，所以它对缓慢变化的信号没有输出。但如果两个热释电元件的温度变化不一致，它们的输出信号就不会被抵消，只要想法使照射到两个热释电元件表面的红外线忽强忽弱，传感器就会有输出。为了使热释电元件更好地吸收远红外线，需要在其表面镀覆一层能吸收红外能量的黑色薄膜。为了防止可见光对热释电元件的干扰，必须在其表面安装一块滤光片(FT)。滤光片是在Si基板上镀多层滤光膜做成的。如果某种型号的热释电传感器是用于防盗器的，那么滤光片应选取(7.5～14)μm波段。这是因为，每个物体都发出不同波长的红外辐射。当人体外表温度为36℃时，人体辐射的红外线在9.4μm处最强。
热释电元件的输出信号由高输入阻抗的场效应管(FET)放大器放大，变为低输出阻抗输出电压信号。
2.热释电传感器的应用
图2-58是热释电型人体检测器原理框图，它可以用于防盗器、防入侵器自动门和自动灯。
1）光学系统
热释电传感器用于防盗器时，其表面必须罩上一块菲涅尔透镜。所谓菲涅尔透镜就是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜组，它与热释电元件配合，可以提高传感器的灵敏度。菲涅尔透镜是由一组平行的棱柱型透镜所组成。如图2-58a所示，从上至下分成11射束单元、8射束单元和5射束单元。若从热释电元件来看，它前面的每一单元透镜都只有一个不大的视场角，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔着一个盲区。当人体在透镜总的监视范围(视野约70°角)中运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一视场。热释电元件对运动物体一会儿“看得见”，一会儿又变得“看不见”，再过一会儿又“看得见”……，而且，传感器晶片上的两个反向串联的热释电元件是轮流“看到”运动物体的，所以人体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，使它输出一串脉冲信号。而由于太阳光和其它光线是以连续光的形式作用于热释电元件的，所以只会使两个元件的温度同时升高，而互相抵消，传感器无输出。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件面前，它也是“视而不见”的。
2）对信号处理电路的要求
随着人体运动速度的不同，传感器输出信号的频率也是不同的。在正常行走速度下，其频率约为6Hz左右，当人体快速奔跑通过传感器面前时，可能高达2OHz。再考虑到日光灯的脉动频闪(人眼不易觉察)为100Hz，所以信号处理电路中的放大器带宽不应太宽，应为(0.1～20)Hz。放大器的带宽对灵敏度和可靠性有重要影响。带宽窄，则干扰小，误判率低；带宽大，噪声电压大，可能引起误报警，但对快速和极慢速移动响应好。
热释电传感器还可以用来测量物体的温度、高温液体的料位等。由于发射红外线的被测物是静止的，无法产生脉冲型式的红外线信号，所以需要在热释电元件前面装一只用电动机驱动的遮光叶片，使传感器感受到lHz左右的光脉冲，传感器的输出电压平均值将与红外线的辐射强度成正比。
