光電傳感器在自動控制領域的應用

敖志偉

摘 要：光電傳感器是一種以光電效應為基本工作原理的傳感器。本文從光電效應為出發點，詳細闡述了光電傳感器的基本工作原理和分類，總結了其在自動控制領域的獨特優勢，最后以煙塵濁度自動監測系統、光電轉速檢測儀和條形碼掃描筆為例介紹了光電傳感器在自動控制領域的應用。

關鍵詞：光電傳感器；自動控制；光電效應

1 光電傳感器原理及分類

1.1 光電效應

光電傳感器以光電效應為核心工作原理。當物體受到光輻射時，其內部電子會吸收光粒子的能量而使自身性質發生根本的改變，該現象稱為光電效應。根據光照后電子狀態的不同變化，一般將光電效應分為外光電效應和內光電效應，而后者又可以進一步分為光電導效應和光生伏特效應。外光電效應是指在光線的作用下，電子逸出物體表面的現象，光電管是以該效應的原理的典型光電元件。內容光電效應則是指光照后物體的電子不能逸出表面而使其內部的電導率發生改變，或者產生電動勢的現象，以內光電效應為基礎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、光學通路和光電元件3部分構成。通過把被測物理量的變化直接或間接轉化為光信號的變化，再經過光電元件把光信號變化轉化為電信號的變化，最后對電信號進行分析，即可計算出被測物理量。

1.3 光電傳感器的分類

根據發射端（光源）與接收端（光電元件）的位置關系，可以將光電傳感器分為槽型、對射型、反光板型和漫反射型4類：將光發射端和光接收器分別安裝在一個槽的相對兩側，發射端在沒有任何阻擋的情況下接收端將收到光照[2]。一旦被檢測物體從槽中通過，則發光線就會被遮擋而觸發光電開關，產生一個開關信號來切斷或接通負載回路，從而完成一次基本控制動作。如果將發射端和接收端之間的距離分得更遠，就形成了對射式光電傳感器。反射板型光電傳感器的發射端與接收端安裝在同一側，并且其前方裝有一塊反光板，若光路無阻，則出射光經反射回到接收端，一旦被測物體出現在光路中，則會觸發光電開關而產生開關控制信號。反光板也可以由被測物體充當，當被測物體出現在光路中并將部分光線反射回接收端，則可成功檢測到物體的存在，此時就成了漫反射型光電傳感器。

2 光電傳感器在自動控制的應用

由于光電傳感器特有的優勢，其在自動控制領域已經得到了廣泛的應用，下面舉幾個典型的應用案例。

2.1 煙塵濁度自動監測系統

工業煙塵對環境的影響十分嚴重，因此有必要對煙塵源的濁度進行監測、顯示和超標報警。該系統采用了對射式檢測方式，利用煙塵對光線的散射原理進行檢測。煙塵濁度越高，光源發出的光被散射得越嚴重，接收端接收的光信號越弱。因此，只要檢測接收端的光電流就可以實現煙塵濁度的測量。為了提高性能，對光電流進行了放大，當放大電路輸出的電信號超過規定值時，觸發諧振器工作，從而驅動揚聲器發生報警信號。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光源造成的衰減而影響測量精度[3]。

2.2 光電轉速檢測儀

光電轉速檢測儀主要由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等部分構成。開孔圓盤與被測軸相連并保持同步，當圓盤轉動并恰好通過縫隙析時，光源發生的光線便會穿過縫隙而被光敏元件接收，從而產生一次計數脈沖。根據脈沖出現的頻率即可計算出被測軸的轉速。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計，發射端為一個發光二極管，接收端為一個光敏三極管，兩者都封裝在掃描筆筒內，筆尖處留一小孔，并且該小孔恰好為檢測光的折射點。筆尖在條形碼上掃描時，當掃到黑色豎線時，光源的光線被吸收較多，只有很少一部分經紙面反射到接收端，從而產生一個較低的電平信號；當掃描到條形碼的白色間隔處時，光源的光線大部分被反射回接收端，從而產生一個較高的電平信號。高電平與低電平的變化規律與變形碼的分布相同，經過解碼后，最終得到條形碼的數字序列。其原理圖如圖2所示。

3 結論

光電傳感器是基于光電效應而工作的，是實現光電轉換的關鍵器件，具有檢測距離長、檢測對象無限制、檢測物理量多、響應速度快、非接觸式檢測等優點，在自動控制系統中占有極其重要的地位。隨著光電傳感器的集成化和產業化，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，未來的光電傳感器市場正在被重新定義。

參考文獻

[1]楊應平，胡昌奎，胡靖華編著.光電技術[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]陳冬萍.基于光電傳感器測距的智能軟包計數系統[D].杭州電子科技大學，2013.

[3]葉仁虎.基于光電傳感器的地震波檢測技術研究[D].長春理工大學，2013.

（作者單位：軍械工程學院）