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光電效應 傳感器：3種光電效應，解讀光電傳感器核心工作原理

描述
在光的感應和檢測中，盡可能保持光不擴散、光能量不損耗是非常重要的一環，這對于傳感器的精度有著非常大的影響。所以，光纖傳感器、激光傳感器和CMOS可見光傳感器等精度更高的光電傳感器相繼被研發出來，并成為現在甚至未來好幾年的熱門光電傳感器。
光電傳感器指采用光電元件來檢測物體的有無和表面狀態的變化等的傳感器，一般由發送器、接收器和檢測電路三部分組成，工作原理是先把被測量的變化轉換成光信號的變化，再將光信號的變化轉換成電信號的變化。
故光電傳感器的本質是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制。
比如光傳感器的應用條形碼掃描筆，就是通過檢測條形碼反射的光強度變化來識別條形碼。在條形碼掃描筆里，發光二極管就是光電傳感器的發送器，光敏三極管是接收器，而把電脈沖信號進行放大、整形等處理的電路則為檢測電路。
140年，光電傳感器的“改朝換代”發展史
源起：白熾燈傳感器
1879年，愛迪生發明了白熾燈，而最早的光電傳感器用的就是白熾燈作為發射光源。一個小的金屬圓柱形設備里面有一個白熾燈作為光源，同時還帶有一個校準鏡頭，可將光聚集射向接收器，再通過接收器出電纜連接到一個真空管放大器上，這就是早期的白熾燈傳感器，也是光電傳感器的雛形，可用于檢測物體的有無。
發展：LED取代白熾燈
19世紀60年代，LED（發光二極管）開始出現，人們發現用LED做的光電傳感器性能比白熾燈傳感器要優質可靠，因此LED開始取代白熾燈。
相比于白熾燈，LED的優勢主要在于以下4點：
1、壽命更長。白熾燈發亮的原理是高溫鎢絲產生光輻射，但鎢絲溫度越高，升華越快，故白熾燈的壽命較短；而LED是固態的，不存在升華問題，幫能延長傳感器的使用壽命。
2、能耗更低。LED發出的光能只相當于同尺寸白熾燈所發出光能的一部分。
3、速度更快。LED能夠以非常快的速度來開關，開關速度可達到KHz。
4、LED體積小，且抗沖擊和抗震性能也更好。
進化1：非調制的LED光電傳感器退出歷史舞臺
1970年，人們將接收器的放大器調制到發射器的調制頻率，讓傳感器只能對某種頻率振動的光信號進行放大，以此大大加快了LED光電傳感器的開關速度。
另外，對于LED光電傳感器來說，調制本身就是非常有必要的，因為一個LED發出的光能是很小的，所以要經過調制才能使其能量變得很高，從而改進光電傳感器的設計，增大了檢測距離，擴展了光束的角度，提高傳感器的準確性以及對環境的抗干擾能力。
于是，1980年，非調制的光電傳感器逐步退出歷史舞臺。
進化2：高效可見光LED出現，革新色標傳感器
如果說調制的LED傳感器提高了光電傳感器的開關性能，那么高效可見光LED出現，就是革新了色標傳感器。
LED能發射多種光，包括紅外光、綠光、紅光、藍光或白光等，不過早期LED發出的光都是相對弱的，其中紅外光LED的效率最高，但對于那些需要區分不同顏色的光電傳感器來說（比如色標傳感器），不可見的紅外光不適合，它們需要的是可見光源。
因此，早期LED并不適用于色標傳感器，當時的色標傳感器都是用白熾燈作光源，直到后來發明了高效的可見光LED。
以發光效率為標志的LED發展歷程
從可見光LED的發展歷程可發現，1985年后，采用AlGaInP、SiC和GaN等材料的LED逐漸出現，這些材料禁帶寬度大，還能通過調整摻雜組分來改變帶隙寬度，從而得到超高亮度的可見光LED。
現在，多數的色標傳感器都是使用經調制的各種顏色的可見光LED發射器。
展望：光纖傳感器、激光傳感器和CMOS可見光傳感器
在光的感應和檢測中，盡可能保持光不擴散、光能量不損耗是非常重要的一環，這對于傳感器的精度有著非常大的影響。所以，光纖傳感器、激光傳感器和CMOS可見光傳感器等精度更高的光電傳感器相繼被研發出來，并成為現在甚至未來好幾年的熱門光電傳感器。
3種光電效應，解讀光電傳感器核心工作原理
沒有光電效應，就沒有光電傳感器。
光電傳感器之所以能把光信號轉換成電信號，檢測物體的有無和表面狀態的變化，主要靠的是各種光電元件，包括光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等，這些光電元件一般作為光電傳感器的接收器，工作原理是光電效應：
當物體受到光線照射時，其內部的電子吸收了光子的能量后改變狀態，自身的電性質也會發生改變。
光電效應的本質是光變致電，光電轉換。
光電效應分為外光電效應和內光電效應，其中內光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應，光電導效應需要給電路加電壓，而光生伏特不用。這三種光電效應的區分很簡單，就是在光線作用下，它們電子的變化是不一樣的。
制圖：傳感器專家網
①在光線作用下，電子逸出物體表面，物體的伏安特性發生了變化，這是外光電效應，如光電管，光電倍增管等。
外光電效應
②吸收光線能量后，電子不逸出，物體電阻率發生明顯變化，這是光電導效應，如光敏電阻，光敏晶體管等；
光電導效應
③吸收光線能量后，電子不逸出，并在物體內部自建場里產生光電壓，這是光生伏特效應，如光敏二極管，三極管和光電池等。
光生伏特效應
通過以上光電元件，我們可以把測量物的光變化轉化成電變化。
比如利用光電管（外光電效應）作為接收器，制成光控制電器，可用于自動控制，進行自動計數、自動報警、自動跟蹤等。當光照在光電管上時，光電管電路中產生電光流，經過放大器放大，使電磁鐵磁化，然后把銜鐵吸??；當光電管上沒有光照時，光電管電路中沒有電流，電磁鐵與銜鐵分離。
再比如最常見的光敏二極管（光電導效應）。光電傳感器光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大。當無光照時，它的反向電流很小，電路截止；當有光照時，載流子被激發，產生光電載流子，電路接通。
總得來說，光電效應讓光電傳感器擁有了感知光變化的能力，并把光信號變化轉換成電信號變化，進行數據處理與應用。
4種結構類型，光電傳感器檢測方式的大不同
光電傳感器具有精度高、反應快、非接觸、靈活、檢測距離遠等優點，廣泛應用在檢測和控制中，可檢測物體有無、光信號強弱、光的顏色等參數，然后進行控制，常見的有開關控制、自動計件、顏色分揀等。
根據檢測方式的不同，光電傳感器可分為漫反射型、反射板型、對射型和距離型，不同的類型對應不同結構的光電傳感器。
制圖：傳感器專家網
①漫反射型：漫反射型光電開關
漫反射型光電開關，發射器和接收器裝在一起，當開關發射光束時，目標產生漫反射，當有足夠的組合光返回接收器時，開關狀態發生變化。
漫反射型是安裝最簡單方便，但作用距離最短，檢測也最不穩定。
②反射板型：反光板型光電開關
反光板反射式光電開關，把發光器和收光器裝入同一個裝置內，并在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用。正常情況下，發光器發出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測物擋住，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。
反射板型光電傳感器可檢測透明物體和光亮度高的物體，作用距離較長，且安裝方便，檢測穩定。但當反光鏡有灰塵時，檢測精度會降低。
③對射型：對射型光電傳感器
對射分離式光電開關，由一個發光器和一個收光器組成，若把發光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大，故它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用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。
對射型光電傳感器是檢測精度最高的，距離也可以很遠，但是安裝不方便，占用空間較大，且不能檢測透明和體積小的物體。
④距離型：擴散反射型光電開關
擴散反射型光電開關，它的檢測頭里裝有一個發光器和一個收光器，但前方沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關信號。
距離型光電傳感器的發射器是點發射，但接收器是面接收，所以它可以允許被測物有一個更大的偏轉角度。
什么意思呢？
從上面的原理圖，我們可以發現距離型光電傳感器設定的檢測距離是一定的，因此我們可以設定一個固定的發射光——反射光角度。當有檢測物經過時，檢測到的反射光與被檢測物返回的反射光之間的角度與我們設定的角度肯定是不一致的，幫傳感器能檢測出物體的存在。即除了設定好的那個角度是判定為無物體的，其他所有角度都會判斷為有物體，被測物的偏轉角度變大，可大大提高傳感器的精確性和靈敏度。
5種應用示例，光電傳感器的廣泛用途
接下來，將列舉6種常見的光電傳感器應用，從現實生活出發，更好地理解光電傳感器。
1、光電式煙霧報警器
沒有煙霧時，發光二極管發出的光線直線傳播，光電三極管沒有接收信號。沒有輸出，有煙霧時，發光二極管發出的光線被煙霧顆粒折射，使三極管接受到光線，有信號輸出，發出報警。
2、光電式轉速表
在電動機的旋轉軸上涂上黑白兩種顏色，轉動時，反射光與不反射光交替出現，光電傳感器相應地間斷接收光的反射信號，并輸出間斷的電信號，再經放大器及整形電路放大整形輸出方波信號，最后由電子數字顯示器輸出電機的轉速。
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傳感器的光路，使光電脈沖電路產生一個個電脈沖信號。產品每遮光一次，光電傳感器電路便產生一個脈沖信號，因此，輸出的脈沖數即代表產品的數目，該脈沖經計數電路計數并由顯示電路顯示出來。
4、光電檢測和自動控制
光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結構和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。
5、光電傳感器在汽車上的應用
光電傳感器還能為汽車提供更舒適的顯示質量體驗，讓汽車顯示設備在任何環境光下都能實現完全的背光效果。
包括車載娛樂/導航/DVD系統背光控制、后座娛樂用顯示器背光控制、儀表組背光控制（速度計/轉速計）、自動后視鏡亮度控制等，都可以通過光傳感器來完成。
除了以上幾個應用，光電傳感器在高壓大電流測量、繼電保護、煙塵濁度監測等方面也有著廣泛應用。
4大市場趨勢，透視光電傳感器未來
激光傳感器：超極版的光電傳感器
激光傳感器，有著無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等優點，被稱為超級版光電傳感器。近幾年，自動駕駛非?；鸨?，而能精準遠距測量及形成三維地圖的激光雷達也因此而熱得發紫，這是業內公認的自動駕駛最準的傳感器。
據外媒報道，隨著自動駕駛汽車技術的發展，汽車激光雷達傳感器市場到2022年將達到8.18億美元，復合年增長率達到47％。
未來，隨著自動駕駛越來越多功能的改進與落地，人們對于自動駕駛不再只是幻想，汽車搭載輔助駕駛系統絕對是大趨勢，而激光雷達的市場，也備受看好。
光纖傳感器：搭乘5G快車開拓市場
光纖傳感器相對普通的光電傳感器來說，精度更高。普通的光電傳感器由于光的擴散等原因，收光量的大小無法精確控制，即導致檢測的精度無法提高精度，而光纖傳感器通過光纖線傳輸光線，提高光束的聚攏程度，易判斷收光量的大小，檢測精度要高。
另外，光纖傳感器還有體積極小、響應速度快、耐水、耐高溫、耐腐蝕等優點，可測量磁、聲、壓力、溫度、加速度、位移、液面、轉矩、光聲、電流等物理量，應用十分廣泛。
再加上5G即將來臨，作為5G基礎的光纖傳感，未來可搭乘5G快車，進一步打開市場。
CMOS傳感器：智能時代的硬件標配
可見光傳感器是目前產量最多、應用最廣的傳感器之一，其中，以CMOS線性可見光傳感器為代表的高端可見光傳感器，更是因暗電流小、靈敏度高、低照度響應等優點，受到背光調節及節能控制等市場的青睞，廣泛應用于電視機、電腦顯示器、LED背光、智能手機、數碼相機等產品上。
據報道，2018年，全球CIS市場規模155億美元，預計2019年同比增長10%，達到170億美元。目前，CIS市場正處于穩定增長期，預計2024年市場逐漸飽和，市場規模達到240億美元。
未來，隨著智能時代的來臨，日常生活中，我們智能硬件終端將日漸增多，而CMOS傳感器的市場將隨之擴張，所以，CMOS傳感器是光電傳感器未來重要的發展方向之一。
多功能MEMS光電傳感器：發展的必然趨勢
不僅是光電傳感器，多功能、智能化、微型化可以說是所有傳感器未來的趨勢。
首先，隨著終端用戶體驗的不斷升級及消費習慣的逐漸改變，光電傳感器要求具有保密性高、傳輸距離遠、抗干擾性強、自適應性強、通信功能等特點，因此，在光電傳感器中內置微處理器，實現智能化是光電傳感器發展的必然趨勢。
其次，傳統的光電傳感器往往體積較大，功能不完善，應用領域受限，難以滿足便攜設備、可穿戴設備等下游應用領域不斷升級的消費需求。而隨著精密加工、微電子、集成電路等技術的發展及新材料的應用，使得傳感器中敏感元件、轉換元件和調理電路的尺寸正在從毫米級走向微米級甚至納米級，因此，微型化是未來光電傳感器發展的必然趨勢。
最后，隨著光電傳感器應用領城的不斷擴大，為了能夠全面而準確地反映客觀事物和環境，往往需要同時測量多種被測變量，以滿足終端應用的集成化要求，因此，多功能化是未來光電傳感器發展的必然趨勢。
編輯：hfy
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光電效應 傳感器：光電傳感器基本理論之光電效應詳解

　　光電式傳感器是將光量的變化轉變為電量變化的一種變換器。應用極為廣泛，已經在航天、醫學、科研，以及工業控制、家用電器、航海事業等各個領域得到應用。光電傳感器的理論基礎是光電效應，根據光電效應可以制作出各種光電傳感器。今天，為大家具體介紹光電效應的基本理論知識。
　　早期人們利用光電效應制成光電管。其外形和構造如下圖所示。它是一個抽成真空的玻璃泡，在泡的內壁上有一部分涂有金屬或金屬氧化物，作為光電管的陰極。而光電管的陽極是一根環狀的細金屬絲或半圓的金屬球。
光電管的結構
　　光電效應的實驗裝置如下圖所示。光電管的陽極A接高電位，陰極K接低電位，則陽極和陰極之間有一加速電場，電場方向由A指向K。AK之間的電壓由電壓表V讀出，電壓的大小由電位器R給定。圖中，G是靈敏電流計。實驗指出，當陰極沒有受到光照射時，電路中幾乎沒有電流；當陰極受到光照射時，電路中就立即有電流出現。光照多久，電流就維持多久；光照停止，電流也就消失。這就說明當光照射時，有電子從光電陰極逸出。在加速電場作用下，電子飛向陽極，從而在回路中形成光電流。
光電效應的實驗裝置
　　物質在光的作用下釋放出電子，這種現象叫光電效應。光電效應通常又分為外光電效應和內光電效應兩大類。
光電效應
　　1.外光電效應
　　在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面，向外發射的現象稱為外光電效應?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽?、光電倍增管等。
　　2.內光電效應
　　受光照物體電導率發生變化，或產生光生電動勢的效應叫內光電效應。內光電效應又可分為以下兩大類。
　　1)光電導效應
　　在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電阻率的變化，這種現象稱為光電導效應。絕大多數的高電阻率半導體都具有光電導效應?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻(也稱光電導管)，其常用的材料有硫化鎘(CdS)、硫化鉛(PbS)、銻化銦(InSb)、非晶硅(a-Si：H)等。
　　純半導體在光線照射下，其禁帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度Eg(eV)的光子的激發，由價帶越過禁帶躍遷到導帶，成為自由電子。同時，價帶也因此而形成自由空穴。致使純半導體中導帶的電子和價帶的空穴濃度增大，半導體電阻率減小。如下圖(a)所示。電子和空穴統稱為載流子。它們在端電壓作用下均可形成光電流。當光照停止后，自由電子被失去電子的原子俘獲，電阻又恢復原值。能使價帶電子躍遷到導帶的光譜范圍中，其最大的波長λ0(nm)稱為截止波長，λ0≈1240/Eg。
　　N型或P型摻雜半導體在光照射下，光子能量只要分別大于施主能級和導帶底能級差或受主能級與滿帶頂能級差Ei(eV)，如下圖(b)或圖(c)所示，光能即被吸收，激發出能參與導電的光生電子或空穴。摻雜半導體產生光生載流子的截止波長為λ0≈1240/Ei。
圖 光電導效應機理圖
　　當光敏電阻接上直流電壓Vb，并用一定強度、波長小于λ0的光線連續照射時，其輸出直流電流i0為
　　式中，η 內光量子效率(光生載流子數與人射光子數之比)；μc——多數載流子的遷移率；τ——多數載流子壽命；d——光敏電阻兩電極間距；p——入射光功率；e——普朗克常數，為6.6261×10-34J?s。
　　隨光能的增加，光生載流子濃度雖然也因之劇增，但同時電子與空穴間的復合速度也加快，因此低于截止波長的光能量與半導體所產生的光電流的特性曲線不是線性關系。
　　2）光生伏特效應
　　物體（如半導體）在光的照射下能產生一定方向的電動勢的現象稱為光生伏特效應?；?于該效應的光電器件有光電池、光敏二極管和光敏三極管。
　　光生伏特效應根據其產生電勢的機理可分為：
　　?側向光生伏特效應
　　側向光生伏特效應又稱殿巴（Dember）效應。
　　當半導體光電器件的光靈敏面受光照不均勻時，由載流子濃度梯度而產生的光電效應稱為側向光生伏特效應?；谠撔ぷ鞯墓怆娖骷邪雽w位置敏感器件（簡稱PSD）,或稱反轉光敏二極管。
　　側向光生伏特效應的工作機理是，半導體光照部分吸收人射光子的能量產生電子空穴對，使該部分載流子濃度高于未被光照部分，因而出現了濃度梯度，形成載流子的擴散。由于電子遷移率比空穴的大，因此電子首先向未被光照部分擴散，致使被光照部分帶正電，未被光照部分帶負電，兩部分之間產生光電動勢。
　　?PN結光生伏特效應
　　光照射到距表面很近的半導體PN結時，結及附近的半導體吸收光能。若光子能量大于禁帶寬度，則價帶電子躍遷到導帶，成為自由電子，而價帶則相應成為自由空穴。這些電子空穴對在PN結內部電場的作用下，電子移向N區外側，空穴移向P區外側，結果P區帶正電，N區帶負電，形成光電動勢。
　　PN結光生電流與人射光照度成正比，光生伏特與照度對數成正比。
　　由于光生電子、空穴在擴散過程中會分別與半導體空穴、電子復合，因此載流子的壽命與擴散長度有關。只有使PN結距表面的厚度小于擴散長度，才能形成光電流產生光生伏特。在工程上，利用改變PN結距表面厚度的大小的方法，可以調整基于PN結光生伏特效應的光電器件的頻率響應特性、光電流和光生電勢大小。
　　基于此效應的光電器件有光電池、太陽電池、光敏二極管和光敏三極管等。通過設計和制造工藝，使光電池工作在無外接電源下，則以光伏效應工作。光敏管工作在反向偏壓下，則同時存在光導效應和光伏效應。它們輸出的光電流與光照強度均具有線性關系。
　　?光電磁效應（簡稱PEM效應）
　　半導體受強光照射，并在光照垂直方向外加磁場時，垂直于光和磁場的半導體兩端面間產生電勢的現象稱為光電磁效應。它可以看成是光擴散電流的霍爾效應。
　　?貝克勒耳（Becquerel）效應
　　貝克勒耳效應是液體中的光生伏特效應。當光照射浸在電解液中的兩個同樣電極中的任一個電極時，在兩個電極間將產生電勢的現象稱為貝克勒耳效應?；谠撔挠懈泄怆姵?。
 

光電效應 傳感器：光電式傳感器光電效應

　　基于光電效應的傳感器。光電傳感器在可見光照射后產生光電效應，光信號轉化為電信號輸出。它除了可以測量光強，而且還利用光的傳播，陰影，反射，干擾，如測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，所以它是一個非常廣泛使用的重要敏感設備。光電測量不與被測物體直接接觸，梁的質量和近似為零，不存在摩擦力測量壓力和被測對象是很難的。所以在許多應用程序中，光電傳感器比其他傳感器具有明顯的優越性。其缺點是在某些應用程序中，光學和電子產品價格更加昂貴，和環境條件對測量的要求也越來越高。
　　光電效應
　　是對某些物質材料的電特性變化的物理現象，可分為光電效應和光電效應兩種。光電效應是指，在光的作用下在電子逃到物體的表面發射的物理現象。光子是量子化的“粒子”的形式描述在可見光波段的電磁波。光子能量高壓，h是普朗克常數，v光學頻率。
　　分類
　　基于光電傳感器的光電效應與光電管和光電倍增管。基于光敏電阻的光電導效應?；诠怆姸O管和光電三極管的屏障效果（見半導體光敏元件）?；跈M向光電效應有一個光電二極管的逆轉。光電傳感器也可以根據信號形式分為模擬光電傳感器（見位移傳感器）和數字光電傳感器（見速度傳感器、光柵傳感器、數字傳感器）。光電傳感器和光纖傳感器、固態圖像傳感器等。

光電效應 傳感器：光電效應可分為哪三種類型，能否說明傳感器的原理并分別列出以之為基礎的光電傳感器？

電效應可分為：
1、外光電效應:指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現象。光電管及光電倍增管均屬這一類。它們的光電發射極，即光明極就是用具有這種特性的材料制造的。
2、內光電效應:指在光的照射下，材料的電阻率發生改變的現象。光敏電阻即屬此類。
3、光生伏特效應:利用光勢壘效應，光勢壘效應指在光的照射下，物體內部產生一定方向的電動勢。光電池是基于光生伏特效應制成的，是自發電式有源器件。
擴展資料
在光的照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流，從能量轉化的角度來看，這是個光生電， 光能轉化為電能的過程。
光電效應最早由德國物理學家赫茲于1887年發現，但這一現象在當時很長一段時間內不能被解釋清楚。光電效應正確的解釋由愛因斯坦提出?？茖W家們對光電效應的深入研究對發展量子理論起了根本性的作用。
每一種金屬在產生光電效應時都存在一極限頻率(或稱截止頻率) ,即照射光的頻率不能低于某一臨界值。 相應的波長被稱做極限波長(或稱紅限波長)。當射光的頻率低于極限頻率時，無論多強的光都無法使電子逸出。
參考資料來源：
百度百科——光電效應

光電效應可分為：
1、外光電效應：指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現象。光電管及光電倍增管均屬這一類。它們的光電發射極，即光明極就是用具有這種特性的材料制造的。
2、 內光電效應：指在光的照射下，材料的電阻率發生改變的現象。光敏電阻即屬此類。
3、光生伏特效應：利用光勢壘效應，光勢壘效應指在光的照射下，物體內部產生一定方向的電勢。光電池是基于光生伏特效應制成的，是自發電式有源器件。