光電傳感器主要通過(guò)光電器件將接收到的光信號(hào)快速轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。光電傳感器由發(fā)射器、接收器和檢測(cè)電路三部分組成。發(fā)射器與目標(biāo)發(fā)射光束對(duì)齊，發(fā)射光束通常來(lái)自半導(dǎo)體光源、發(fā)光二極管、激光二極管和紅外發(fā)射二極管。光束連續(xù)發(fā)射，或改變脈沖寬度。接收器由光電二極管、光電三極管和光電池組成。在接收器的前面，配備了透鏡和光圈等光電器件。后面是檢查電路，可以過(guò)濾出有效的信號(hào)。光電傳感器組件框圖如下：

　　主要分類(lèi)光電傳感器：

　　1.槽光電傳感器是一個(gè)U形控制開(kāi)關(guān)。信號(hào)發(fā)射器和接收器安裝在U形槽的兩端。當(dāng)一個(gè)物體通過(guò)時(shí)，它相當(dāng)于帶來(lái)指令動(dòng)作。光電開(kāi)關(guān)將快速接收指令并導(dǎo)出相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。它不僅可以接收不透明物體通過(guò)時(shí)傳輸?shù)男盘?hào)，還可以檢查快速移動(dòng)的透明或半透明物體。

　　2.對(duì)射光感應(yīng)器、信號(hào)發(fā)射器和接收器可以產(chǎn)生對(duì)射光路徑。發(fā)射器發(fā)射光后，接收器只能通過(guò)一定距離的傳輸接收信號(hào)。此時(shí)，發(fā)射器與接收器形成一個(gè)光通道。當(dāng)檢測(cè)到的物體通過(guò)傳感器范圍時(shí)，它將阻礙光路的傳輸。收發(fā)器反應(yīng)迅速，并導(dǎo)出相應(yīng)的動(dòng)作。

　　3.除了信號(hào)發(fā)射器、接收器和其他部件外，反射光傳感器還必須有一個(gè)反射器，以確保發(fā)射器發(fā)出的光能夠反射到接收器上。反射器直接反射的光具有固定位置。一旦物體阻擋光通道，接收器將相應(yīng)地響應(yīng)并傳輸控制開(kāi)關(guān)的信號(hào)。

　　4.光纖光電傳感器在發(fā)射器和接收器之間配備了連接檢測(cè)點(diǎn)的光纖。在這種光纖的作用下，光通道在被檢測(cè)到的物體的作用后，在一定程度上改變了光本身的性質(zhì)，接收器會(huì)迅速接收到光特性的這種變化，并迅速做出反應(yīng)。

　　光發(fā)射器的類(lèi)型和原理

　　LED(lightemitteddiode)采用自發(fā)輻射原理，LED其基本結(jié)構(gòu)是一種半導(dǎo)體材料，具有電引發(fā)光，p半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層p-n結(jié)。當(dāng)注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子結(jié)合時(shí)，多余的能量會(huì)以光的形式釋放，從而直接將電能轉(zhuǎn)化為光能。

　　LD(laserdiode)采用受激輻射原理。半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)：垂直于PN一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里-波羅諧振腔，其他兩側(cè)相對(duì)粗糙，以去除主方向外的激光作用。當(dāng)自發(fā)輻射形成的光子通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，一旦發(fā)射的電子-空穴位通過(guò)周?chē)鷧^(qū)域，就可以鼓勵(lì)兩者復(fù)合，產(chǎn)生新的光子。這種光子誘導(dǎo)被激發(fā)的載流子復(fù)合并發(fā)出新的光子。如果注入的電流足夠大，就會(huì)形成與熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)量反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層中的載流子在大量翻轉(zhuǎn)的前提下，由于諧振腔兩側(cè)的反復(fù)反射，自發(fā)輻射產(chǎn)生的少量光子產(chǎn)生感應(yīng)輻射，導(dǎo)致選頻正反饋，或?qū)δ骋活l率產(chǎn)生增益。當(dāng)增益大于吸收消耗時(shí)，可以從PN發(fā)出具有良好譜線(xiàn)的激光。

　　光接收器原理

　　接收器由光敏二極管、光電三極管和光電池組成。基于內(nèi)部光電效應(yīng)，在光的作用下，其內(nèi)部原子釋放電子，但電子不會(huì)溢出物體表面，仍然留在物體內(nèi)部，從而改變物體的電阻或產(chǎn)生電勢(shì)。

　　光敏二極管在反向電壓下工作。它的核心是一個(gè)PN結(jié)，為便于接收光照，PN結(jié)面積越大，電極面積越小，PN結(jié)深很淺，低于1μm。當(dāng)沒(méi)有光時(shí)，反向電流很小，稱(chēng)為暗電流。當(dāng)有光時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)，將能量傳遞到共價(jià)鍵上的約束電子，使一些電子擺脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，稱(chēng)為光生載流子。光電三極管示意圖如下:

　　光電三極管b-c基區(qū)面積大，發(fā)射區(qū)面積小，形成受光結(jié)，吸收入射光。當(dāng)光線(xiàn)進(jìn)入基極表面并產(chǎn)生光電-空穴對(duì)時(shí)，它就會(huì)到達(dá)b-c在結(jié)電場(chǎng)的作用下，電子向集電極漂移，而空穴向基極移動(dòng)，從而增加基極的電位c，e在額外電壓的作用下，電子有一個(gè)發(fā)射器注入。除了少數(shù)復(fù)合基極和洞穴外，還通過(guò)極薄的基極收集大量的電極，稱(chēng)為導(dǎo)出光電流。光電三極管的工作原理分為兩個(gè)過(guò)程：一個(gè)是光電轉(zhuǎn)換，另一個(gè)是光電流放大，輸出電流達(dá)到mA水平，但響應(yīng)比光電二極管慢得多，溫度效應(yīng)也比二極管大。

　　光電池是一種半導(dǎo)體元件，在光照下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。其原理是半導(dǎo)體p-n結(jié)在光的作用下產(chǎn)生新的電子-空穴，電子和空穴在p-n在結(jié)電場(chǎng)的作用下移動(dòng)到結(jié)的兩側(cè)，產(chǎn)生額外的電勢(shì)差。

　　光電檢測(cè)電路

　　光電探測(cè)器接收到的信號(hào)一般較弱，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)可能包含在噪聲中。因此，需要進(jìn)行預(yù)處理，以過(guò)濾掉大部分噪聲，并將弱信號(hào)放大到后續(xù)Cpu所需的電壓振幅。這需要通過(guò)前放大器電路、濾波器電路和主放大器電路導(dǎo)出適當(dāng)?shù)恼穹?，并過(guò)濾掉大部分需要檢測(cè)的噪聲信號(hào)。組件框圖如下：

　　由于光電轉(zhuǎn)換器獲得的信號(hào)為弱電流信號(hào)，因此需要使用輸入電阻大的跨電阻放大器(TIA)實(shí)現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)匹配電阻。前置放大電路的結(jié)構(gòu)如下：

　　為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和良好的信噪比，在前放大器電路后增加了二階帶式濾波器電路，以消除有用信號(hào)頻段以外的噪聲，包括前放大器引入的環(huán)境噪聲和噪聲。濾波器結(jié)構(gòu)如下：