光电传感器在自动控制领域的应用

敖志伟

摘 要：光电传感器是一种以光电效应为基本工作原理的传感器。本文从光电效应为出发点，详细阐述了光电传感器的基本工作原理和分类，总结了其在自动控制领域的独特优势，最后以烟尘浊度自动监测系统、光电转速检测仪和条形码扫描笔为例介绍了光电传感器在自动控制领域的应用。

关键词：光电传感器；自动控制；光电效应

1 光电传感器原理及分类

1.1 光电效应

光电传感器以光电效应为核心工作原理。当物体受到光辐射时，其内部电子会吸收光粒子的能量而使自身性质发生根本的改变，该现象称为光电效应。根据光照后电子状态的不同变化，一般将光电效应分为外光电效应和内光电效应，而后者又可以进一步分为光电导效应和光生伏特效应。外光电效应是指在光线的作用下，电子逸出物体表面的现象，光电管是以该效应的原理的典型光电元件。内容光电效应则是指光照后物体的电子不能逸出表面而使其内部的电导率发生改变，或者产生电动势的现象，以内光电效应为基础的典型光器件有光敏电阻、二极管等[1]。

1.2 光电传感器的基本原理

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分構成。通过把被测物理量的变化直接或间接转化为光信号的变化，再经过光电元件把光信号变化转化为电信号的变化，最后对电信号进行分析，即可计算出被测物理量。

1.3 光电传感器的分类

根据发射端（光源）与接收端（光电元件）的位置关系，可以将光电传感器分为槽型、对射型、反光板型和漫反射型4类：将光发射端和光接收器分别安装在一个槽的相对两侧，发射端在没有任何阻挡的情况下接收端将收到光照[2]。一旦被检测物体从槽中通过，则发光线就会被遮挡而触发光电开关，产生一个开关信号来切断或接通负载回路，从而完成一次基本控制动作。如果将发射端和接收端之间的距离分得更远，就形成了对射式光电传感器。反射板型光电传感器的发射端与接收端安装在同一侧，并且其前方装有一块反光板，若光路无阻，则出射光经反射回到接收端，一旦被测物体出现在光路中，则会触发光电开关而产生开关控制信号。反光板也可以由被测物体充当，当被测物体出现在光路中并将部分光线反射回接收端，则可成功检测到物体的存在，此时就成了漫反射型光电传感器。

2 光电传感器在自动控制的应用

由于光电传感器特有的优势，其在自动控制领域已经得到了广泛的应用，下面举几个典型的应用案例。

2.1 烟尘浊度自动监测系统

工业烟尘对环境的影响十分严重，因此有必要对烟尘源的浊度进行监测、显示和超标报警。该系统采用了对射式检测方式，利用烟尘对光线的散射原理进行检测。烟尘浊度越高，光源发出的光被散射得越严重，接收端接收的光信号越弱。因此，只要检测接收端的光电流就可以实现烟尘浊度的测量。为了提高性能，对光电流进行了放大，当放大电路输出的电信号超过规定值时，触发谐振器工作，从而驱动扬声器发生报警信号。光源采用白炽灯是为了避免大气中的水蒸汽和二氧化碳对光源造成的衰减而影响测量精度[3]。

2.2 光电转速检测仪

光电转速检测仪主要由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等部分构成。开孔圆盘与被测轴相连并保持同步，当圆盘转动并恰好通过缝隙析时，光源发生的光线便会穿过缝隙而被光敏元件接收，从而产生一次计数脉冲。根据脉冲出现的频率即可计算出被测轴的转速。其原理图如图1所示。

2.3 条形码扫描笔

条形码扫描笔采用光电反射式设计，发射端为一个发光二极管，接收端为一个光敏三极管，两者都封装在扫描笔筒内，笔尖处留一小孔，并且该小孔恰好为检测光的折射点。笔尖在条形码上扫描时，当扫到黑色竖线时，光源的光线被吸收较多，只有很少一部分经纸面反射到接收端，从而产生一个较低的电平信号；当扫描到条形码的白色间隔处时，光源的光线大部分被反射回接收端，从而产生一个较高的电平信号。高电平与低电平的变化规律与变形码的分布相同，经过解码后，最终得到条形码的数字序列。其原理图如图2所示。

3 结论

光电传感器是基于光电效应而工作的，是实现光电转换的关键器件，具有检测距离长、检测对象无限制、检测物理量多、响应速度快、非接触式检测等优点，在自动控制系统中占有极其重要的地位。随着光电传感器的集成化和产业化，以及无线光电传感器、光纤光电传感器、智能光电传感器和COMS图像传感器等新型光电传感器件的出现，未来的光电传感器市场正在被重新定义。

参考文献

[1]杨应平，胡昌奎，胡靖华编著.光电技术[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]陈冬萍.基于光电传感器测距的智能软包计数系统[D].杭州电子科技大学，2013.

[3]叶仁虎.基于光电传感器的地震波检测技术研究[D].长春理工大学，2013.

（作者单位：军械工程学院）