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