正文
光电传感器工作原理图详解：结构、检测逻辑与应用图解（2025）
光电传感器样品申请
光电传感器作为现代工业自动化的核心检测元件，其工作原理涉及光学、电子学和信号处理多个领域。本文通过详细的原理图、光路图和电路图，系统讲解光电传感器的工作机制、检测逻辑和实际应用，帮助您从图示中深入理解这一关键技术。
光电传感器基本工作原理
光电效应基础原理图
光电传感器的核心是光电转换，将光信号转换为电信号。
光电效应原理示意：
光子能量 (hν)
↓
┌──────────┐
│ 光电器件 │
│(PN结/PIN)│
└──────────┘
↓
电子-空穴对产生
↓
光电流 (Ip)
↓
电压信号 (V)
物理过程：
- 光子吸收：入射光子被半导体材料吸收
- 载流子产生：光子能量激发电子从价带跃迁至导带
- 电流形成：在反向偏置电压下，载流子定向移动形成光电流
- 信号放大：微弱光电流经放大电路转换为可用电压信号
关键公式：
光电流 Ip = R × Φ
其中：
R = 光电器件响应度 (A/W)
Φ = 入射光功率 (W)
完整检测系统框图
系统组成框图：
┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐
│ 发射单元│───>│ 检测区域│───>│ 接收单元│
│LED/激光 │ 光束│物体遮挡 │返回光│光电二极管│
└─────────┘ └─────────┘ └─────────┘
↓
┌─────────┐
│信号处理 │
│放大/滤波│
└─────────┘
↓
┌─────────┐
│阈值比较 │
│施密特 │
└─────────┘
↓
┌─────────┐
│输出驱动 │
│NPN/PNP │
└─────────┘
↓
输出信号
各模块功能：
- 发射单元：产生稳定光束（连续或脉冲调制）
- 接收单元：光电转换，将光信号转为电流
- 信号处理：放大、滤波、去噪
- 阈值比较：判定有/无物体
- 输出驱动：提供开关信号给控制系统
对射式光电传感器原理图
光路结构图
对射式光路示意：
发射器 接收器
┌────────┐ ┌────────┐
│ LED │ │光电二极│
│ 发射 │ │ 管 │
└───┬────┘ └───┬────┘
│ │
│准直透镜 │聚焦透镜
▼ ▼
┌───┐ ┌───┐
│:::│ │:::│
└─┬─┘ └─┬─┘
│ │
│ 光束传播（准直光） │
└────────────────────────────────>│
距离 0.5m - 100m
无遮挡：光束完整到达接收器
有遮挡：光束被物体阻断
光束特性：
- 光束类型：准直平行光（发散角 <1°）
- 有效检测宽度：光斑直径（5mm - 30mm）
- 距离范围：0.5m - 100m（根据型号）
检测逻辑图
检测状态转换：
接收光强度
↓
┌────────────────┐
│ 采样电路 │
│ (ADC转换) │
└────────────────┘
↓
┌────────────────┐
│ 阈值比较器 │
│ V_in vs V_th │
└────────────────┘
↓ ↓
V_in>V_th V_in<V_th
↓ ↓
无遮挡 有遮挡
↓ ↓
输出=OFF 输出=ON (常开型)
阈值设置原则：
V_th = V_max × (50% - 70%)
示例：
最大接收电压 V_max = 5V
设置阈值 V_th = 2.5V - 3.5V
当遮挡导致 V_in < V_th 时触发输出
电气接线图
NPN 输出型接线：
电源 DC 12-24V
+ ─┬─ 棕线 (Brown, +V)
│
│ ┌──────────┐
└───>│ 发射器 │
│ │
GND ────>│ 蓝线(-) │
└──────────┘
+ ─┬─ 棕线 (+V)
│
│ ┌──────────┐ 黑线 (Output)
└───>│ 接收器 │ ↓
│ ├────── [负载] ────┬─ +V
GND ────>│ 蓝线(-) │ │
└──────────┘ ┌───┴───┐
│ PLC │
│ 输入 │
└───────┘
注：NPN型需上拉至+V
PNP 输出型接线：
+ ─┬─ 棕线 (+V)
│
│ ┌──────────┐ 黑线 (Output)
└───>│ 接收器 │ ↓
│ ├────── [负载] ────┬─ GND
GND ────>│ 蓝线(-) │ │
└──────────┘ ┌───┴───┐
│ PLC │
│ 输入 │
└───────┘
注：PNP型需下拉至GND
线色标准（IEC 标准）：
- 棕色：电源正极 (+V)
- 蓝色：电源负极 (GND/0V)
- 黑色：输出信号
- 白色：辅助输出（如有）
反射式光电传感器原理图
三角反射器光路图
三角反射器原理：
入射光线
↓
│
┌──┴──┐
╱│ A │╲
╱ │ │ ╲
╱ │ B │ ╲
╱ │ │ ╲
╱ │ C │ ╲
╱─────┴─────┴─────╲
↑
出射光线（原路返回）
A、B、C 为三个相互垂直的反射面
反射路径：
步骤 1：入射光线 → 平面 A 反射
步骤 2：反射光 → 平面 B 反射
步骤 3：反射光 → 平面 C 反射
步骤 4：最终光线方向 = -(入射方向)
角度容差：
有效反射角度范围：±30° 至 ±80°
(根据反射板精度)
示例：
入射角 = 20°
出射角 = -20° (原路返回)
即使传感器与反射板不完全垂直仍可正常工作
完整光路示意图
反射式系统光路：
传感器
┌────────────┐
│ 发射 LED │ ───┐
│ │ │ 发射光束
│ 接收 二极管│ <──┘
└────────────┘
↓ ↑
发射 接收
↓ ↑
─────┼───┼───── 检测区域
↓ ↑
[物体遮挡] ←── 遮挡时光束被阻断
↓ ↑
↓ ↑
─────┼───┼─────
↓ ↑
↓ ╰────── 反射光路
↓
┌──┴──┐
│反射板│ 三角反射器
│╱ ╲ ╱│ (Retroreflector)
└─────┘
距离：0.5m - 30m
偏振滤光型原理图
偏振滤光系统：
传感器端 反射板端
┌─────────────┐ ┌─────────┐
│ 发射LED │ │ 偏振片 │
│ (垂直偏振) │ ───────> │ (旋转90°)│
│ │ │ 反射器 │
│ 水平偏振 │ <─────── │ │
│ 滤光片 │ └─────────┘
│ 接收二极管 │
└─────────────┘
光路分析：
1. 发射：垂直偏振光 (↕)
2. 镜面物体反射：仍为垂直偏振 (↕) → 被滤光片阻挡
3. 反射板反射：旋转为水平偏振 (↔) → 通过滤光片
4. 结果：只检测反射板返回光，不受镜面物体干扰
应用优势：
- 检测金属罐：镜面反射不触发
- 检测电镀零件：高反光物体可靠检测
- 检测塑料薄膜：透明+反光材料适用
漫反射式光电传感器原理图
光路散射图
漫反射检测原理：
传感器（集成发射+接收）
┌────────────────────────┐
│ ┌──────┐ ┌────────┐│
│ │发射LED│ │接收器 ││
│ └───┬──┘ └───┬────┘│
└─────┼───────────┼─────┘
↓ ↑
发射光 漫反射光
↓ ↑
↓ ╱─────╱
↓ ╱ ╱
↓ ╱ ╱
↓ ╱ ╱
╲╱─────╱
[物体表面]
╱ ╲ ╲ ╲ ╲ ╲ (各方向散射)
检测距离：10mm - 1500mm
有效接收角：物体表面向各方向散射
散射特性：
- 朗伯散射：理想漫反射体各方向均匀散射
- 实际物体：散射分布与表面粗糙度、颜色、材质相关
- 检测能力：白色物体 > 灰色物体 > 黑色物体
背景抑制原理图
光学背景抑制：
传感器
┌──────────┐
│ 发射LED │ ───┐ 发射光束（聚焦）
│ │ ↓
│ 接收透镜 │ <──┤ 焦点位置
└──────────┘ ↓
↓
焦点区域 [○] ←─ 设定检测距离
↓
↓
背景物体 [ ] ←─ 超出焦点，散焦
光路分析：
- 焦点处物体：反射光聚焦到接收器 → 强信号
- 背景物体：反射光散焦 → 弱信号被滤除
优势：
- 不受背景干扰
- 固定检测距离（±10mm 精度）
- 适合检测固定位置小物体
应用场景：
- 传送带上产品计数（忽略传送带背景）
- 透明瓶中液位检测（忽略瓶底背景）
- 贴标检测（忽略包装盒背景）
颜色响应曲线图
不同颜色检测能力：
检测距离
(相对值)
100% ├─■────────── 白色物体
│ ╲
80% ├───■─────── 黄色物体
│ ╲
60% ├────■───── 红色物体
│ ╲
40% ├─────■──── 蓝色物体
│ ╲
20% ├──────■─── 黑色物体
│
0% └────────────────────>
颜色反射率
说明：
- 白色：反射率 90%，检测距离最远
- 黑色：反射率 5%，检测距离缩短至 20%
- 红光LED：对红色物体检测能力弱
- 蓝光LED：对蓝色物体检测能力弱
信号处理电路原理图
光电转换电路
基础光电二极管电路：
+V (反向偏置)
│
├─── Rf (反馈电阻 100kΩ - 10MΩ)
│
┌─────┴─────┐
│ - │
│ 运放(OP) │ Vout ──> 输出电压
│ + │
└─────┬─────┘
│
───┴─── 光电二极管 (反向连接)
─┬─┬─
│ │
光照│ GND
工作原理：
Ip (光电流) = R × Φ (入射光功率)
Vout = Ip × Rf
即：输出电压正比于入射光强
性能参数：
- 灵敏度：Rf 越大，灵敏度越高
- 响应速度：Rf 越大，响应越慢（RC 时间常数）
- 噪声：Rf 越大，热噪声越大
脉冲调制检测电路
抗干扰调制原理：
发射端：
┌────────┐
│ 振荡器 │ 产生方波 (1kHz - 10kHz)
└───┬────┘
↓
┌───┴────┐
│LED驱动 │ 调制发射光
└────────┘
接收端：
┌────────┐
│ 光电管 │ 接收调制光信号
└───┬────┘
↓
┌───┴────┐
│ 前置放大│
└───┬────┘
↓
┌───┴────┐
│带通滤波│ 仅通过 1kHz - 10kHz 信号
│ (BPF) │ 滤除直流环境光干扰
└───┬────┘
↓
┌───┴────┐
│解调电路│ 还原检测信号
└───┬────┘
↓
输出信号
抗干扰效果：
- 滤除 DC 分量：环境光（阳光、白炽灯）
- 滤除 50/60Hz：荧光灯干扰
- 提升信噪比：>20dB 改善
施密特触发器电路
防抖动电路：
输入电压
Vin
↓
┌────────────────┐
│ 施密特触发器 │
│ (Schmitt) │
└────────────────┘
↓
输出 Vout
电压-输出关系：
Vout
↑
高 ├────────┐
│ │
│ │ 迟滞区间 (ΔV)
│ ↓
低 └────┐
──┬──┴────┬──> Vin
V_L V_H
V_H = 上限阈值 (例如 3.5V)
V_L = 下限阈值 (例如 2.5V)
ΔV = V_H - V_L (迟滞宽度 1V)
防抖原理：
- 信号上升：Vin > V_H 时输出翻转为高
- 信号下降：Vin < V_L 时输出翻转为低
- 中间抖动：V_L < Vin < V_H 时输出保持
应用优势：
- 消除边缘抖动：物体边缘检测稳定
- 提升可靠性：噪声不触发误动作
- 延长寿命：减少输出继电器频繁切换
输出驱动电路
NPN 晶体管输出：
+V 电源
│
├─── [负载] ──┬─ 输出端子 (黑线)
│ │
──┴── ──┴── NPN 三极管
信号 ──┬── (开关作用)
控制 │
GND
工作模式：
- 有检测信号：三极管导通 → 输出低电平 (GND)
- 无检测信号：三极管截止 → 输出高阻态
- 负载需上拉至 +V
PNP 晶体管输出：
+V 电源
│
──┴── PNP 三极管
──┬── (开关作用)
│
├─── [负载] ──┬─ 输出端子 (黑线)
│ │
──┴── GND
信号
控制
工作模式：
- 有检测信号：三极管导通 → 输出高电平 (+V)
- 无检测信号：三极管截止 → 输出高阻态
- 负载需下拉至 GND
继电器输出：
+V
│
[线圈] ←─ 信号控制
│
GND
触点 (无极性)：
┌─ COM (公共端)
├─ NO (常开)
└─ NC (常闭)
特点：
- 电气隔离
- 负载能力强 (2A - 5A)
- 响应慢 (10ms - 30ms)
- 寿命有限 (10万次 - 100万次)
实际应用接线图解
传送带物体检测接线
系统配置：
PLC 控制系统
┌──────────────┐
│ 输入模块 │
│ I0.0 ←──────┼── 光电开关输出 (黑线)
│ │
│ 24V+ ───────┼── 电源正极 (棕线)
│ GND ────────┼── 电源负极 (蓝线)
└──────────────┘
│
│ 24V DC 电源
└─────┬─────┬─────
│ │
发射器 接收器
(对射式)
│ │
┌──┴───────┴──┐
│ 传送带检测 │
│ [===□===] │ ← 物体通过
└──────────────┘
程序逻辑（梯形图）：
──┤I0.0├────┤CTU├── 计数器 (物体计数)
光电 │
┌─┴─┐
│PV │ 预设值
│CV │ 当前值
└───┘
双传感器尺寸测量
测量原理：
传感器 A 传感器 B
┌──┐ ┌──┐
│发│ │发│
│射│ │射│
└─┬┘ └─┬┘
↓ ↓
────┼─────────────────┼──── 传送带
↓ ↓
[ 物体通过 ]
←─────L─────→
↓ ↓
┌─┴┐ ┌─┴┐
│接│ │接│
│收│ │收│
└──┘ └──┘
时序分析：
A触发 A释放 B触发 B释放
├──t1──┤
├──────t2──────┤
物体长度 L = 传送带速度 × (t2 - t1)
安全光幕接线
多光束系统：
安全继电器
┌──────────────┐
│ S11 ←────────┼── 光束 1 输出
│ S12 ←────────┼── 光束 2 输出
│ : │
│ S1n ←────────┼── 光束 n 输出
│ │
│ 逻辑：AND │
│ (全部未遮挡) │
│ │
│ K1 (安全输出)│──> 控制设备运行
└──────────────┘
逻辑：
若 S11 AND S12 AND ... AND S1n = 正常
则 K1 = 闭合 (允许运行)
否则
K1 = 断开 (立即停机)
故障诊断流程图
系统故障诊断树
诊断流程：
传感器无输出
↓
┌──────┴──────┐
│ │
电源正常? 电源故障
│ └→ 检查电源、接线
↓
发射光源正常?
├─是─> 光路对准正常?
│ ├─是─> 信号强度正常?
│ │ ├─是─> 输出电路故障
│ │ └─否─> 光学污染/衰减
│ └─否─> 重新对准光轴
└─否─> LED 损坏或驱动电路故障
信号波形诊断
正常波形：
接收信号 Vout
5V ├────┐ ┌──── 无遮挡 (高电平)
│ │ │
│ │ │
2V ├────┴────────┘ 有遮挡 (低电平)
│ ↑ ↑
0V └────┴────────┴───> 时间
物体 物体
进入 离开
特征：
- 边沿陡峭 (响应快)
- 高低电平稳定
- 无毛刺抖动
异常波形 1：边缘抖动：
5V ├────┐╱╲╱╲ ╱╲╱╲┐ 抖动严重
│ ╲╱ ╲╱ ╲╱ ╲╱
2V ├────┴────────┴──
└──────────────────> 时间
原因：
- 物体边缘不规则
- 光轴对准不佳
- 缺少施密特触发器
解决：
- 增加时间延迟
- 启用滤波功能
异常波形 2：信号衰减：
5V ├────┐
│ │╲ 检测能力下降
2V ├────┤ ╲
│ │ ╲──── 信号低于阈值
0V └────┴────────> 时间
原因：
- 光学系统污染
- LED 老化
- 检测距离过远
解决：
- 清洁镜头/反射板
- 提高灵敏度
- 缩短检测距离
进阶技术原理图
激光测距原理
TOF (Time of Flight) 原理：
发射端 目标物体
┌────┐ ┌────┐
│激光│ ─────────────────────>│ │
│脉冲│ │反射│
└────┘ <─────────────────────│面 │
↑ └────┘
│
└─┐ 时间测量 Δt
│
↓
距离 D = c × Δt / 2
(c = 光速 3×10⁸ m/s)
精度：
Δt = 1ns → D = 0.15mm
适用于高精度检测 (±0.1mm)
颜色识别原理
三色 LED 检测：
传感器
┌──────────────┐
│ 红光 LED (R) │ ───┐
│ 绿光 LED (G) │ ───┤ 顺序发射
│ 蓝光 LED (B) │ ───┘
│ │
│ 接收器 │ <── 反射光
└──────────────┘
↓
物体表面
[彩色物体]
↓
反射光谱分析
↓
┌────┬────┬────┐
│ R │ G │ B │ 强度比
└────┴────┴────┘
↓
颜色判定
(RGB 值比对)
常见问题解答
Q1：为什么光电传感器需要脉冲调制而不是连续发射？
脉冲调制的核心优势：(1) 抗环境光干扰：连续发射无法区分环境光（如阳光 DC 分量），脉冲调制配合带通滤波器可滤除所有非调制频率的光信号，信噪比提升 20dB 以上；(2) 降低功耗：脉冲占空比通常 10% - 50%，平均功耗降低 50% - 90%，LED 寿命延长；(3) 提高峰值功率：相同平均功率下，脉冲峰值可达连续光 5 - 10 倍，检测距离显著增加。现代光电传感器调制频率通常为 1kHz - 10kHz，完美避开 50/60Hz 工频干扰和环境光的低频噪声。
Q2：NPN 和 PNP 输出如何正确选择和接线？
选择原则：取决于 PLC 输入模块类型。(1) PLC 共阴极输入（COM 接 GND）：选用 NPN 型传感器，输出下拉至 GND，PLC 内部上拉至 +V；(2) PLC 共阳极输入（COM 接 +V）：选用 PNP 型传感器，输出上拉至 +V，PLC 内部下拉至 GND。接线口诀："NPN 上拉，PNP 下拉"。若接线错误，轻则无信号，重则可能损坏传感器或 PLC 输入端口（电流倒灌）。部分高级传感器提供 NPN/PNP 可切换功能，通过跳线或按键设置，兼容性更强。
Q3：对射式、反射式和漫反射式如何根据应用选择？
选择决策树：(1) 检测距离 >10m 或要求高可靠性 → 对射式（抗干扰最强，但需两侧安装）；(2) 单侧安装 + 中等距离 (0.5m - 10m) → 反射式（需安装反射板，适合固定检测位置）；(3) 无法安装反射板 + 短距离 (<1.5m) → 漫反射式（依靠物体本身反射，但受颜色、材质影响大）；(4) 检测透明物体 → 对射式或反射式（漫反射式不可靠）；(5) 检测高反光物体（金属、镜面）→ 偏振滤光型反射式或背景抑制型漫反射式。实际应用中，对射式占 40%、反射式占 35%、漫反射式占 25%。
总结
光电传感器的工作原理涉及光学设计、光电转换、信号处理和输出驱动四大环节，通过详细的原理图和光路图可以清晰理解其检测机制。
核心要点总结：(1) 光电效应基础：光子能量转换为电信号，响应度决定灵敏度；(2) 三种基本类型：对射式（距离远、可靠）、反射式（单侧安装、中等距离）、漫反射式（无需反射板、距离短）；(3) 信号处理关键：脉冲调制抗干扰、施密特触发器防抖动、放大电路提升信噪比；(4) 接线规范：NPN 上拉、PNP 下拉，线色遵循标准。
掌握这些原理图和电路图，配合实际应用接线图，您将能够正确选型、安装、调试和维护光电传感器系统，确保检测准确性和系统稳定性！
