光学传感器在电子应用中的作用

本文概述了光学传感器的工作原理、光学传感器类型、光学传感器选择的注意事项以及关键应用。

光学传感器是设计用于检测入射光线并将其转换为电信号的电子元件。这些组件可用于测量入射光的强度并将其转换为集成测量设备可读的形式，具体取决于传感器类型。

本文概述了光学传感器的工作原理、光学传感器类型、光学传感器选择的注意事项以及关键应用。

光学传感器示例。图片由罗姆提供

光学传感器的应用

光学传感器是工业、消费、医疗保健和汽车领域使用的电子设备和设备中无处不在的组件。

医疗保健

由于全球大流行，对非接触式传感的需求前所未有，因此光学传感器已被用于长期医疗机构的消毒剂分配器中，以确保健康和安全合规性。

其他医疗应用包括用于呼吸分析和心率监测的生物医学设备。可以使用可调二极管激光器实现呼吸分析，而通过皮肤反射回传感器的光可以在称为光电容积描记法的过程中准确监测人体心率。便携式可穿戴传感器利用光学传感器自动和手动跟踪用户的健康状况和生命体征。

工业/商业

在工业和商业应用中，光学传感器还用于工业 4.0 应用中的距离和温度传感和自动化。例如，光学传感器可以通过集成红外 LED、光晶体管和透明棱镜尖端来检测过程工程设施中的液位，例如油库和碳氢化合物精炼厂中的石油液位。

光学传感器还通过检测工厂车间是否存在组件来实现自动控制。

消费电子

光学传感器还用于智能手机等消费电子产品中的环境光感测，具有延长电池寿命和优化屏幕亮度以匹配环境中的光量等优势。

下面的示意图（图 1）集成了一个微控制器和一个配备自动发光控制的 LED 驱动器 IC，以实现与环境光量成正比的输出电流，并模拟人眼的光谱灵敏度。

图 1. 环境光传感器 IC 框图。图片由罗姆提供

光遮断器和反射型光电传感器用于工业和零售应用的打印机和 3D 扫描仪的光学传感。光学传感器还用于商业和住宅建筑的监视设备中以检测入侵者。

光学传感器的种类

最常见的光学传感器类型包括：

• 透射型光遮断器 通过拦截光来检测物体的存在，并广泛用于位置传感和旋转速度测量等应用
• 反射式光电传感器 通过测量光在物体上的反射来检测物体的运动
• 光电导器件 通过吸收入射光线变得导电
• 光电二极管 将入射光转化为电流
• 光电晶体管 当基极 - 集电极结暴露在光线下时，可以获得与光电二极管相似的结果

光学传感器的操作

光学传感技术需要单色、紧凑且可靠的光源才能有效发挥作用。适用于光学传感器照明的常见光源包括 LED 和激光器。

当电子与 n 和 p 掺杂半导体结处的空穴结合以帮助释放光子时，发光二极管 (LED) 会发光。另一方面，激光是由某些材料（如玻璃或晶体）的原子中电子的电激发产生的。

图 2. 光学接近传感器框图。图片由罗姆提供

然而，不同类型的光学传感器的工作方式略有不同。

基于输出级的光电晶体管可以在光电断路器中驱动的最大电流取决于它接收的光量。当光照射在光电晶体管上时（即间隙中没有物体），光电断路器表现出低输出。

图 3. 光遮断器的构造。图片由罗姆提供

相反，光遮断器在存在物体时表现出高输出。工程师可以通过将输出连接到用于光学控制的微控制器或逻辑设备来利用光电断路器的功能。

设计注意事项

对于希望将光学传感器集成到其设计中的工程师来说，响应时间、成本、尺寸和灵敏度是必不可少的考虑因素。

响应时间是指光学传感器响应入射光所需的时间，在多种应用中至关重要。更快的响应时间通常会带来更高的光学传感效率。许多光学传感器（图 4）将响应时间测量电路纳入其设计，以考虑其延迟、上升和下降时间功能。

图 4. RPI-246（左）和 RPI-44C1E（右）的产品图片。图片由罗姆提供

同样，成本是设计光学传感器的基本要求。许多因素会影响整体光学传感器设计成本，包括硬件/软件采购、测试和研发。

传感器也有各种尺寸，具体取决于它们的类型和特定应用。例如，典型的光断续器封装尺寸范围从 3.6 x 3.3 毫米到 8 x 4.2 毫米。由于快速小型化，设计人员通常会选择在高性能和低成本之间取得平衡的更小的光学传感器。

此外，设计人员偏爱对更宽光谱（包括可见光和红外线）敏感的传感器。高达 ±40 的更高灵敏度可使接近度和环境光感测测量速度提高四倍。

光学传感器的优点

光学传感器在各种应用中具有多种优势，包括：

• 轻量级包
• 抗电磁干扰 (EMI)
• 可靠性
• 宽动态范围
• 高灵敏度

此外，它们非常适合监测多种化学和物理现象，并且具有化学惰性，这在危险和可燃环境中至关重要。

此外，鉴于大流行，对非接触式传感的需求空前高涨。光学传感器可用于设计工业和商业环境中的创新解决方案，以促进安全和健康合规性。

ROHM 电子应用光学传感解决方案

ROHM 是高性能光学传感器解决方案的供应商。 ROHM 传感器具有高度的灵敏度，这在广泛的应用中至关重要，例如自动化、运动传感、测量、安全、监视等。

光学传感解决方案包括接近和环境光传感器、光断路器、红外 LED、光传感器、光电二极管、光电晶体管、环境光传感器 IC 和 4 向检测器。 ROHM 的光学传感器提供宽广的工作温度范围（-25 至 +85°C），并采用小尺寸封装，可最大程度地节省空间。

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