光电传感器电路和光电传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种光电传感器电路和光电传感器。

背景技术

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电物理量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电物理量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

正是因为光电传感器的应用涉及的领域非常广泛，其研究和开发在世界上引起了高度重视，各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。从最初应用于军事逐渐发展到民事，而且与我们的生活息息相关，应该说现代化的生活离不开光电传感器的参与，如传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等等不胜枚举。然而，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统光电传感器结构固化、不便于灵活应用，且制造成本高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统光电传感器结构固化、不便于灵活应用，且制造成本高的问题，提供一种光电传感器电路和光电传感器。

为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种光电传感器电路，包括电流电压转换放大电路、模数转换电路以及光电转换电路；

电流电压转换放大电路的输出端连接模数转换电路的第一输入端，第一输入端连接光电转换电路的p端，第二输入端接地；

模数转换电路的第二输入端、外接电压源的第一电压输入端连接光电转换电路的n端，第三输入端和第二电压输入端接地。

在其中一个实施例中，电流电压转换放大电路包括灵敏度调节电路、第一放大电路以及滤波电路；

第一放大电路的输出端连接模数转换电路的第一输入端，第一输入端连接光电转换电路的p端，第二输入端接地；

灵敏度调节电路、滤波电路连接在第一放大电路的第一输入端和第一放大电路的输出端之间。

在其中一个实施例中，第一放大电路包括第一运算放大器；灵敏度调节电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻；滤波电路包括电容；

第一运算放大器的输出端连接模数转换电路的第一输入端，反相输入端连接光电转换电路的p端，正相输入端接地；

第一电阻通过第三电阻接地，通过第二电阻连接第一运算放大器的输出端和电容的一端；第一电阻的另一端连接第一运算放大器的反相输入端和电容的另一端。

在其中一个实施例中，模数转换电路包括第二放大电路以及分压电路；

第二放大电路的第一输入端连接电流电压转换放大电路的输出端，第二输入端连接分压电路的输出端，外接电压源的第一电压输入端连接光电转换电路的n端，第二电压输入端接地；

分压电路的第一输入端连接光电转换电路的n端，第二输入端接地。

在其中一个实施例中，第二放大电路包括第二运算放大器；分压电路包括第四电阻以及第五电阻；

第二运算放大器的正相输入端连接电流电压转换放大电路的输出端，反相输入端分别连接第四电阻的一端、第五电阻的一端，外接电压源的正电源端连接光电转换电路的n端，负电源端接地；

第四电阻的另一端连接光电转换电路的n端，第五电阻的另一端接地。

在其中一个实施例中，模数转换电路还包括比较器电路；比较器电路包括第六电阻以及第七电阻；

第六电阻的一端连接电流电压转换放大电路的输出端，另一端连接第二运算放大器的正相输入端、第七电阻的一端；第七电阻的另一端连接第二运算放大器的输出端。

在其中一个实施例中，还包括偏置电路；

偏置电路的输出端连接电流电压转换放大电路的第二输入端，第一输入端连接光电转换电路的n端，第二输入端接地。

在其中一个实施例中，偏置电路包括第八电阻和第九电阻；

第八电阻的一端、第九电阻的一端连接电流电压转换放大电路的第二输入端；第八电阻的另一端连接光电转换电路的n端；第九电阻的另一端接地。

在其中一个实施例中，光电转换电路包括光电二极管；

光电二极管的p极连接第一运算放大器的正相输入端，n极连接第二运算放大器的正电源端、第四电阻的另一端。

另一方面，本发明实施例还提供了一种光电传感器，包括封装在印制电路板上的如上所述的光电传感器电路。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

光电传感器电路包括电流电压转换放大电路、模数转换电路以及光电转换电路，其中，电流电压转换放大电路的输出端连接模数转换电路的第一输入端，第一输入端连接光电转换电路的p端，第二输入端接地；模数转换电路的第二输入端、外接电压源的第一电压输入端连接光电转换电路的n端，第三输入端和第二电压输入端接地。其中，光电转换电路将光信号转换成光电流信号传输给电流电压转换放大电路，电流电压转换放大电路将光电流信号转换为模拟电压信号，并对模拟电压信号进行放大传输给模数转换电路，模数转换电路将模拟电压信号转换成数字电压信号。本发明结构简单制造成本低、设计灵活便于应用，并能很好的实现光电传感器的功能。

附图说明

图1为在一个实施例中本发明光电传感器电路的结构示意图；

图2为在一个实施例中本发明光电传感器电路的电流电压转换放大电路的结构示意图；

图3为在一个实施例中本发明光电传感器电路的第一电路图；

图4为在一个实施例中本发明光电传感器电路的模数转换电路的第一结构示意图；

图5为在一个实施例中本发明光电传感器电路的模数转换电路的第二结构示意图；

图6为在一个实施例中本发明光电传感器电路的偏置电路的结构示意图；

图7为在一个实施例中本发明光电传感器电路的第二电路图；

图8为在一个实施例中本发明光电传感器电路的第三电路图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“封装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了解决传统光电传感器结构固化、不便于灵活应用，且制造成本高的问题，如图1所示，在一个实施例中，本发明供了一种光电传感器电路，包括电流电压转换放大电路110、模数转换电路120以及光电转换电路130；

电流电压转换放大电路110的输出端连接模数转换电路120的第一输入端，第一输入端连接光电转换电路130的p端(即阳极)，第二输入端接地；

模数转换电路120的第二输入端、外接电压源的第一电压输入端连接光电转换电路130的n端(即阴极)，第三输入端和第二电压输入端接地。

其中，电流电压转换放大电路110可将光电流信号转化为模拟电压信号，并对模拟电压信号做适当比例的放大，由电流电压转换放大电路110的输出端输出模拟电压信号。其中，光电流信号是由光电转换电路130输出。

在一个具体的实施例中，如图2所示，电流电压转换放大电路110包括灵敏度调节电路112、第一放大电路114以及滤波电路116；

第一放大电路114的输出端连接模数转换电路120的第一输入端，第一输入端连接光电转换电路130的p端，第二输入端接地；

灵敏度调节电路112、滤波电路116连接在第一放大电路114的第一输入端和第一放大电路114的输出端之间。

具体而言，灵敏度调节电路112用于调节本发明光电传感器电路的检测灵敏度。第一放大电路114将光电流信号转化为模拟电压信号，并对模拟电压信号做适当比例的放大，由第一放大电路114的输出端输出模拟电压信号。滤波电路116用于滤除模拟电压信号中的干扰信号。在该实施例中，利用灵敏度调节电路112来调节本发明光电传感器电路的检测灵敏度(检测灵敏度为利用本发明测量非电物理时，本发明展现出的响应量变化程度)，使得本发明能够根据实际需求来调制不同的检测灵敏度，实现灵活调整，从而本发明应用更广泛更加灵活；进一步的，利用第一放大电路114来调节本发明光电传感器电路的电流电压转换放大比例，进而根据光电转换电路输出的光电流信号的强弱(光电流信号的强弱是由光电转换电路接收到的光信号的强弱决定的)来调整放大的比例，进一步增强了本发明光电传感器电路的应用灵活性；并且通过滤波电路116滤除模拟电压信号中的干扰信号增强了本发明光电传感器电路的准确性。

在一个具体的实施例中，如图3所示，第一放大电路114包括第一运算放大器a1；灵敏度调节电路112包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3；滤波电路116包括电容c1；

第一运算放大器a1的输出端连接模数转换电路120的第一输入端，反相输入端连接光电转换电路130的p端，正相输入端接地；

第一电阻r1通过第三电阻r3接地，通过第二电阻r2连接第一运算放大器a1的输出端和电容c1的一端；第一电阻r1的另一端连接第一运算放大器a1的反相输入端和电容c1的另一端。

具体而言，第一放大电路114包括第一运算放大器a1，利用第一运算放大a1器将光电流信号转化为模拟电压信号，并对模拟电压信号做适当比例的放大。灵敏度调节电路112包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3，利用第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3来调节本发明光电传感器电路的检测灵敏度，进一步的，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3的电阻越大，本发明光电传感器电路的检测灵敏度越高。滤波电路116包括电容c1，利用电容c1滤除干扰信号，其电容值的大小可根据本发明光电传感器电路的频率选择。在该实施例中，本发明中的灵敏度调节电路112、第一放大电路114和滤波电路116的结构都非常简单，使得本发明结构简单，从而也降低了本发明的制造成本。

其中，模数转换电路对模拟电压信号做抗干扰处理，并将模拟电压信号转换为数字电压信号。其中，模拟电压信号为电流电压转换放大电路输出的，数字电压信号为本发明光电传感器电路最终输出的信号。

在一个具体的实施例中，如图4所示，模数转换电路120包括第二放大电路122以及分压电路124；

第二放大电路122的第一输入端连接电流电压转换放大电路110的输出端，第二输入端连接分压电路124的输出端，外接电压源的第一电压输入端连接光电转换电路130的n端，第二电压输入端接地；

分压电路124的第一输入端连接光电转换电路130的n端，第二输入端接地。

具体而言，第二放大电路122用于将模拟电压信号转换为数字电压信号。分压电路124用于电压分压，并将分压后电压通过第二放大电路122的第二输入端供给第二放大电路122。该实施例中，分压电路124和第二放大电路122相互配合将电流电压转换放大电路110输出的模拟电压信号转换成数字电压信号，并增加了本发明光电传感器电路中信号的抗干扰能力。

在一个具体的实施例中，如图3所示，第二放大电路122包括第二运算放大器a2；分压电路124包括第四电阻r4以及第五电阻r5；

第二运算放大器a2的正相输入端连接电流电压转换放大电路110的输出端，反相输入端分别连接第四电阻r4的一端、第五电阻r5的一端，外接电压源的正电源端连接光电转换电路130的n端，负电源端接地；

第四电阻r4的另一端连接光电转换电路130的n端，第五电阻r5的另一端接地。

具体而言，第二放大电路122包括第二运算放大器a2，利用第二运算放大器a2将模拟电压信号转换为数字电压信号。分压电路124包括第四电阻r4以及第五电阻r5，利用串联的第四电阻r4和第五电阻r5对电压进行分压，将分压后的电压供给第二放大电路122。在该实施例中，本发明光电传感器电路中的第二放大电路122以及分压电路124结构简单，进一步的，降低了本发明光电传感器电路的制造成本。

在一个具体的实施例中，如图5所示，模数转换电路120还包括比较器电路126；

如图3所示，比较器电路126包括第六电阻r6以及第七电阻r7；

第六电阻r6的一端连接电流电压转换放大电路110的输出端，另一端连接第二运算放大器a2的正相输入端、第七电阻r7的一端；第七电阻r7的另一端连接第二运算放大器a2的输出端。

具体而言，比较器电路126可滤除电流电压转换放大电路输出的模拟电压信号中的干扰信号。进一步的，比较器电路126包括第六电阻r6和第七电阻r7，其中，第六电阻r6起到比较器的作用，可滤除模拟电压信号中的干扰信号，第六电阻的滤波程度由第六电阻r6与第七电阻r7的电阻值比值决定。该实施例中，本发明光电传感器电路利用比较器电路126滤除模拟电压信号中的干扰信号，进一步的，提高了本发明光电传感器电路在检测非电物理量时的准确性。

其中，光电转换电路130将光信号转换为光电流信号，并传输给电流电压转换放大电路。

在一个具体的实施例中，如图3所示，光电转换电路130包括光电二极管vd1；

光电二极管vd1的p极连接第一运算放大器a1的反相输入端，n极连接第二运算放大器a2的正电源端、第四电阻r4的另一端。

具体而言，光电转换电路130包括光电二极管vd1，利用光电二极管vd1将光信号转换为光电流信号。该实施例中，本发明光电传感器电路中的光电转换电路130结构简单，进一步的降低了本发明的制造成本。

本发明光电传感器电路各实施例中，光电传感器电路包括电流电压转换放大电路、模数转换电路以及光电转换电路，其中，电流电压转换放大电路的输出端连接模数转换电路的第一输入端，第一输入端连接光电转换电路的p端，第二输入端接地；模数转换电路的第二输入端、外接电压源的第一电压输入端连接光电转换电路的n端，第三输入端和第二电压输入端接地。其中，光电转换电路将光信号转换成光电流信号传输给电流电压转换放大电路，电流电压转换放大电路将光电流信号转换为模拟电压信号，并对模拟电压信号进行放大传输给模数转换电路，模数转换电路将模拟电压信号转换成数字电压信号。本发明各实施例中光电传感器电路结构简单制造成本低、设计灵活便于应用，并能很好的实现光电传感器的功能。

在一个实施例中，如图6所示，本发明光电传感器电路还包括偏置电路140；

偏置电路140的输出端连接电流电压转换放大电路110的第二输入端，第一输入端连接光电转换电路130的n端，第二输入端接地。

具体而言，偏置电路140用于给电流电压转换放大电路110提供偏置电压。进一步的，提高了本发明光电传感器电路的抗干扰能力。

在一个具体的实施例中，如图7所示，偏置电路140包括第八电阻r8和第九电阻r9；

第八电阻r8的一端、第九电阻r9的一端连接电流电压转换放大电路110的第二输入端；第八电阻r8的另一端连接光电转换电路130的n端；第九电阻r9的另一端接地。

本发明光电传感器电路各实施例中，增设一个偏置电路，偏置电路包括第八电阻和第九电阻。偏置电路提高了本发明光电传感器的抗干扰能力，且本身结构也非常简单，也进一步的，提高了本发明的制造成本。

在一个实施例中，如图2、5、6和8所示，本发明光电传感器电路包括电流电压转换放大电路110、模数转换电路120、光电转换电路130以及偏置电路140；

电流电压转换放大电路110包括灵敏度调节电路112、第一放大电路114以及滤波电路116；第一放大电路114包括第一运算放大器a1；灵敏度调节电路112包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3；滤波电路116包括电容c1；

模数转换电路120包括第二放大电路122、分压电路124以及比较器电路126；第二放大电路122包括第二运算放大器a2；分压电路124包括第四电阻r4以及第五电阻r5；比较器电路126包括第六电阻r6以及第七电阻r7；

偏置电路140包括第八电阻r8和第九电阻r9；光电转换电路130包括光电二极管vd1；

第一电阻r1通过第三电阻接地，通过第二电阻r2连接第一运算放大器a1的输出端和电容c1的一端；第一电阻r1的另一端连接第一运算放大器a1的反相输入端和电容c1的另一端；

第一运算放大器a1的反相输入端连接光电二极管vd1的p极，正相输入端分别连接第八电阻r8的一端、第九电阻r9的一端；第八电阻r8的另一端连接光电二极管vd1的n极；第九电阻r9的另一端接地；

第六电阻r6的一端连接第一运算放大器a1的输出端，另一端连接第二运算放大器a2的正相输入端、第七电阻r7的一端；第七电阻r7的另一端连接第二运算放大器a2的输出端；

第二运算放大器a2的反相输入端分别连接第四电阻r4的一端、第五电阻r5的一端，外接电压源的正电源端连接光电二极管vd1的n极，负电源端接地；

第四电阻r4的另一端连接光电二极管的n极，第五电阻r5的另一端接地。

进一步的，第一运算放大器a1为sgm8600型运算放大器。第一运算放大器a2为sgm8600型运算放大器。

具体而言，基于以下公式可计算出第一运算放大器输出的电压

vout1＝v1+(r2/r3)*v1-(r1/(r2+r3)*id)

其中，v1为第八电阻r8和第九电阻r9的分压电压，id为光电二极管输vd1出的电流。

基于以下公式可计算出比较器电路的上门限电压：

v+＝{1+(r6/r7)}*v2-{(r6/r7)*vol}

基于以下公式计算下门限电压：

v+＝{1+(r6/r7)}*v2-{(r6/r7)*voh}

其中，v2为第四电阻r4和第五电阻r5的分压电压，vol为输出的低电平电压，voh为输出的高电平电压。

当，vout1>v+时，第二运算放大器a2输出高电平；

当vout1<v_时，第二运算放大器a2输出低电平；

当v_<vout1<v+时，第二运算放大器a2的输出状态保持不变。

比较器电路的门限宽度为δu＝v+-v-。其中，门限宽度越宽抗干扰能力越强，灵敏度有所下降。因此在要综合考虑门限宽度，既保证强的抗干扰能力，也保证良好的灵敏度。

基于上述原理，本发明光电传感器电路可作为光开光、光辐射功率检查装置和光通量计算装置应用。

在作为光开关时，当光电二极管vd1没有接收到光信号时id为na(纳安)级，此时vout1≈4*v1，v2<vout1，第二运算放大器a2输出高电平；当光电二极管vd2接收到光信号时id为μa(微安)级，此时vout1<v1，v2>vout1，第二运算放大器a2输出低电平。根据此原理，当光电二极管vd1没有接收到光信号时开关导通；当光电二极管vd1接收到光信号时开关关闭。

在作为光辐射功率检查装置时，光电二极管vd1的特性，光辐射功率越大id越大，通过调整第一电阻r1，第二电阻r2和第三电阻r3的阻值以及v1和v2的电压，可以设定id使v2＝vout1，此时id所对应的光辐射功率就是设定的需要检查的光辐射功率阈值。

当光辐射功率小于光辐射功率阈值时，第二运算放大器a2输出高电平；

当光辐射功率大于光辐射功率阈值时，第二运算放大器a2输出低电平。

当作为光通量计算装置时，当确定了v1，第一电阻r1，第二电阻r2，第三电阻r3的值时，由实测的vout1可计算出id，然后根据光电二极管vd1的规格可以得出此id所对应的光辐射功率，再根据光电二级管vd1的接收面积和与光源的距离可换算出光源的光通量。

例如，根据图8中，各元器件的具体数值，当vcc＝5v时，v1＝0.45v，v2＝0.83v；当vcc＝3.3v时，v1＝0.3v，v2＝0.55v。

本发明光电传感器电路各实施例中，光电传感器电路的结构简单，且应用范围广，可用于检测直接引起光量变化的非电物理量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电物理量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

在一个实施例中，本发明还提供了一种光电传感器，包括封装在印制电路板上的如上所述的光电传感器电路。

具体而言，可通过以下步骤进行封装：

步骤一：取一pcb(printedcircuitboard，印制电路板)电路板；

步骤二：在pcb电路板上印刷锡膏等贴装介质；

步骤三：贴装无源电子元件，即贴装本发明光电传感器电路中的电阻和电容；

步骤四：贴装芯片单元，即贴装本发明光电传感器电路中的光电二极管(pin芯片)和运算放大器(运算放大器芯片)；

若芯片单元为直接封装在pcb电路板上的形式，则步骤四应为芯片封装环节。具体的是：在芯片贴装位置涂覆粘贴介质→将芯片放在粘贴介质上面，并完成固化→对芯片进行电性连接(焊线)

步骤五：pcb系统级封装塑封/胶水密封；可以采用设计模具以注塑的方法将整个pcb上的芯片和无源元件完全包裹在里面，也可以采用机械点胶的方法，先在pcb板四周筑起有一定高度的胶墙，然后在胶墙围住的区域内注满透明胶水。待胶水完全烤干，完成封装。胶水密封区域可以保护无源器件，也可以仅包围芯片单元。

若芯片单元为cob(chipsonboard，板上芯片封装)或smd(surfacemounteddevices，表面贴装器件)封装形式，则没有步骤五。而采用cob封装，其具体实现步骤为：在cob板上芯片位置涂覆粘贴介质→将芯片放在粘贴介质上面，并完成固化→对芯片进行电性连接(焊线)→在cob板四周筑起一定高度的胶墙→在胶墙围住的区域内注满透明胶水→烤干透明胶水。smd封装，其具体实现步骤为：在smd支架上芯片位置涂覆粘贴介质→将芯片放在粘贴介质上面，并完成固化→对芯片进行电性连接(焊线)→在支架的凹杯内注满透明胶水→烤干透明胶水。

本发明光电传感器各实施例中，光电传感器的封装工艺简单，通过使用sip(systeminapackage系统级封装)封装工艺将光电传感器电路及原本的pcb电路板一起集成在sip封装模块中，省去了传统光模块一级、二级、三级组装工序，进而使得本发明光电传感器的生成效率高，制造成本低。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。