光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用.doc

班 級 學(xué) 號 本科畢業(yè)設(shè)計論文 題 目 光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用 學(xué) 院 專 業(yè) 學(xué)生姓名 導(dǎo)師姓名 畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信聲明書本人聲明：本人所提交的畢業(yè)論文 光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用 是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立研究、寫作的成果，論文中所引用他人的無論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在論文中加以說明；有關(guān)教師、同學(xué)和其他人員對本文的寫作、修訂提出過并為我在論文中加以采納的意見、建議，均已在我的致謝辭中加以說明并深致謝意。本論文和資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。論文作者： （簽字） 時間： 年 月 日指導(dǎo)教師已閱： （簽字） 時間： 年 月 日西 安 電 子 科 技 大 學(xué) 長 安 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 職稱 學(xué)院 專業(yè) 題目名稱 光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用 任務(wù)與要求 本課題要求學(xué)生對光感應(yīng)器技術(shù)及器件（包括器件的分類、分裝、性能、應(yīng)用場合等等）做初步了解，再介紹這些技術(shù)的具體應(yīng)用，并結(jié)合資料分析其發(fā)展趨勢。 要求： 1、查找與光電傳感器技術(shù)相關(guān)的資料。認真閱讀查找的文獻資料。2、通過對文獻資料的分析、總結(jié)、歸納、比較，確定本課題的研究方法。3、撰寫論文的提綱和框架結(jié)構(gòu)。4、撰寫論文時結(jié)果與討論中對所列的論據(jù)、現(xiàn)象等要作充分分析。做出結(jié)論時要有充足的論據(jù)作為依據(jù)，不可帶有主觀的牽強附會。5、論文內(nèi)容要論點突出，論據(jù)充分，論證有力，數(shù)據(jù)可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，層次分明，圖表清晰，格式規(guī)范，語言流暢，結(jié)論正確。開始日期 2013年1月10日 完成日期 2013年5月24日 院長（簽字） 2013年 月 日注：本任務(wù)書一式兩份，一份交學(xué)院，一份學(xué)生自己保存。西 安 電 子 科 技 大 學(xué) 長 安 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計（論文）工作計劃學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 職 稱 學(xué) 院 專 業(yè) 題目名稱 光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用 一、畢業(yè)設(shè)計（論文）進度起 止 時 間 工 作 內(nèi) 容 2013年1月10日（起） 1月10日 1月20日 選定畢業(yè)論文題目，和指導(dǎo)老師見面 1月21日 3月5日 上網(wǎng)查找資料，查找相關(guān)書籍，設(shè)計論文流程 3月6日 3月20日 提交開題報告和寫作提綱 3月21日 4月20日 撰寫初稿，撰寫二稿4月21日 5月24日 撰寫終稿，準(zhǔn)備答辯二、主要參考書目（資料） 1 劉篤仁, 傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)(第2版), 西安電子科技大學(xué)出版社, 2009 2 余瑞芬, 傳感器原理, 北京:航空工業(yè)出版社, 1995 3 張正偉, 傳感器原理與應(yīng)用, 北京：中央廣播電視大學(xué)出版, 1991三、主要儀器設(shè)備及材料 計算機四、教師的指導(dǎo)安排情況（場地安排、指導(dǎo)方式等） 每周集中匯報，指導(dǎo)一次五、對計劃的說明注：本計劃一式兩份，一份交學(xué)院，一份學(xué)生自己保存（計劃書雙面打?。┪?安 電 子 科 技 大 學(xué) 長 安 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表學(xué) 院專 業(yè)學(xué)生姓名學(xué) 號班 級導(dǎo)師姓名職 稱單 位西安電子科技大學(xué)題目名稱光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用檢 查 內(nèi) 容檢 查 結(jié) 果題目是否更換及更換原因否學(xué)生出勤情況80%的出勤率，時間抓的很緊進 度 評 價（完成總工作量的百分比）70%質(zhì)量評價、進度描述目前已完成數(shù)據(jù)資料的搜集和整理，以下正在進行的是畢業(yè)論文初稿的撰寫，已完成部分質(zhì)量較好總 體 評 價（按優(yōu)、良、中、及格、不及格五擋評價）良存在的問題與建議論文涉及方面較廣，建議在現(xiàn)有基礎(chǔ)上能夠更加翻閱和整理出更加完善的資料，以補充現(xiàn)有的不足，需要閱讀更多書籍或查找資料來完成學(xué) 院 審 核（蓋章）注：此表由指導(dǎo)教師填寫，中期檢查成績將作為畢業(yè)設(shè)計總成績的一部分；此表裝訂入畢業(yè)設(shè)計（論文）中。西 安 電 子 科 技 大 學(xué) 長 安 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計（論文）成績登記表學(xué) 院專 業(yè)姓 名學(xué) 號成 績題目名稱光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用指導(dǎo)教師職 稱指導(dǎo)教師評語及對成績的評定意見本文主要介紹了光電傳感器的基本原理和其特點,并列舉了一些在生活實際中的創(chuàng)新應(yīng)用實例及新型傳感器，分析了光電傳感器的發(fā)展趨勢和動向，預(yù)見光電傳感器無限的發(fā)展應(yīng)用前景。 劉博宇同學(xué)在完成論文期間，查閱了大量專業(yè)資料和文獻，選題難度適當(dāng)，論文目的明確。在進行論文指導(dǎo)過程中，工作態(tài)度認真，遵守紀(jì)律，工作記錄詳細、具體。該論文用語規(guī)范，具有一定的質(zhì)量和水平，符合本科畢業(yè)生論文要求，同意參加答辯。簽名 年 月 日評閱人評語及成績評定意見論文的選題具有一定的理論價值和顯著的工程應(yīng)用價值，工作量充足。論文概括全面，撰寫認真，格式規(guī)范，層次分明，反映出作者扎實的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)的專業(yè)知識，具有一定的科研工作能力。 簽名 年 月 日答辯小組意見簽名 年 月 日學(xué)院答辯委員會意見答辯委員會主任簽名 （學(xué)院蓋章） 年 月 日 注：學(xué)院、專業(yè)名均寫全稱；成績登記表雙面打印摘 要摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，光電傳感器以其具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反應(yīng)靈敏、形式靈活多樣等優(yōu)點，并依靠檢測技術(shù)手段對信息進行獲取、篩選和傳輸，來實現(xiàn)自動控制，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、安防、軍事等各個領(lǐng)域。信息革命的兩大重要支柱是信息的采集和處理，而信息采集的關(guān)鍵是傳感器，傳感器是新技術(shù)革命和信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是攝取信息的關(guān)鍵器件。傳感器技術(shù)是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要組成部分，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要方法。它與通信技術(shù)和計算機技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱，是當(dāng)前各發(fā)達國家競相發(fā)展的高技術(shù)，是進入2l世紀(jì)以來優(yōu)先發(fā)展的十大項尖技術(shù)之一。本文主要對光電傳感器的基本原理和其特點進行了詳細闡述,并綜述了一些在生產(chǎn)、生活、安防、軍事等領(lǐng)域中的創(chuàng)新應(yīng)用實例和近幾年高端前沿的新型傳感器技術(shù)，分析了光電傳感器的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：光電傳感器 光電傳感器技術(shù) 發(fā)展及應(yīng)用 ABSTRACTThe rapid development of science technology, the photoelectric transducer has The photoelectric transducer has become a common in all kinds of photoelectric detection system of photoelectric conversion of the key components, and plays an important role in the field of sensor, such as facilities of industry, living, defenses and security, military, because it has been a simple structure, and the form of non-contact, high-reliability, high-precision, responsive, flexible and diverse and it can be measured many parameters. The automatic control has been achieve by the detection techniques of information acquisition, filtering and transmission about the photoelectric transducer. The acquisition and processing of information is the two important pillars of the information revolution, and the transducer is an important technical foundation between the new technological revolution and the information society, which is a key device for intake information. Transducer technology is an important part of the testing and automatic control, which is an important part of modern information technology, modern information systems and various types of equipment indispensable means of information collection, microelectronics technology to transform traditional industries. The history of the development of photoelectric transducers and the basic principles of photoelectric transducers and features have been illustrated in this paper in detail, and the applications of a photoelectric sensor technology in some areas such as industry, agriculture, life, military has been summarized. At the same time, the development and applications of the photoelectric transducer technology have been analyzed.Keywords： Photoelectric transducer Technology of photoelectric transducer Application and development 目 錄i目 錄第一章 緒 論11.1 傳感器技術(shù)的發(fā)展史與現(xiàn)狀11.2 光電傳感器概述2第二章 光電傳感器52.1 光電傳感器的原理與特點52.1.1 光電傳感器的工作原理52.1.2 光電傳感器的特點72.2光電傳感器的分類8第三章 光電傳感器技術(shù)的應(yīng)用113.1 光電傳感器在自動化生產(chǎn)線上的應(yīng)用113.1.1 光電色質(zhì)檢測113.1.2 光電式帶材跑偏檢測器113.1.3 包裝充填物高度檢測123.1.4 彩塑包裝制袋塑料薄膜位置控制133.1.5 產(chǎn)品計數(shù)器133.1.6 測量轉(zhuǎn)速143.1.7 測量溫度143.1.8 測量工件表面的缺陷153.2 光電傳感器在安防系統(tǒng)中的應(yīng)用153.2.1 光電式煙霧報警器153.2.2 防盜報警電路153.3 光電傳感器在生活中的應(yīng)用163.3.1 條形碼掃描筆163.3.2 公共汽車關(guān)門安全指示器173.3.3 自動門傳感173.4 光電傳感器的其他應(yīng)用173.4.1 在煙塵濁度監(jiān)測上的應(yīng)用173.4.2 在高壓大電流測試中的應(yīng)用183.4.3光電傳感器在繼電保護中的應(yīng)用183.4.4 光電傳感器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用19第四章 幾種新型光電傳感器214.1 CCD傳感器214.1.1 CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理214.1.2 電荷耦合器件224.1.3 CCD圖像傳感器應(yīng)用254.2 CMOS傳感器274.2.1 CMOS的結(jié)構(gòu)和基本原理274.2.2 CMOS圖像傳感器的應(yīng)用284.2.3 CMOS與CCD光電傳感器的性能比較284.3 光纖傳感器294.3.1 光纖傳感器的原理和組成294.3.2 光纖傳感器的類型及特點304.3.3 光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域314.4 光電池334.4.1光電池的原理及結(jié)構(gòu)334.4.2 光電池的分類及特性354.4.3 光電池的應(yīng)用37第五章 光電傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢395.1 傳感器改善性能的途徑及發(fā)展方向395.2 光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展39第六章 結(jié) 論43致 謝44參考文獻46參考文獻47第一章 緒 論1.1 傳感器技術(shù)的發(fā)展史與現(xiàn)狀傳感器技術(shù)是在20世紀(jì)的中期才剛剛同世的。在那時，與計算機技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)相比，傳感技術(shù)的發(fā)展都落后于它們，不少先進的成果仍停留在實驗研究階段，并沒有投入到實際生產(chǎn)與廣泛應(yīng)用中。傳感器技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段,即結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器和智能型傳感器。1、結(jié)構(gòu)型傳感器：以其結(jié)構(gòu)部分變化或結(jié)構(gòu)部分變化后而引起某種場的變化來反映被測量的大小及變化。 2、物性型傳感器：利用構(gòu)成傳感器的某些材料本身的物理特性在被測量的作用下發(fā)生變化，從而將被測量轉(zhuǎn)換為電信號或其它信號輸出。 3、智能型傳感器：把傳感器與微處理器有機地結(jié)合成一個高度集成化的新型傳感器。它以嵌入式微處理器為核心,集成了傳感單元、信號處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元,它與結(jié)構(gòu)型、物性型傳感器相比,能瞬時獲取大量信息,對所獲得的信息還具有信號處理的功能,使信息的質(zhì)量大大提高,其功能也擴展了，由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發(fā)展;從被動檢測向主動進行信息處理方向發(fā)展;從孤立元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展;從就地測量向遠距離實時在線測控發(fā)展,已成為傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向之一 劉篤仁, 傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)(第2版), 西安電子科技大學(xué)出版社, 2009 。其測量技術(shù)、方法和特點的發(fā)展歷程見表1.1 余瑞芬, 傳感器原理, 北京:航空工業(yè)出版社, 1995。 表1.1 傳感器的發(fā)展階段時間傳感器特點測量技術(shù)測量方法測量特點測量變量4050年代結(jié)構(gòu)型傳感器模擬測量法單參數(shù)測量靜態(tài)或工作參數(shù)溫度、壓力、流量、物位、電壓、電流、功率60年代數(shù)字測量法復(fù)參數(shù)掃描測量動態(tài)、不接觸式、質(zhì)量指標(biāo)重力、位移、尺寸、速度、加速度、濕度、氣候、離子等70年代物性型傳感器（直接變換）模擬、數(shù)字混合測量法圖形測量（二維）振動、位移等機械運轉(zhuǎn)狀態(tài)；設(shè)備異常狀態(tài)如過熱、泄漏、絕緣等；產(chǎn)品在線檢測如表面質(zhì)量、形狀等；80年代至今物性型傳感器、智能型傳感器（帶微處理器）測量技術(shù)與信息處理技術(shù)相結(jié)合多層掃描、 數(shù)據(jù)處理、物體識別（三維）五官感覺我國于20世紀(jì)60年代開始傳感技術(shù)的研究與開發(fā)經(jīng)過“六五”到“九五”的國家攻關(guān)，在傳感器研的開發(fā)、設(shè)計、制造、可靠性改進等方面獲得明顯進步，并在數(shù)控機床攻關(guān)中取得了發(fā)明專利。初步形成了傳感器研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的體系。但從總體上講，它還不能適應(yīng)我國經(jīng)濟與科技的迅速發(fā)展，我國不少傳感器、信號處理和識別系統(tǒng)仍然依賴進口。同時，我國傳感技術(shù)產(chǎn)品的市場競爭力優(yōu)勢尚未形成，如產(chǎn)品的改進與革新速度慢、生產(chǎn)與應(yīng)用系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進少等。在國外，傳感器技術(shù)早期多用于國家級項目的科研研發(fā)以及各國軍事技術(shù)、航空航天領(lǐng)域的試驗研究。然而隨著各國機械工業(yè)、電子、計算機、自動化等相關(guān)信息化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以歐美和日本等西方國家為代表的傳感器研發(fā)及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已在國際市場中逐步占有了主要的份額。特別是近20年來，隨著社會的進步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)日新月異，計算機的普及和應(yīng)用把人類帶到了信息時代。新型傳感器與計算機相結(jié)合，不但使計算機的應(yīng)用進入了嶄新時代，也為傳感器技術(shù)展現(xiàn)了一個更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。1.2 光電傳感器概述近年來，隨著各種新型光電器件的不斷涌現(xiàn)，特別是激光技術(shù)和圖像技術(shù)的迅猛發(fā)展。光電傳感器已成為各種光電檢測系統(tǒng)中常見的光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，在傳感器領(lǐng)域中扮演著重要角色,在非接觸測量領(lǐng)域占據(jù)絕對統(tǒng)治地位。光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。目前，光電式傳感器已在國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮著越來越重要的作用 張正偉, 傳感器原理與應(yīng)用, 北京：中央廣播電視大學(xué)出版, 1991 。光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應(yīng)用。第二章 光電傳感器2.1 光電傳感器的原理與特點2.1.1 光電傳感器的工作原理 張燕, 曾光宇, 光電式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展, 科技情報開發(fā)與應(yīng)用, 2006年13期光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2.l，主要由光源，光通路、光電元件和測量電路四個部分組成。 光學(xué) 通路 輸出量 測量電路光電元件 光 源 被測量1 被測量2 圖2.1 光電傳感器工作原理圖 由于光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，為達到測量目的，光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，所以光電傳感器的電源通常是一個恒光源，常用光源有以下幾種：發(fā)光二極管、絲燈泡、激光。光電元件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件并負責(zé)把光信號(紅外、可見及紫外光輻射)轉(zhuǎn)變成為電信號。光電元件有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、發(fā)光二極管(LED)、光電倍增管、光電池、光電耦合器件等。由光源、光學(xué)通路和光電元件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當(dāng)?shù)臏y量電路。測量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流，并對光電元件輸出的電信號進行放大或轉(zhuǎn)換。不同的光電元件，所要求的測量電路也不相同。下面介紹幾種半導(dǎo)體光電元件常用的測量電路。半導(dǎo)體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備放大器。在要求較大的輸出功率時，可用圖2.2所示的電路。圖2.3（a）給出帶有溫度補償?shù)墓饷舳O管橋式測量電路。當(dāng)入射光強度緩慢變化時，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進行補償。圖中一個光敏二極管做為檢測元件，另一個裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對兩只光敏二極管的影響相同，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖2.3所示。圖2.3 光敏晶體管測量電路a)光敏二極管測量電路 b)光敏三極管測量電路 圖2.2 光敏電阻測量電路 由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖2.3（a）所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻?；蛘呦駡D2.3（b）所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖2.4所示。 圖2.4 光電池測量電路半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖2.5（a）所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖2.5（b）給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 圖2.5 使用放大器的光敏元件放大電路a)硅光敏二極管放大電路 b)硅光電池放大電路 由于半導(dǎo)體材料的許多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化，一般情況下，光電傳感器由發(fā)送器、接收器和檢測電路三部分構(gòu)成(如圖2.6)。圖2.6 光電傳感器構(gòu)成示意圖其中，發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。 2.1.2 光電傳感器的特點 1、檢測距離長：通過設(shè)計使投光光束集中從而提高分辨率，可以實現(xiàn)無機械接觸地檢測物體，能夠?qū)崿F(xiàn)其他檢測手段(如：磁性、超聲波等)不能檢測的對象。2、非機械性接觸檢測：不會對檢測物體和傳感器造成損壞，從而提高傳感器的壽命；3、檢測物體種類多：對檢測物體的限制少：利用被檢測物對光束的遮擋或反射，因此物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測如玻璃、塑料、木材、液體等幾乎所有物體都能進行檢測；4、可實現(xiàn)對檢測物體的顏色辨別：通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率，根據(jù)被透光的光線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對檢測物體的顏色進行檢測；5、響應(yīng)時間很短：傳感器的電路都由電子元件構(gòu)成，不包含機械性工作時間，加上光本身就高速，所以響應(yīng)時間非常短；6、易于調(diào)整：在投射可視光的類型中，投光的光束是可見光，易于對檢測物體的位置進行調(diào)整；7、由于光電傳感器所使用的光敏元件是光敏電阻和光敏二極管等，所以具有精度高、性價比高、抗干擾能力強和可靠性強等優(yōu)點。2.2光電傳感器的分類 光電傳感器用于檢測多種非電量，由于光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的。按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類：即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器 徐偉, 光電傳感器的研究與應(yīng)用, 創(chuàng)新科技導(dǎo)報, 2010。按照工作方式可分為：第一類、漫反射式光電傳感器：它的檢測頭里也裝有一個發(fā)射器和一個接受器，沒有反光板。正常情況下，發(fā)射器發(fā)出的光接受器是收不到的，只有當(dāng)檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，接受器才收到光信號，然后輸出一個開關(guān)控制信號。特征：有效作用距離是由目標(biāo)的反射能力決定，由目標(biāo)表面性質(zhì)和顏色決定。被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電傳感器是首選的檢測模式。第二類、反射式光電傳感器：集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。特征：辨別不透明的物體；借助反射鏡部件，形成高的有效距離范圍；不易受干擾，使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中比較可靠。第三類、對射式光電傳感器：它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)檢測物體為不透明時，對射式光電傳感器是最可靠的檢測裝置。第四類、槽式光電傳感器：又叫做U型光電開關(guān)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。槽式光電開關(guān)比較適合檢測高速運動的物體，并且它能分辨透明與半透明物體，使用安全可靠。第五類、光纖式光電傳感器：把來自光源的光用光纖引導(dǎo)到檢測點，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化再把檢測到的光信號用光纖引導(dǎo)到光接收器就組成光纖式光電開關(guān)，主要對距離遠的被檢測物體進行檢測 譚文杰, 崔日婷, 淺析光電傳感器技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用, 科技風(fēng), 2012。第三章 光電傳感器技術(shù)的應(yīng)用3.1 光電傳感器在自動化生產(chǎn)線上的應(yīng)用3.1.1 光電色質(zhì)檢測最早最成熟的應(yīng)用主要是在糧食加工、分選領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是用于各類谷物、雜糧分選的色選機。色選機是根據(jù)物料光學(xué)特性的差異，利用光電技術(shù)將顆粒物料中的異色顆粒自動分揀出來的設(shè)備，按照待分選物料種類的不同，色選機可分為大米色選機、雜糧色選機和茶葉色選機等。如圖3.1所示，在產(chǎn)品包裝前先由光電檢測色質(zhì)，物品顏色有偏差時就有比較電壓差輸出，接通電磁閥，由壓縮空氣將差異物品吹出 鄧建云, 光電傳感器在自動控制中的應(yīng)用, 電子世界, 2012年09期。 圖 3.1 色選機工作原理3.1.2 光電式帶材跑偏檢測器光電式帶材跑偏檢測器主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號，光電式帶材跑偏檢測器原理如圖3.2(a)，光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡2會聚為平行光束，投向透鏡3，隨后被會聚到光敏電阻上。在行光束到達透鏡3的途中，有部分光線受到被測帶材的遮擋。使傳到光敏電阻的光通量減少。圖3.2 光電式帶材跑偏檢測器原理圖3.2(b)為測量電路簡圖，R1、R2是同型號的光敏電阻,R1作為測量元件裝在帶材的下方，R2用遮光罩罩住，起溫度補償作用。當(dāng)帶材處于正確位置時，由R1、R2、R3、R4組成的電橋平衡，使放大器輸出電壓U0為0。當(dāng)帶材跑偏時（左偏或右偏），遮光面積減少（增加），光敏電阻R1阻值減少（增加），電橋失去平衡。差動放大器將這一不平衡電壓放大，輸出電壓為負值（正值），它反映了帶 材跑偏的方向及大小。輸出信號U0一方面由顯示器顯示出來，另一方面被送到執(zhí)行機構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號。3.1.3 包裝充填物高度檢測用容積法計量包裝的成品，除了對重量有一定誤差范圍要求外，一般還對充填高度有一定的要求，以保證商品的外觀質(zhì)量。不符合充填高度的成品將不許出廠。如圖3.3所示，當(dāng)充填高度h偏差太大時，光電接頭沒有電信號，即由執(zhí)行機構(gòu)將包裝物品推出進行處理。圖3.3 包裝充填物高度檢測原理圖利用光電開關(guān)還可以進行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計、對裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進行檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼，以及送料機構(gòu)是否斷料等。 圖3.4(a)3.1.4 彩塑包裝制袋塑料薄膜位置控制 圖3.4(b)圖3.4(a)為包裝機塑料薄膜位置控制系統(tǒng)原理。成卷的塑料薄膜上印有商標(biāo)和文字,并有定位色標(biāo)。包裝時要求商標(biāo)及文字定位準(zhǔn)確,不得將圖案在中間切斷。薄膜上商標(biāo)的位置由光電系統(tǒng)檢測,并經(jīng)放大后去控制電磁離合器。薄膜上色標(biāo)（ 不透光的一小塊面積,一般為黑色）未到達定位色標(biāo)位置時,光電系統(tǒng)因投光器的光線能透過薄膜而使電磁離合器有電而吸合,薄膜得以繼續(xù)運動,薄膜上的色標(biāo)到達定位色標(biāo)位置時,因投光器的光線被色標(biāo)擋住而發(fā)出到位的信號,此信號經(jīng)光電變換、放大后,使電磁離合器斷電脫開,薄膜就準(zhǔn)確地停在該位置,待切斷后再繼續(xù)運動。 當(dāng)薄膜上的色標(biāo)未到達光電管時,光電繼電器線圈無電流通過,伺服電機轉(zhuǎn)動,帶動薄膜繼續(xù)前進；當(dāng)色標(biāo)到達光電管位置時,光電繼電器線圈有電流,伺服電機立即停轉(zhuǎn),因而薄膜就停在那一個位置。當(dāng)切斷動作完成后,又使伺服電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，如圖3.4(b)所示。 3.1.5 產(chǎn)品計數(shù)器如圖3.5所示，產(chǎn)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(chǎn)生一個個電脈沖信號。產(chǎn)品每遮光一次，光電傳感器電路便產(chǎn)生一個脈沖信號，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目，該脈沖經(jīng)計數(shù)電路計數(shù)并由顯示電路顯示出來。圖3.5 產(chǎn)品計數(shù)器原理簡圖 圖3.6 3.1.6 測量轉(zhuǎn)速工業(yè)生產(chǎn)中對轉(zhuǎn)速的檢測應(yīng)用的非常多，尤其是在電機控制領(lǐng)域，將光電傳感器應(yīng)用到轉(zhuǎn)速測量里是運用將轉(zhuǎn)速變換成光通量的變化，再經(jīng)過光電元件轉(zhuǎn)換成電量的變化即可得到轉(zhuǎn)速的原理，如圖3.6所示。在被測的轉(zhuǎn)動軸上裝上光電編碼器，它是由光柵盤和光電檢測裝置組成，編碼器隨軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)光線通過編碼器的夾縫時，光電檢測裝置就會產(chǎn)生一個電脈沖，轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動，光電元件就輸出一列與轉(zhuǎn)速成正比的電脈沖數(shù)。在孔或齒數(shù)一定時，脈沖數(shù)就和轉(zhuǎn)速成正比。如果調(diào)制盤上的孔數(shù)為x，測量的時間為t秒，脈沖數(shù)為N，被測轉(zhuǎn)速為n(r/min)，此時n=60N/xt 任海萍, 光電傳感器的應(yīng)用與發(fā)展, 科技風(fēng), 2011。3.1.7 測量溫度溫度測量在工業(yè)上應(yīng)用也非常廣泛，利用傳感器的感溫特性來實現(xiàn)對溫度的測量，應(yīng)用時將感溫頭放置于被測溫環(huán)境中，傳感器輸出端與儀表輸入端經(jīng)輻射至光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。感溫管一般為經(jīng)過特殊處理的高剛玉管或特殊材質(zhì)管。高壓密封器將感溫管開口端高壓密封，防止泄露。信號輸出導(dǎo)線為雙芯屏蔽銅電纜，將傳感器輸出端按正負端與儀表信號輸入端相接，接地端與地相接，儀表上電即可實現(xiàn)測溫。 圖3.73.1.8 測量工件表面的缺陷用光電傳感器測量工件表面缺陷的工作原理，如圖3.7所示。激光管1發(fā)出的光束經(jīng)過透鏡2和3變?yōu)槠叫泄馐?，再由透鏡4把平行光束聚焦在工件7的表面上，形成寬約0.1mm的細長光帶。光欄5用于控制光通量。如果工件表面有缺陷(粗糙、裂紋等),則會引起光束偏轉(zhuǎn)或散射，這些光被硅光電池6接收即可轉(zhuǎn)換成電信號輸出 董曉嬌, 蘇紹興, 顏曉河, 光電傳感器器及其應(yīng)用, 電子工業(yè)專用設(shè)備, 2006 。3.2 光電傳感器在安防系統(tǒng)中的應(yīng)用3.2.1 光電式煙霧報警器 圖3.8如圖13所示。沒有煙霧時，發(fā)光二極管發(fā)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(fā)光二極管發(fā)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(fā)出報警。 3.2.2 防盜報警電路將光電斷路器安裝于抽屜的背后，并設(shè)一電源開關(guān)置于隱蔽的地方，當(dāng)需要防盜時，將開關(guān)合上。平時由于擋板插入槽口，光電三極僅有暗電流，BG不導(dǎo)通，繼電器J不吸合。當(dāng)小偷撬開抽屜時，一拉開抽屜則擋板離開槽口，光電三 圖3.9極管的光電流使R2上產(chǎn)生接近電源的電壓，BG導(dǎo)通，繼電器吸合，發(fā)出報警信號，如圖3.9所示。 3.3 光電傳感器在生活中的應(yīng)用3.3.1 條形碼掃描筆 圖3.10(a)如圖所示，當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遇到白色間隔時，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。 圖3.10(b)整個條形碼被掃描過之后，如圖3.10(b)。光敏三極管將條形碼變形一個個電脈沖信號，該信號經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計算機處理，完成對條形碼信息的識別。 圖 3.11 3.3.2 公共汽車關(guān)門安全指示器如圖3.11所示，當(dāng)車門關(guān)好時，擋板插入光電斷路器槽口，光電三極管無工作電流，其輸出為高電平；當(dāng)三個車門全關(guān)好時，則相應(yīng)地輸出三個高電平信號。則與門的輸出為高電平 ，綠燈亮。若其中有一個車門沒關(guān)好（或沒關(guān)嚴），則與門輸出為低電平，使紅燈亮。 3.3.3 自動門傳感自動門傳感運用在地鐵自動門或電梯自動門中。把1個發(fā)射器和1個接受器將它們分別裝在對射距離內(nèi)，發(fā)射器和接受器的鏡頭應(yīng)該正對，且在同一高度?？梢詸z測位于光軸上，且直徑大于30mm的不透明物體。 圖3.12對屏蔽門(或安全門)與列車車體之間，一旦乘客或大件物品有意、無意被夾在屏蔽門和列車車體之間的空隙，就會遮擋紅外光線，判斷出有障礙物，并及時輸出聲光報警信號，同時通知列車司機或車站管理人員。為了防止兩對傳感器相互干擾，發(fā)射器l和接受器1的頻率都調(diào)整為頻率A。發(fā)射器2和接受器2的頻率都調(diào)整為頻率B，如圖3.12所示。 為了防止外部環(huán)境光(如太陽光)直射產(chǎn)生的干擾，或者灰塵落在鏡頭上以及長期積灰產(chǎn)生的影響，在發(fā)射器和接受器的鏡頭前加裝長圓形套筒 陳照章, 朱湘臨, 光電測速傳感器及其信號調(diào)理電路, 傳感器技術(shù), 2002 。3.4 光電傳感器的其他應(yīng)用3.4.1 在煙塵濁度監(jiān)測上的應(yīng)用防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放置，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標(biāo)報警。煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道在傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少。因此光檢測器出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化 黃顯武, 鄭莜霞, 傳感器原理與應(yīng)用, 成都：電子科技大學(xué)出版社, 2004。如圖3.13所示為吸收式煙塵濁度檢測儀框圖。白熾平行光源通過煙筒由光檢測器接收，轉(zhuǎn)換成隨濁度變化的相應(yīng)電信號，運算放大器接收此信號，當(dāng)運算放大器輸出的濁度信號超出規(guī)定值時，多諧振蕩器工作，其信號經(jīng)放大推動喇叭發(fā)出報警信號 張國才，光電傳感器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢，科技信息，2008年32期。 圖3.13 吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖 3.4.2 在高壓大電流測試中的應(yīng)用近年來，采用光學(xué)設(shè)備進行高壓大電流測量在電力系統(tǒng)中發(fā)展很快，許多新型的光電式傳感器系統(tǒng)已相繼投入現(xiàn)場運行，為高壓大電流的監(jiān)測帶來許多便利條件。OCT產(chǎn)品在被測電流從高電位轉(zhuǎn)換到低電位的過程中都是用光來調(diào)制的，其光學(xué)儀器部分只有微瓦級的功率，而CT的次級線圈需要瓦級的功率，OCT不同于CT(傳統(tǒng)電流互感器)的基點在于信號功率小、響應(yīng)速度快、測量精度高，。 3.4.3光電傳感器在繼電保護中的應(yīng)用隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的輸送容量和電壓等級不斷提高，傳統(tǒng)的互感器對電網(wǎng)進行測量和監(jiān)控存在著許多缺點。目前,應(yīng)用光電傳感器的光纖互感器和光纖通訊網(wǎng)構(gòu)成的光纖發(fā)變電站綜合自動化系統(tǒng)，已成為電力自動化技術(shù)最有前景的發(fā)展方向之一。電力互感器是電力系統(tǒng)中重要的電量測量設(shè)備，也是實現(xiàn)電力自動化的關(guān)鍵設(shè)備。3.4.4 光電傳感器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用近年來，我國在常規(guī)武器領(lǐng)域也采用了多種新型傳感器，如壓力、轉(zhuǎn)速及角度傳感器等，其中采用的光電傳感器數(shù)量很多，如高精度的光柵式角度傳感器用于火炮的高低角、方位角檢測，普遍的光電式數(shù)字傳感器用于槍械方面的測量，高精度的光電數(shù)字傳感器用于目標(biāo)角速度測量，光電測速儀用于火炮反后座裝置運動特性的檢測，光電轉(zhuǎn)速傳感器用于車輛的性能檢測等。第四章 幾種新型光電傳感器4.1 CCD傳感器CCD(charge Couple Devices)即為電荷耦合器件。是固態(tài)圖像傳感器的敏感器件，具有光電轉(zhuǎn)換、信號儲存、轉(zhuǎn)移、輸出、處理以及電子快門等多種獨特功能。尤其CCD所具有的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低便于數(shù)字化等一系列優(yōu)點使其在檢測方面的應(yīng)用究越來越廣泛。 4.1.1 CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理 樊尚春, 傳感器技術(shù)新發(fā)展, 世界電子元器件, 2003電荷耦合器件CCD的基本原理是在一系列MOS電容器金屬電極上，加以適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，排斥掉半導(dǎo)體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子，形成。勢阱。的運動，進而達到信號電荷(少數(shù)載流子)的轉(zhuǎn)移。如果所轉(zhuǎn)移的信號電荷是由光像照射產(chǎn)的，則CCD具備圖像傳感器的功能；若所轉(zhuǎn)移的電荷通過外界注入方式得到的，則CCD還可以具備延時信號處理、數(shù)據(jù)存儲以及邏輯運算等功能。CCD主要由信號輸入，轉(zhuǎn)移和輸出三部分組成。其核心部分為電荷轉(zhuǎn)移。當(dāng)入射光到達光敏元件，使得光敏元件產(chǎn)生電子一空穴對，空穴在表面電場作用下進入襯底，電子則進入輸入柵形成的勢阱中存儲起來。圖4.1為CCD器件的結(jié)構(gòu)原理圖圖4.1 CCD的MOS結(jié)構(gòu)CCD是由若干個電荷耦合單元組成。其中，最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約為120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積鋁電極而構(gòu)成MOS的電容式轉(zhuǎn)移器。將MOS陣列加上輸入、輸出端，便構(gòu)成了CCD。當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖4.2(b)中1極下），形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流子為空穴。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。見圖4,2(a) 圖4.2 電荷轉(zhuǎn)移過程三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖1，2，3，見圖4.2(b)。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式，圖4.2(a)采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時，在P1下方產(chǎn)生電荷包(t=t0)；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當(dāng)P1回到低電位時，電荷包全部流入P2下的勢阱中(t=t2）。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實現(xiàn)電荷移動。 4.1.2 電荷耦合器件CCD器件分為線陣CCD和面陣CCD；結(jié)構(gòu)上有多種不同形式，如單溝道CCD、雙溝道CCD、幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD。（1）線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體,在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵,如圖4.3(a)所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一個P型溝阻使其在電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積