傳感器論文范例

1、光電式傳感器應(yīng)用 專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)控制 學(xué) 號(hào)： 0415090328 姓 名： 田利春 摘 要 在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息時(shí)代，人們?cè)谌粘Ｉ?，生產(chǎn)過程中，主要依靠檢測技術(shù)對(duì)信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測技術(shù)列入優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。 由于微電子技術(shù)，光電半導(dǎo)體技術(shù)，光導(dǎo)纖維技術(shù)以及光柵技術(shù)的發(fā)展，使得光電傳感器的應(yīng)用與日俱增。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反應(yīng)快以及結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)檢測技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，它一種是以光電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，由光電材料構(gòu)成的器件。關(guān)鍵詞: 光電

2、效應(yīng) 光電元件 光電特性 傳感器分類 傳感器應(yīng)用 目錄1.引言 12.物理特性 22.1 外光電效應(yīng) 22.1.1 光子假設(shè) 22.2 內(nèi)光電效應(yīng) 22.2.1 光電導(dǎo)效應(yīng) 22.2.2 光電轉(zhuǎn)換元件 33.光電式傳感器 43.1 工作原理 43.2 光電傳感器分類 54.光電傳感器應(yīng)用 54.1 光電傳感器優(yōu)點(diǎn) 54.1.1 光電式帶材跑偏檢測器 64.1.2 包裝充填物高度檢測 64.1.3 光電色質(zhì)檢測 74.1.4 煙塵濁度監(jiān)測儀 74.1.5 其他方面的應(yīng)用 75.光纖傳感器 85.1 基本工作原理 85.2 光纖的種類與特性 85.3 光纖傳感器的應(yīng)用 8結(jié)論 9參考文獻(xiàn) 10 引

3、 言 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(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。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(diǎn)，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。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。 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(qiáng)、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

4、其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是ccd圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。2. 物理特性2.1外光電效應(yīng)2.1.1光子假設(shè)1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，愛因斯坦第一個(gè)成功解釋光電效應(yīng)。愛因斯坦根據(jù)普朗克量子假說而進(jìn)一步提出的光量子，即光子概念，對(duì)光電效應(yīng)研究做出了決定性的貢獻(xiàn)。愛因斯坦光子假說的核心思想是：表面上看起來連續(xù)的光波是量子化的。 單色光由大量不連續(xù)的光子組成。若單色

5、光頻率為n，那么每個(gè)光子的能量為ehv, 動(dòng)量為 。 由愛因斯坦光子假說發(fā)展成現(xiàn)代光子論(photon theory)的兩個(gè)基本點(diǎn)是： (1) 光是由一顆一顆的光子組成的光子流。每個(gè)光子的能量為e = hv，動(dòng)量為。 由n個(gè)光子組成的光子流，能量為n hv。(2) 光與物質(zhì)相互作用，即是每個(gè)光子與物質(zhì)中的微觀粒子相互作用。根據(jù)能量守恒定律，約束得最不緊的電子在離開金屬面時(shí)具有最大的初動(dòng)能，所以對(duì)于電子應(yīng)有： 2.2 內(nèi)光電效應(yīng) 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)：當(dāng)具有一定能量e的光子投射到某些物質(zhì)

6、的表面時(shí)，具有輻射能量的微粒將透過受光的表面層，賦予這些物質(zhì)的電子以附加能量，或者改變物質(zhì)的電阻大小，或者使其產(chǎn)生電動(dòng)勢，導(dǎo)致與其相連接的閉合回路中電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換過程。在光線作用下能使物體電阻率改變的稱為內(nèi)光電效應(yīng)。屬于內(nèi)光電效應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件有光敏電阻以及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管等。 2.2.1光電導(dǎo)效應(yīng) 光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)（又稱為光電效應(yīng)、光敏效應(yīng)），即光電導(dǎo)效應(yīng)是光照射到某些物體上后，引起其電性能變化的一類光致電改變現(xiàn)象的總稱。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。

7、 在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。2.2.2光電轉(zhuǎn)換元件光電轉(zhuǎn)換元件的種類很多，常用的元件有光電管，光敏電阻，光電池等。限于篇幅這里我們著重講解光電管的有關(guān)特性。 1.光電管 光電管的特性主要取決于光電極的材料，其基本的特性是光譜特性，光電特性和伏安特性。 光譜特性 用單位輻射通量不同波長的光分別照射光電管，在光電管上產(chǎn)生大小不同的光電流。這里，光電流i與光波波長的關(guān)系曲線稱為光譜特性曲線，又稱頻譜特性。

8、 對(duì)于不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同光電陰極的光電管。此外在測量與控制技術(shù)中，光電管可以擔(dān)負(fù)人眼不能勝任的工作。 光電特性 光電管在固定陽極電壓下，光通量與光電流 (陽極電流)之間的關(guān)系稱為光電特性。圖434為光電管的光電特性曲線。從圖434可知，光電管的光電特性基本上呈線性關(guān)系，直線的斜率為其靈敏度。伏安特性 光電管在光通量一定的情況下，陽極電壓與陽極電流的關(guān)系稱為伏安特性。圖435為光電管的伏安特性曲線。在陽極電壓大于50v時(shí)，光電流開始飽和，陽極電流近于常數(shù)，而與電壓無關(guān)。真空光電管一般工作于伏安特性的飽和部分，內(nèi)阻達(dá)幾百兆歐。 3. 光電式傳感器3.1工作原理由光通量對(duì)光電元件的作用原理

9、1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.模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測

10、物體在光路位置有關(guān). 光敏二極管是最常見的光傳感器。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(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，pn結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很?。?micro;a），稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)

11、換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時(shí)管子流過的電流為暗電流iceo=（1+）icbo（很?。纫话闳龢O管的穿透電流還??；當(dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子-空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流ic=（1+）ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。3.2光電傳感器分類1.槽開光電開關(guān)把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在

12、一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開關(guān)的檢測距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。 2 對(duì)射式光電開光若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開關(guān)就稱為以射分離式光電開光，簡稱對(duì)射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。 3 反光板反射式光電開關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝

13、置內(nèi)，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的稱為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)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(shí)，光電開關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。 4 擴(kuò)散反射式光電開關(guān)它的檢測頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是收不到的；當(dāng)檢測物通過時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。 5 光纖式光電開關(guān)把發(fā)光器發(fā)出的光用光纖引導(dǎo)到檢測點(diǎn)，再把檢測到的光信號(hào)用光纖引導(dǎo)到光接收器就組成光纖式光電開關(guān)。按動(dòng)作方式的不同，光纖式光電開關(guān)也

14、可分成對(duì)射式、反光板反射式、擴(kuò)散反射式等多種類型。4. 光電傳感器的應(yīng)用4.1光電傳感器優(yōu)點(diǎn)光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件3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(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，體積小。近年來，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電傳感器已成為系列產(chǎn)品，其品種及產(chǎn)量日益增加，用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格產(chǎn)品，在各種輕工自動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。4.1.1光電式帶材跑偏檢測器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，

15、從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào)，主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。光電式帶材跑偏檢測器原理如圖1所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡1會(huì)聚為平行光束，投向透鏡2，隨后被會(huì)聚到光敏電阻上。在平行光束到達(dá)透鏡2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4-1 帶材跑偏檢測器工作原理 圖2為測量電路簡圖。r1、r2是同型號(hào)的光敏電阻。r1作為測量元件裝在帶材下方，r2用遮光罩罩住，起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)帶材處于正確位置（ 中間位）時(shí)，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)帶材左偏時(shí)，遮光面積減少，光敏電阻r1阻值減少，電橋失去平衡。差動(dòng)放大器將這一

16、不平衡電壓加以放大，輸出電壓為負(fù)值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之，當(dāng)帶材右偏時(shí)，u0為正值。輸出信號(hào)u0一方面由顯示器顯示出來，另一方面被送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號(hào)。 圖4-2帶材跑偏檢測器測量電4.1.2包裝充填物高度檢測 用容積法計(jì)量包裝的成品，除了對(duì)重量有一定誤差范圍要求外，一般還對(duì)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。圖3所示為借助光電檢測技術(shù)控制充填高度的原理。當(dāng)充填高度h偏差太大時(shí)，光電接頭沒有電信號(hào)，即由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將包裝物品推出進(jìn)行處理。圖4-3利用光電檢測技術(shù)控制充填高度 4.1.3光電色質(zhì)檢測 圖4為包裝物料的光電色質(zhì)檢

17、測原理。若包裝物品規(guī)定底色為白色，因質(zhì)量不佳，有的出現(xiàn)泛黃，在產(chǎn)品包裝前先由光電檢測色質(zhì)，物品泛黃時(shí)就有比較電壓差輸出，接通電磁閥，由壓縮空氣將泛黃物品吹出。圖4-4包裝物料的光電色質(zhì)檢測原理 4.1.4煙塵濁度監(jiān)測儀 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量，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里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(dá)光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。 4.1.5其他方面的應(yīng)用利用光電開關(guān)還可以進(jìn)行產(chǎn)品流水線

18、上的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、對(duì)裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測，例如灌裝時(shí)瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼（見圖7），以及送料機(jī)構(gòu)是否斷料（如下圖）等。 圖4-5瓶子灌裝檢測示意圖 圖4-6送料機(jī)構(gòu)檢測示意圖 此外，利用反射式光電傳感器可以檢測布料的有無和寬度（見圖）。利用遮擋式光電傳感器檢測布料的下垂度，其結(jié)果可用于調(diào)整布料在傳送中的張力，利用安裝在框架上的反射式光電傳感器可以發(fā)現(xiàn)漏裝產(chǎn)品的空箱，并利用油缸將空箱推出。5. 光纖傳感器 5.1基本工作原理光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生

19、變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。5.2光纖的種類與特性截面構(gòu)造特長有效用途代表型號(hào)柔軟型(多核心)(中間的素線固定)很少因彎曲造成光量變動(dòng)容許彎曲半徑：r1mm與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型相比柔軟，可像電線般布線彎曲半徑可忽略即使碰觸到光纖，光量也不變動(dòng)e32-t11re32-t11r標(biāo)準(zhǔn)型單芯光的傳輸效果好 (檢測距離較長)容許彎曲半徑 ： r25mm或r10mm e32-tc200e32-dc200耐彎曲型(束)（中間的素線分散）耐曲折性良好反復(fù)彎曲次數(shù)100萬次以上（代表例）容許彎曲半徑：r4mm即使使用機(jī)器人手臂等可動(dòng)的部分也很難破損e32-t11e325.

20、3光纖傳感器的應(yīng)用多年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能，絕緣、無感應(yīng)的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點(diǎn)很微小的外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機(jī)械波，它對(duì)光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強(qiáng)弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計(jì)的原理。另外一個(gè)大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實(shí)現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器