光電傳感器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

1、光電傳感器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究摘 要：光電傳感器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸式測(cè)量、響應(yīng)快、靈敏度高、可靠性好等突出優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用。本文在分析了不同光電效應(yīng)的光電傳感器根底上，歸納了光電傳感器的四種應(yīng)用形式的區(qū)別與特點(diǎn)，指出其測(cè)量過(guò)程與典型應(yīng)用，并以光敏電阻在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中采集光照輸出電信號(hào)控制燈光為例，對(duì)光電傳感器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：光電傳感器 光電效應(yīng) 光敏電阻 物聯(lián)網(wǎng)中圖分類號(hào)：TN929.5           

2、0;  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A           文章編號(hào)：1674-098X202102b-0125-02Abstract：Photoelectricsensorshavebeenwidelyusedforoutstandingadvantagessuchassimplestructure，non-contactmeasurement，fastresponse，highsensitivityandgoodreliability.basedontheanalysisofp

3、hotoelectricsensorswithdifferentphotoelectriceffects，thispapersumsupthedifferencesandcharacteristicsofthefourapplicationformsofphotoelectricsensors，pointsoutmeasurementprocessandtypicalapplications，andstudiestheapplicationofphotoelectricsensorsintheInternetofThingssystembytakingthecollectionofillumi

4、nationoutputelectricsignalsbyphotoresistorstocontrollightsasanexample.KeyWords：Photoelectricsensor;Photoelectriceffect;Photoresistor;InternetofThings1 光電傳感器原理及分類光電傳感器作為非接觸式測(cè)量中應(yīng)用廣泛的一類傳感器，其工作原理時(shí)是基于不同形式的光電效應(yīng)。根據(jù)光的波粒二象性，可認(rèn)為光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這種粒子稱為光子。每個(gè)光子具有的能量為該光子頻率與普朗克常數(shù)的乘積，即E=h。頻率不同，其光子能量就不同。頻率高的光子具有的能

5、量大。當(dāng)物體接受光照時(shí)，構(gòu)成物體材料因吸收了入射光子能量，發(fā)生一系列電效應(yīng)如導(dǎo)電性能變強(qiáng)、產(chǎn)生電勢(shì)差等，這就是光電效應(yīng)【1】。具體來(lái)說(shuō)，光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)3種形式。由于光電傳感器是以光電元件來(lái)完成各種被測(cè)量的檢測(cè)任務(wù)的，因此有時(shí)也用光電元件來(lái)表示光電傳感器。常用的光電元件有7種：光電管、光電倍增管、光電池、光敏二、三極管、光敏電阻和光可控硅光敏晶閘管。前兩種是基于光電子發(fā)射的外光電效應(yīng)，后四種是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，光電池太陽(yáng)能電池是基于光伏效應(yīng)。2 光電傳感器的應(yīng)用形式與特點(diǎn)2.1四種典型應(yīng)用形式典型的光電應(yīng)用系統(tǒng)包含光源、被測(cè)物體，光電元件等局

6、部。按照被測(cè)物體、光源、光電元件三者之間的關(guān)系不同，如圖1所示，1為被測(cè)物體，2是光電元件，3是光源。通常有下面四種應(yīng)用形式。四種形式具體測(cè)量過(guò)程分析如下。1發(fā)光式：被測(cè)物能發(fā)光，無(wú)需額外光源。被測(cè)物發(fā)出的光照到光電元件上，光電元件輸出可以反映某些物理參數(shù)，比方光照度表、高溫比色溫度計(jì)等運(yùn)用了這種原理。2透射式：被測(cè)物體放置于光源和光電接收元件之間，其可以吸收一局部光通量，另外一局部透射出去，吸收情況取決于被測(cè)物某些參數(shù)。典型應(yīng)用有如渾濁度、透明度測(cè)量。3反射式：光源和光電接收元件放置于被測(cè)物體兩側(cè)，被測(cè)物將光反射到接受元件上。反射光強(qiáng)弱取決于被測(cè)物外表性質(zhì)和形狀。典型應(yīng)用如紙張白度、外表粗糙

7、度測(cè)量。4遮蔽式：被測(cè)物體放置于光源和光電接收元件之間，被測(cè)物不透光，能遮住局部光通量，由于其尺寸位置不同，導(dǎo)致光電元件收到的光通量不同。測(cè)量工件速度、振動(dòng)等都是典型應(yīng)用?？傊?，光電傳感器是通過(guò)將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為輸出電信號(hào)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能的。3 光電傳感器特點(diǎn)光電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸檢測(cè)無(wú)損傷、測(cè)量精度高、分辨率高、可靠性好和響應(yīng)速度快，可以測(cè)量物體材質(zhì)、顏色等多方面信息。其對(duì)檢測(cè)物體的限制很少，幾乎可對(duì)任何材料物體進(jìn)行檢測(cè)，所以在自動(dòng)控制等領(lǐng)域應(yīng)用范圍很廣。3.1物聯(lián)網(wǎng)概述1物聯(lián)網(wǎng)定義。物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定協(xié)議，把任何物

8、品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“萬(wàn)物相連的互聯(lián)網(wǎng)，它是基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息載體，使普通物體能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)【2】。2物聯(lián)網(wǎng)層次架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層作為物聯(lián)網(wǎng)的最底層，是物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展和應(yīng)用的根底，RFID技術(shù)、傳感和控制技術(shù)、短距離無(wú)線通信技術(shù)是感知層常用的主要技術(shù)。第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，其建立在現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)根底上。網(wǎng)絡(luò)層中的感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，包括傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、分析、挖掘、理解及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。最上層是應(yīng)用層，其通

9、過(guò)大數(shù)據(jù)分析、處理為用戶提供豐富的特定效勞，如物流監(jiān)控、遠(yuǎn)程抄表、智能交通、高速公路不停車收費(fèi)ETC等。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展的目的，軟件開(kāi)發(fā)、智能控制技術(shù)將為用戶提供各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。3傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的重要作用。傳感器技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，負(fù)責(zé)底層-感知層的信息獲取。傳感器是人類五官的延伸，可以看成是電五官【3】。假設(shè)把人體五官比作物聯(lián)網(wǎng)的感知層，如眼睛能獲得視覺(jué)信息，鼻子感受氣味信息，嘴巴采集味道信息，耳朵收集聲音信息，皮膚感知觸覺(jué)信息。這些信息通過(guò)神經(jīng)元傳遞到大腦中樞。神經(jīng)傳輸通道就相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)層，其作用是把信息傳送到大腦-信息處理中心。大腦就相當(dāng)于應(yīng)用層，當(dāng)它接受到來(lái)自眼睛

10、，鼻子、嘴巴、耳朵、皮膚等提供的信息后，融合得出一些有用結(jié)論，例如判斷此刻所處的位置，能夠得體演講、增加衣物等，感知層的不同類別信息融合以后指導(dǎo)決策，產(chǎn)生巨大價(jià)值。因此，底層獲取信息能力如何及傳輸可靠與否等因素決定了物聯(lián)網(wǎng)上層的應(yīng)用領(lǐng)域與價(jià)值。3.2光電傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用以光敏電阻為例1光敏電阻的工作原理。光敏電阻有很多優(yōu)點(diǎn)，如體積小巧、靈敏度高、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐振動(dòng)沖擊、光譜響應(yīng)范圍寬、抗過(guò)載能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等，盡管光電特性非線性、響應(yīng)不夠迅速，但在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中仍得到了廣泛應(yīng)用。下面就以基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)或智慧路燈系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度的采集為例，闡述其應(yīng)用。光敏電阻英文為pho

11、toresistor，也叫光導(dǎo)管photoconductor，是一種由金屬硫化物、硒化物等材料構(gòu)成的半導(dǎo)體光電器件，如圖2a所示，當(dāng)光照射到光敏電阻上，只要入射光能量大于材料禁帶寬度，構(gòu)成該光敏電阻的電子會(huì)吸收光子能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，使載流子數(shù)目增加，電導(dǎo)率增大，電阻值降低。光照越強(qiáng)，阻值越低。所以光敏電阻的阻值大小隨著入射光照強(qiáng)度變化而發(fā)生顯著變化。為了能吸收更多光能，光敏電阻常做成薄片狀，其外形如圖2b所示。2光敏電阻的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。市場(chǎng)上常用的LXD/GB5-A1E型光敏電阻深圳龍信達(dá)公司生產(chǎn)，價(jià)格低廉、體積小巧，由于內(nèi)置集成高增益的電流放大器，修正了光敏電阻本身光電特性的非線性，使其輸出的光電流隨光照變化成近似線性關(guān)系，亮電流40MA左右，光譜響應(yīng)范圍涵蓋可見(jiàn)光及近紅外區(qū)段，并對(duì)可見(jiàn)光反應(yīng)接近人眼，工作溫度范圍比較寬廣-40 -70，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硫化鎘光敏電阻。在、數(shù)碼相機(jī)、電子眼、交通指示燈、感應(yīng)照明器具、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)中感知層可