光電傳感器的應(yīng)用及其發(fā)展

1、光電傳感器的應(yīng)用及其發(fā)展摘要：光電傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后，借助光電元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。如光電開(kāi)關(guān)、光感電阻、光感二極管、光電池、光纖等。光電式傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，它是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器，具有反應(yīng)快、精度高、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣。本文列舉了光電傳感器技術(shù)在一些領(lǐng)域里的應(yīng)用。并闡述了當(dāng)前傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；光電器件；常見(jiàn)故障；檢測(cè)控制；發(fā)展趨勢(shì)光電傳感器，一般由光源、光學(xué)通路和光電元件等3部分組成，是通過(guò)將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)的一種裝置。近年來(lái)，新的光

2、電器件不斷涌現(xiàn)，光電傳感器的應(yīng)用范圍更加廣泛。一、光電傳感器的原理光電傳感器的工作原理是：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。由光通量對(duì)光電元件作用的不同原理所制成光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件輸出量性質(zhì)可分為兩類，即模擬式光電傳感器和脈沖式光電傳感器，前者是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量問(wèn)呈單值關(guān)系。按被測(cè)量方法可分為透射式、漫反射式、遮光式三類：透射式。被測(cè)物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過(guò)被測(cè)物，部分被吸收后，透射光投射到光電元件上；漫反射式。恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上，再?gòu)谋粶y(cè)物體表面反射后投射

3、到光電元件上；遮光式。當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物遮擋其中一部分，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測(cè)物體在光路位置相關(guān)。光敏二極管是最常見(jiàn)的光傳感器，不同于一般二極管的是其管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，為增加射入光線的受光面積，PN結(jié)的面積做得較大。光敏二極管工作在反向偏置的狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小，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(chǎng)的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成的比暗電流大得多的反向電流，稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電

4、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)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，通常只引出兩個(gè)極-發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開(kāi)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(wú)光照時(shí)管子流過(guò)的電流為暗電流，(很小)，比一般三極管的穿透電流還??；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)生的電流增大，此刻流過(guò)管子的電流稱為光電流，集電極電流公式為，可見(jiàn)光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。二、光電傳感器的特點(diǎn)1. 光電傳感器元件的應(yīng)用特點(diǎn)1) 光敏電阻。輸出電流大

5、、受溫度的影響小、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，器件本身不容易發(fā)生故障，但響應(yīng)時(shí)間慢。2) 光電二極管和光電三極管。靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快，但受溫度影響比較大、受光面小、方向性強(qiáng)、抗干擾能力弱。不同型號(hào)的管子對(duì)光譜響應(yīng)差異大。3) 光電池。受光面積大、輸出電流小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、光譜比較寬、受溫度影響小、抗干擾能力強(qiáng)。2. 光電傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)1) 檢測(cè)距離長(zhǎng)。如對(duì)射型保留大于十米的檢測(cè)距離，便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段(磁性、超聲波等)無(wú)法檢測(cè)的對(duì)象。2) 檢測(cè)物體種類多。由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理，不僅對(duì)金屬，而且對(duì)玻璃、塑料、木材、液體等幾乎所有物體都能進(jìn)行檢測(cè)。3) 響應(yīng)時(shí)間短。光

6、速高、且傳感器的電路都由電子元件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間非常短。4) 分辨率高。通過(guò)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光的光束集中在小光點(diǎn)，或通過(guò)構(gòu)成特殊受光的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高分辨率，可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。5) 非接觸檢測(cè)。可非機(jī)械性接觸檢測(cè)物體，不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成損傷，傳感器能長(zhǎng)期使用。6) 顏色判別。通過(guò)檢測(cè)物體形成光的反射率和吸收率，根據(jù)被投光的光線波長(zhǎng)和檢測(cè)物體的顏色組合的差異。對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。7) 易于調(diào)整。在投射可視光的類型中，投光的光束是眼睛可見(jiàn)的，便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行調(diào)整。三、光電傳感器可用來(lái)測(cè)量什么量及作用光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的

7、傳感器。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來(lái)檢測(cè)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(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。如自動(dòng)門(mén)傳感、色標(biāo)檢出等。四、光電傳感器測(cè)量具體過(guò)程以及分類由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同, 所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測(cè)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(kāi)關(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測(cè)量(檢測(cè)目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(

8、光束阻檔)三大類。所謂透射式是指被測(cè)物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過(guò)被測(cè)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(cè)物上，再?gòu)谋粶y(cè)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(cè)物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測(cè)物體在光路位置有關(guān)。五、光電傳感器的應(yīng)用實(shí)例1. 電影發(fā)聲系統(tǒng)拍攝電影時(shí)的配音是把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，用明暗不同的條紋記錄在膠片邊緣的聲帶上。放映電影時(shí)，光源發(fā)出的光通過(guò)移動(dòng)聲帶后發(fā)生了強(qiáng)弱的變化，并被光電管所接收，光電管把強(qiáng)弱變化的光相應(yīng)地轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)弱變化的電流，經(jīng)放大器放大后，由揚(yáng)聲器

9、放出聲音。2. 光控大門(mén)干簧繼電器由干簧管和繞在干簧管外的線圈組成，為了易于識(shí)別電路，通常在電路圖中把線圈和干簧管分開(kāi)來(lái)畫(huà)。當(dāng)線圈內(nèi)有電流時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)使密封在干簧管內(nèi)的兩個(gè)鐵質(zhì)簧片磁化，在磁力作用下由原來(lái)的分離狀態(tài)變成連接狀態(tài)，線圈內(nèi)沒(méi)有電流時(shí)，磁場(chǎng)消失，磁片在彈力的作用下，回復(fù)到分離狀態(tài)。把光敏電阻裝在大門(mén)上汽車燈光能照到的地方，帶動(dòng)大門(mén)的電動(dòng)機(jī)接在干簧管的電路中。夜間，當(dāng)汽車開(kāi)到大門(mén)前，燈光照射光敏電阻時(shí)，干簧繼電器接通電動(dòng)機(jī)電路，帶動(dòng)大門(mén)打開(kāi)。3. 天亮叫醒服務(wù)蜂鳴器內(nèi)裝有發(fā)聲電路，外邊有負(fù)極和正極兩極引線。使用時(shí)正極接電池正極。負(fù)極揍電池負(fù)極。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，能自動(dòng)發(fā)出蜂鳴聲。4

10、. 包裝充填物高度檢測(cè)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。當(dāng)充填高度偏差太大時(shí)，光電接頭沒(méi)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。5. 轉(zhuǎn)速測(cè)量將轉(zhuǎn)速變換成光通量的變化，再經(jīng)過(guò)光電元件轉(zhuǎn)換成電量的變化即可得到轉(zhuǎn)速。被測(cè)轉(zhuǎn)軸上裝有調(diào)制盤(pán)(帶孔或帶齒的圓盤(pán))，其一邊設(shè)置光源，另一邊設(shè)置光電元件。調(diào)制盤(pán)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)光線通過(guò)小孔或齒縫時(shí)，光電元件就產(chǎn)生一個(gè)電脈沖。轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，光電元件就輸出一列與轉(zhuǎn)速及調(diào)制盤(pán)上的孔(或齒)數(shù)成正比的電脈沖數(shù)。在孔(或齒)數(shù)一定時(shí)，脈沖數(shù)就和轉(zhuǎn)速成正比。電脈沖輸入測(cè)量電路后經(jīng)放大整形，再送入頻

11、率計(jì)的計(jì)數(shù)顯示。6.光電傳感器在我們身邊的應(yīng)用和其他方面的應(yīng)用 很多學(xué)校的樓梯道或者什么公共場(chǎng)所都用來(lái)控制燈泡啊,當(dāng)天一變黑,燈泡自動(dòng)亮起來(lái),一當(dāng)天亮了,燈泡自動(dòng)滅。還有廁所里面那個(gè)光感沖水裝置和我們用的光感鼠標(biāo)等等.利用光電開(kāi)關(guān)不僅可以進(jìn)行產(chǎn)品產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，在傳感器的后端加上計(jì)數(shù)器就能準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出生產(chǎn)產(chǎn)品的總數(shù)，而且還可對(duì)裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程或檢測(cè)過(guò)程中的廢品時(shí)，通過(guò)移位寄存器的記錄位置將廢品挑出，例如灌裝時(shí)瓶蓋沒(méi)有壓上、商標(biāo)漏貼，以及送料機(jī)構(gòu)斷料等等，都可以利用光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用十分廣泛。六、光電傳感器的發(fā)展趨勢(shì)近年來(lái)，由于傳感器的廣泛應(yīng)用以及在日常生活中所起的

12、越來(lái)越重要的作用，人們對(duì)傳感器提出越來(lái)越高的要求。21世紀(jì)初期(2010前后)。敏感元件與傳感器發(fā)展的總趨勢(shì)是小型化、集成化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化。傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高。并加速新一代傳感器的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化?？v觀幾十年傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，不外乎分為兩個(gè)方面：一是提高與改善傳感器的技術(shù)性能；二是尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。1. 傳感器改善性能的途徑一般常采用下列技術(shù)途徑：差動(dòng)技術(shù)，平均技術(shù)，補(bǔ)償和修正技術(shù)，屏蔽、隔離與干擾抑制，穩(wěn)定性處理。2. 傳感器的發(fā)展動(dòng)向1) 開(kāi)發(fā)新型傳感器，包括采用新原理；填補(bǔ)傳感器空白；仿生傳感器等諸方面。2) 開(kāi)發(fā)新材料，其主要

13、趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：從單晶體到多晶體、非晶體；從單一型材料到復(fù)合材料；原子(分子)型材料的人工合成。由復(fù)雜材料來(lái)制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。山半導(dǎo)體敏感材料、陶瓷材料、磁性材料。3) 智能材料，是指設(shè)計(jì)和控制材料的物理、化學(xué)、機(jī)械、電學(xué)等參數(shù)。研制出生物體材料所具有的特性或者優(yōu)于生物體材料性能的人造材料。4) 新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的維系加工技術(shù)。5) 集成化、多功能化與智能化。3. 我國(guó)目前的發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)的優(yōu)勢(shì)有：已經(jīng)形成了研究、生產(chǎn)和應(yīng)用體系、人材隊(duì)伍和部分傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，是進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)；有一批先進(jìn)的成果，如刀具砂輪

14、監(jiān)控儀系列成果，石油油井用高溫、高壓傳感檢測(cè)系統(tǒng)、高精度熱敏檢測(cè)傳感等等；有一個(gè)量大面廣的用戶市場(chǎng)。不足之處有：研究開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略在系統(tǒng)性上的不足，如：傳感器與傳感系統(tǒng)未能統(tǒng)一布置，形成兩套并列，相互脫節(jié)的攻關(guān)；對(duì)傳統(tǒng)傳感器的革新改進(jìn)不足，微小型化步子慢，在國(guó)內(nèi)與國(guó)際市場(chǎng)上形不成競(jìng)爭(zhēng)力；加緊特殊環(huán)境和工程項(xiàng)目傳感技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)；集成化、智能化和納米技術(shù)與國(guó)外差距大。七、結(jié)論光電子應(yīng)用技術(shù)是一門(mén)新興的高新技術(shù)，目前還處于發(fā)展期，但它必將發(fā)展成為一種新興的知識(shí)經(jīng)濟(jì)，從而在新興技術(shù)領(lǐng)域形成巨大的生產(chǎn)力。以上介紹了光電傳感器的基本原理和其特點(diǎn)，并列舉了一些在實(shí)際的應(yīng)用實(shí)例。從這些實(shí)例中我們可窺見(jiàn)光電傳感器無(wú)

15、限的發(fā)展應(yīng)用前景。由于光電傳感器自身的數(shù)字輸出特性和智能電子設(shè)備的特點(diǎn)，其應(yīng)用對(duì)變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)的影響是全面和深遠(yuǎn)的，利用光電傳感器的光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通信功能改造電磁式互感器，實(shí)現(xiàn)過(guò)程層和間隔層的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或現(xiàn)場(chǎng)總線通信，將會(huì)成為我國(guó)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)改造升級(jí)的有效途徑，而建設(shè)以光電傳感器和其他智能電子設(shè)備為基礎(chǔ)的新型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站站內(nèi)各層間的無(wú)縫通信，最大限度的滿足信息共享和系統(tǒng)集成的要求，則是我國(guó)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向。光電式傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。人類社會(huì)對(duì)傳感器提出的要求越來(lái)越高是其發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，突飛猛進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)

16、技術(shù)的則為其提供了堅(jiān)強(qiáng)的后盾，我們相信在不懈地探索中，光電傳感器的應(yīng)用定會(huì)有新的飛躍。參考文獻(xiàn)1 唐守鋒, 童敏. 檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)M. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.2 張正偉. 傳感器原理與應(yīng)用M. 北京: 中央廣播電視大學(xué)出版社，1991.3 吳桂秀. 傳感器應(yīng)用制作入門(mén)M. 浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2004.4 王松德, 朱小龍. 紅外線可逆計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與制作J. 礦山機(jī)械，2005, 33(06): 90-91.5 王松德, 梁會(huì)琴, 王丹. 紅外線計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與制作J. 農(nóng)機(jī)化研究, 2005, 33(05): 158-160.6 遲宗濤, 楚峻豐, 張麗瑩. 光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)的研制明J. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件, 200