光電式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展龔麗

1、課程論文 題 目 光電式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展 學(xué)生姓名 龔麗學(xué) 號 20102305006 院 系 電子工程系專 業(yè) 電子信息工程二一三年六 月光電式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展龔麗南京信息工程大學(xué)電子工程系南京 210044摘要：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(jìn)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。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是

2、把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。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(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光電式傳感器；應(yīng)用；發(fā)展正文：一、物理特性1.1外光電效應(yīng)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

3、，對光電效應(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。若單色光頻率為n，那么每個光子的能量為Ehv, 動量為 由愛因斯坦光子假說發(fā)展成現(xiàn)代光子論(photon theory)的兩個基本點是： (1) 光是由一顆一顆的光子組成的光子流。每個光子的能量為E = hv，動量為 。由N個光子組成的光子流，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具有最大的初動能，所以對于電子應(yīng)有： 1.2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

4、外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。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。 1.3光生伏特效應(yīng) 當(dāng)具有一定能量E的光子投射到某些物質(zhì)的表面時，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)生電動勢，導(dǎo)致與其相連接的閉合回路中電流的變化，從而實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換過程。二、基本原理由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

5、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,改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)。三、光電傳感器分類 1）槽開光電開關(guān)把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)

6、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，光被遮擋，光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整個結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。 2）對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。由一個發(fā)光器和一個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)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。 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裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板

7、，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，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。 4）擴(kuò)散反射式光電開關(guān)它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，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)檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關(guān)控制信號。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，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)。按動作方式的不同，光纖式光電開關(guān)也可分成對射式、反光板反射式、

8、擴(kuò)散反射式等多種類型。四、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。 對于不同波長區(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

9、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，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?！?】五、光電傳感器的特點1. 光電傳感器元件的應(yīng)用特點 1) 光敏電阻。輸出電流大、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)時間慢。 2) 光電二極管和光電三極管。靈敏度高、響應(yīng)時間快，但受溫度影響比較大、受光面小、方向性強(qiáng)、抗干擾能力弱

10、。不同型號的管子對光譜響應(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1) 檢測距離長。如對射型保留大于十米的檢測距離，便能實現(xiàn)其他檢測手段(磁性、超聲波等)無法檢測的對象。 2) 檢測物體種類多。由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，不僅對金屬，而且對玻璃、塑料、木材、液體等幾乎所有物體都能進(jìn)行檢測。 3) 響應(yīng)時間短。光速高、且傳感器的電路都由電子元件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時間，響應(yīng)時間非常短。 4) 分辨率高。通過設(shè)計技術(shù)使投光的光束集中在小光點，或通過構(gòu)成特殊受光的光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)高分辨率，

11、可進(jìn)行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。 5) 非接觸檢測。可非機(jī)械性接觸檢測物體，不會對檢測物體和傳感器造成損傷，傳感器能長期使用。 6) 顏色判別。通過檢測物體形成光的反射率和吸收率，根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合的差異。對檢測物體的顏色進(jìn)行檢測。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的，便于對檢測物體的位置進(jìn)行調(diào)整。六、光電傳感器的應(yīng)用1）光電傳感器優(yōu)點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)樾盘柕淖兓?，然后借助光電元件進(jìn)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3部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸

12、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，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，在各種輕工自動機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。 2）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，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號，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會聚為平行光束，投向透鏡2，隨后被會聚到光敏電阻上。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1帶材跑偏檢測器工作原理 圖2

13、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，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，遮光面積減少，光敏電阻R1阻值減少，電橋失去平衡。差動放大器將這一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，U0為正值。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(jī)構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號。圖2帶材跑偏檢測器測量電路 3）其他方面的應(yīng)用利用光電開關(guān)還可以進(jìn)行包裝充填物高度檢測、產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計、對裝配件是否

14、到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼圖，以及送料機(jī)構(gòu)是否斷料等。 此外，利用反射式光電傳感器可以檢測布料的有無和寬度。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。七、光電傳感器的發(fā)展趨勢近年來，由于傳感器的廣泛應(yīng)用以及在日常生活中所起的越來越重要的作用，人們對傳感器提出越來越高的要求。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發(fā)和產(chǎn)

15、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)展動向1) 開發(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) 開發(fā)新材料，其主要趨勢有以下幾個方面：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)計和控制

16、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。八、總述光電式傳感器它除能測量光強(qiáng)之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感器件。光電測量時不與被測對象直接接觸,光束的質(zhì)量又近似為零,在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力。因此在許多應(yīng)用場合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性。通過對光電效應(yīng)和器件原理的研究已發(fā)展了多種光電器件（如

17、光敏電阻、光電二極管、光電三極管、場效應(yīng)光電管、雪崩光電二極管、電荷耦合器件等），適用于不同的場合。光電式傳感器的制造工藝也隨薄膜工藝、平面工藝和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而達(dá)到很高的水平，并使產(chǎn)品的成本大為降低。被稱為新一代攝像器件的聚焦平面集成光敏陣列正在取代傳統(tǒng)的掃描攝像系統(tǒng)。光電式傳感器的最新發(fā)展方向是采用有機(jī)化學(xué)汽相沉積、分子束外延、單分子膜生長等新技術(shù)和異質(zhì)結(jié)等新工藝。光電式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到紡織、造紙、印刷、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。在紅外探測、輻射測量、光纖通信，自動控制等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的研究也有新發(fā)展。例如，硅光電二極管自校準(zhǔn)技術(shù)的提出為光輻射的絕對測量提供了一種很有前途的新方法。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。、近年來，隨著光電科學(xué)、