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(hào) 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(cè)元件的傳感器。它首先把被測(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(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元

2、件，它是把光信號(hào)（紅外、可見(jiàn)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(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。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。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(ài)因斯坦第一個(gè)成功解釋光電效應(yīng)。愛(ài)因斯坦根據(jù)普朗克量子假說(shuō)而進(jìn)一步提出的光量子

3、，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(ài)因斯坦光子假說(shuō)的核心思想是：表面上看起來(lái)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(gè)光子的能量為Ehv, 動(dòng)量為 由愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)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(kāi)金屬面時(shí)具有最大的初動(dòng)能，所以對(duì)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

4、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)。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(shí)，具有輻射能量的微粒將透過(guò)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(shì)，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(guò)程。二、基本原理由光通量對(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

5、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(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,使投射剄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)。三、光電傳感器分類 1）槽開(kāi)光電開(kāi)關(guān)把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)

6、的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見(jiàn)光，在無(wú)阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí)，光被遮擋，光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷麄€(gè)結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。 2）對(duì)射式光電開(kāi)光若把發(fā)光器和收光器分離開(kāi)，就可使檢測(cè)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(kāi)關(guān)就稱為以射分離式光電開(kāi)光，簡(jiǎn)稱對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。它的檢測(cè)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(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。 3）反光板反射式光電開(kāi)關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在它的

7、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(kāi)關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到；一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。 4）擴(kuò)散反射式光電開(kāi)關(guān)它的檢測(cè)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(cè)物通過(guò)時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來(lái)，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。5) 光纖式光電開(kāi)關(guān)把發(fā)光器發(fā)出的光用光纖引導(dǎo)到檢測(cè)點(diǎn)，再把檢測(cè)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(kāi)關(guān)。按動(dòng)作方式的不同，光纖式光電開(kāi)關(guān)也可分成對(duì)射式

8、、反光板反射式、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(zhǎng)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(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光譜特性曲線，又稱頻譜特性。 對(duì)于不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同光電陰極的光電管。此外在測(cè)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(yáng)極電壓下，光通量與光電流 (陽(yáng)極電流)之間的關(guān)系稱為光電

9、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(yáng)極電壓與陽(yáng)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(yáng)極電壓大于50V時(shí)，光電流開(kāi)始飽和，陽(yáng)極電流近于常數(shù)，而與電壓無(wú)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(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、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

10、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

11、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)?？煞菣C(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。六、光電傳感器的應(yīng)用 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(cè)元件，首先把被測(cè)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(cè)方法具有

12、精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，體積小。近年來(lái)，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。 2）光電式帶材跑偏檢測(cè)器帶材跑偏檢測(cè)器用來(lái)檢測(cè)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(hào)，主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過(guò)程中。光電式帶材跑偏檢測(cè)器原理如圖1所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)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(cè)帶材的遮擋，使傳到光敏電阻的光通量減少。圖1帶材跑

13、偏檢測(cè)器工作原理 圖2為測(cè)量電路簡(jiǎn)圖。R1、R2是同型號(hào)的光敏電阻。R1作為測(cè)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(lái)，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2帶材跑偏檢測(cè)器測(cè)量電路 3）其他方面的應(yīng)用利用光電開(kāi)關(guān)還可以進(jìn)行包裝充填物高度檢測(cè)、產(chǎn)品流水線上

14、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(cè)，例如灌裝時(shí)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(cè)布料的有無(wú)和寬度。利用遮擋式光電傳感器檢測(cè)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(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

15、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)

16、 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。八、總述 光電式傳感器它除能測(cè)量光強(qiáng)之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測(cè)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(cè)量時(shí)不與被測(cè)對(duì)象直接接觸,光束的質(zhì)量又近似為零,在測(cè)量中不存在摩擦和對(duì)被測(cè)對(duì)象幾乎不施加壓力。因此在許多應(yīng)用場(chǎng)合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性。通過(guò)對(duì)光電效應(yīng)和器件原理的

17、研究已發(fā)展了多種光電器件（如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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(cè)、輻射測(cè)量、光纖通信，自動(dòng)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(duì)測(cè)量提供了一種很有前途的新方法。近年來(lái)，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(kāi)創(chuàng)了新的一頁(yè)。、近年來(lái)，隨著光電科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)