本科論文-光電傳感器的應用及研究報告

..永城職業(yè)學院機電一體化傳感器論文題目：機電一體化傳感器論文系部：機電工程系班級：五年制121班：王學號：2012812111指導教師：2016年5月29日光電傳感器的應用與研究摘要本論文首先介紹了液晶相物質的根底知識,包括液晶的形成、分類以及指向矢。然后對液晶的光學性質進展了詳細的介紹，包括它的雙折射、各向異性、偏振現象、賓主效應以及熱光學效應，尤其是對本文中所要用到的向列相液晶的性質進展了重點介紹。然后參照有關文獻，對賓主液晶全光系調焦透鏡的原理進展了研究。這種液晶透鏡裝置，可以在不加外電場的情況下，用一個He-Ne激光光源〔波長為633nm〕作探測光，一個倍頻ND:YAG激光光源(波長是532nm)作抽運光。利用溫度對摻雜液晶的折射率的影響，通過改變透鏡的參數以及抽運光的強度，引起液晶盒對光的吸收率的變化，使溫度發(fā)生變化導致折射率產生變化，從而來實現焦距的連續(xù)調節(jié)。關鍵詞：賓主液晶；透鏡；調焦器；原理目錄摘要1一、緒論31.1光電傳感器概述31.2光電傳感器開展4二、光電傳感器的根本原理72.1光電效應72.2光電原件及特性82.3光電傳感器11三、新型的光電傳感器153.1CCD傳感器153.2光纖傳感器16四、其他的光電傳感器204.1高速光電二極管204.3光位置傳感器22五、光電傳感器的應用235.1光電傳感器的優(yōu)點235.2光電傳感器的具體應用舉例23六、我對光電傳感器的看法26七、結論28一、緒論1.1光電傳感器概述〔1〕定義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換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三局部組成。光電檢測方法具有精度高、反響快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數多，傳感器的構造簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光信號〔紅外、可見及紫外光輻射〕轉變成為電信號的器件。光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、外表粗糙度、應變、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、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。近年來，新的光電器件不斷涌現，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應用開創(chuàng)了新的一頁?！?〕光電傳感器的分類光電元件有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、發(fā)光二極管〔LED〕、光電倍增管、光電池、光電耦合器件等。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件〔光學測控系統(tǒng)〕輸出量性質，光電式傳感器可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖〔開關〕式光電傳感器；模擬式光電傳感器按被測量〔檢測目標物體〕方法又可分為透射〔吸收〕式、漫反射式、遮光式〔光束阻擋〕三大類。1．槽開光電開關把一個光發(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。但當被檢測物體從槽過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體構造的限制一般只有幾厘米。2．對射式光電開光假設把發(fā)光器和收光器別離開，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就稱為以射別離式光電開光，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。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，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。3．反光板反射式光電開關把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置，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。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，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。4．擴散反射式光電開關它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方沒有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是收不到的；當檢測物通過時擋住了光，并把光局部反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關控制信號。光纖式光電開關把發(fā)光器發(fā)出的光用光纖引導到檢測點，再把檢測到的光信號用光纖引導到光接收器就組成光纖式光電開關。按動作方式的不同，光纖式光電開關也可分成對射式、反光板反射式、擴散反射式等多種類型。〔3〕光電傳感器的作用新技術革命的到來，世界開場進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域息的主要途徑與手段。如今，傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域?？梢院敛豢涞卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現代化工程，都離不開各種各樣的傳感器。1.2光電傳感器開展1839年A.E.貝可勒爾發(fā)現當光線落在浸沒于電介液中的兩個金屬電極上，它們之間就產生電勢，后來稱這種現象為光生伏特效應[2]。1873年W.史密斯和Ch.梅伊發(fā)現硒的光電導效應[2]。1887年H.R.赫茲發(fā)現外光電效應[2]?；谕夤怆娦墓怆姽芎凸怆姳对龉軐僬婵针娮庸芑螂x子管器件，曾在50～60年代廣泛應用，直到目前仍在某些場合繼續(xù)使用。雖然早在1919年T.W.凱斯就已取得硫化鉈光導探測器的專利權[3]，但半導體光敏元件卻是在60年代以后隨著半導體技術的開展而開場迅速開展的。在此期間各種光電材料都得到了全面的研究和廣泛的應用。它們的構造有單晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它們的成分有元素半導體的和化合物半導體的，也有多元混晶的。其中最重要的兩種是硅和碲鎘汞。硅的原料豐富,工藝成熟,是制造從近紅外到紫外波段光電器件的優(yōu)良材料。碲鎘汞是碲化汞和碲化鎘的混晶，是優(yōu)良的紅外光敏材料。傳感技術的開展經歷了三個階段,即構造型傳感器、物性型傳感器和智能型傳感器。1．構造型傳感器以其構造局部變化或構造局部變化后而引起某種場的變化來反映被測量的大小及變化。2．物性型傳感器利用構成傳感器的某些材料本身的物理特性在被測量的作用下發(fā)生變化,從而將被測量轉換為電信號或其他信號輸出。3．智能型傳感器把傳感器與微處理器有機地結合成一個高度集成化的新型傳感器。它與構造型、物性型傳感器相比,能瞬時獲取大量信息,對所獲得的信息還具有信號處理的功能,使信息的質量大大提高,其功能也擴展了。以網絡化智能傳感器為例,它以嵌入式微處理器為核心,集成了傳感單元、信號處理單元和網絡接口單元,使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測開展;從被動檢測向主動進展信息處理方向開展;從孤立元件向系統(tǒng)化、網絡化開展;從就地測量向遠距離實時在線測控開展,已成為傳感器技術開展的主要方向之一。而光電傳感器作為新型傳感器更是得到了廣闊應用。通過對光電效應和器件原理的研究已開展了多種光電器件〔如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、場效應光電管、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)模集成電路技術的開展而到達很高的水平，并使產品的本錢大為降低。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開展方向是采用有機化學汽相沉積、分子束外延、單分子膜生長等新技術和異質結等新工藝。光電式傳感器的應用領域已擴大到紡織、造紙、印刷、醫(yī)療、環(huán)境保護等領域。在紅外探測、輻射測量、光纖通信，自動控制等傳統(tǒng)應用領域的研究也有新開展。例如，硅光電二極管自校準技術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。二、光電傳感器的根本原理2.1光電效應光電傳感器的物理根底是光電效應。光電效應是指物體吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的能量，從而產生的點效應。光電效應分為外光電效應和光電效應兩大類?！?〕外光電效應光照在照在光電材料上，材料外表的電子吸收的能量，假設電子吸收的能量足夠大是，電子會克制束縛脫離材料外表而進入外界空間，從而改變光電子材料的導電性，這種現象成為外光電效應根據愛因斯坦的光電子效應，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數，h＝6.63*10-34J/HZ)，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一局部用于克制正離子的束縛，另一局部轉換成電子能量。根據能量守恒定律式中，m為電子質量,v為電子逸出的初速度,A微電子所做的功。由上式可知，要使光電子逸出陰極外表的必要條件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不管光強多大，都不會產生光電子發(fā)射，此頻率限稱為"紅限〞。相應的波長為式中，c為光速，A為逸出功?！?〕光電效應當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現象叫做光電效應。光電效應多發(fā)生與半導體，根據工作原理的不同，光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類。1．光電導效應：在光作用下，電子吸收光子的能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。2．光生伏特效應：在光的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、光敏三極管。圖3光敏二極管圖4光敏三極管2.2光電原件及特性根據外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管?！?〕光電管光電管的種類繁多，典型的產品有真空光電管和充氣光電管，光電管它的外形和構造如圖1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克制金屬外表束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬外表后的初始動能為光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于"紅限〞的前提下，從陰極外表逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管形成空間電子流，稱為光電流。此時假設光強增大，轟擊陰極的光子數增多，單位時間發(fā)射的光電子數也就增多，光電流變大。在圖2所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強成函數關系，從而實現光電轉換。當光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極外表逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產生電流I，在負載電阻上的電壓光電管的光電特性如圖3所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性根本是一條直線。圖3光電管的光電特性圖1光電管構造示意圖圖3光電管的光電特性圖1光電管構造示意圖圖2光電管測量電路圖2光電管測量電路〔2〕光電倍曾管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4是光電倍增管構造示意圖。圖4光電倍增構造示意圖圖4光電倍增構造示意圖從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A，與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設置了假設干個二次發(fā)射電極，D1、D2、D3…它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、…，倍增電極通常為10～15級。光電倍增管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級升高，陽極電位最高。當入射光照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1，引起二次電子發(fā)射，一個入射的光電子可以產生多個二次電子，D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產生二次電子發(fā)射……，這樣逐級產生的二次電子發(fā)射，使電子數量迅速增加，這些電子最后到達陽極，形成較大的陽極電流。假設倍增電極有n級，各級的倍增率為σ，那么光電倍增管的倍增率可以認為是σN，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的圍具有良好的線性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量?！?〕光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于光電效應。在半導體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數如下：1．暗電阻光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。2．亮電阻光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。3．伏安特性光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關系稱為伏安特性，如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。圖5光敏電阻的伏安特性4．光電特性光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點之一。5．光譜特性入射光波長不同時，光敏電阻的靈敏度也不同。入射光波長與光敏器件相對靈敏度間的關系稱為光譜特性。使用時可根據被測光的波長圍，選擇不同材料的光敏電阻。6．響應時間光敏電阻受光照后，光電流需要經過一段時間〔上升時間〕才能到達其穩(wěn)定值。同樣，在停頓光照后，光電流也需要經過一段時間〔下降時間〕才能恢復到其暗電流值，這就是光敏電阻的時延特性。光敏電阻上升響應時間和下降響應時間約為10-1～10-3s，即頻率響應為10Hz～1000Hz，可見光敏電阻不能用在要求快速響應的場合，這是光敏電阻的一個主要缺點。7．溫度特性光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電流增大，靈敏度下降，這也是光敏電阻的另一缺點。8．頻率特性頻率特性是指外加電壓和入射光強一定是，光電流I與入射光的調制頻率f之間的關系，，光電二極管的頻率特性較光電三極管的頻率特性好，這是由于光電三極管的基射結存在電容和載流子基區(qū)需要時間的緣故。利用光電效率原理制造的光電元件的頻率特性最差，這是由于俘獲載流子和釋放電荷都需要一定時間的緣故。2.3光電傳感器光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的，它的根本構造如圖6，它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學通路和光電元件三局部組成.光電檢測方法具有精度高,反響快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數多,傳感器的構造簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛.光電傳感器一般由三局部構成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路，如圖7所示，發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不連續(xù)地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電開關的構造元件中還有發(fā)射板和光導纖維，三角反射板是構造結實的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經過反射后，還是從這根反射線返回。圖7光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關系，來到達測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設計至關重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準確性，常用光源有以下幾種：1、發(fā)光二極管是一種把電能轉變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。2、絲燈泡這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。3、激光激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點，是很理想的光源。由光源、光學通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當的測量電路。測量電路能夠把光電效應造成的光電元件電性能的變化轉換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測量電路也不一樣。下面介紹幾種半導體光電元件常用的測量電路。半導體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備放大器。在要求較大的輸出功率時，可用圖8所示的電路。圖9〔a〕給出帶有溫度補償的光敏二極管橋式測量電路。當入射光強度緩慢變化時，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進展補償。圖中一個光敏二極管做為檢測元件，另一個裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對兩只光敏二極管的影響一樣，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖9所示。由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9〔a〕所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯一個電阻?；蛘呦髨D9〔b〕所示的那樣利用鍺二極管產生的正向壓降和光電池受到光照時產生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10〔c〕所示。半導體光電元件的光電轉換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖11〔a〕所示。當光照產生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖11〔b〕給出硅光電池的光電轉換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)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，如測液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體外表反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經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，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件承受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計數和光電式轉速測量等場合。三、新型的光電傳感器3.1CCD傳感器光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉移器件集合而成。它的核心是電荷轉移器件CTD(ChargeTransferDevice),最常用的是電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點，CCD圖象傳感器廣泛的被應用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面，尤其適用以上領域中的圖像識別技術?！?〕CCD的構造和根本原理圖12CCD的MOS構造〔2〕CCD圖像傳感器應用1.工件尺寸檢測CCD圖像傳感器在許多領域獲得了廣泛的應用。前面介紹的電荷耦合器件(CCD)是構成CCD固態(tài)圖像傳感器的主要光敏器件，取代了攝像裝置中的光學掃描系統(tǒng)或電子束掃描系統(tǒng)。CCD圖像傳感器具有高分辨率和高靈敏度，具有較寬的動態(tài)圍，這些特點決定了它可以廣泛應用于自動控制和自動測量，尤其適用于圖像識別技術。CCD圖像傳感器在檢測物體的位置、工件尺寸的準確測量及工件缺陷的檢測方面有獨到之處。下面是一個利用CCD圖像傳感器進展工件尺寸檢測的例子。圖16CCD圖像傳感器工件尺寸檢測系統(tǒng)2.CCD傳感器在公共交通上的應用目前，在公共交通中方面大量采用CCD傳感器，對馬路進展監(jiān)測，對違章車輛進展拍照處理。一般車輛在被拍照后會傳至指揮中心。指揮中心收到圖片，會將車牌號信息與車管所信息相比對，從而調出車輛的綜合信息，如車主、車型、顏色等，然后由信息處理人員錄入市公安交通管理局，以使違章車主能夠進展查詢。這樣的麻煩事增加了管理人員的工作量。采用先進的CCD傳感器對拍到的圖片進展智能處理，通過某種算法，使CCD傳感器能夠智能的識別車牌，這樣將大大減少管理人員的工作量。這里一種方法是直接利用傳感器后續(xù)處理的算法，建立一個數字、字符的像素字符庫，把拍攝到的圖像與該字符庫中的圖片進展比照，通過某種算法來確定具體的車牌號。另一種方法那么是更改硬件的方法，對車牌號的數字進展特殊處理，比方不同數字運用不同顏色，這樣CCD拍攝到的圖像信息的灰度的值將會有一定的差異，通過這個差異來確定具體的。還有就是利用其他設備輔助CCD，在不同數字符號上參加特殊的化學元素，利用紅外來感應這些元素，以確定車牌。3.2光纖傳感器〔1〕光纖傳感器的原理和組成

光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3局部組成，光源發(fā)出的光耦合進光纖，經光纖進入調制區(qū)，在調治區(qū)，外界被測參數作用于進入調區(qū)的光信號，是其光學性質如光的強度、相位、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化成為被調制的信號光，再經過光纖送入光探測器而獲得被測參數，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖起保護作用。光纖主要分為兩類，一是漸變光纖，一是躍階光纖。前者的折射率是漸變的﹐而后者的折射率是突變的。另外還分為單模光纖及多模光纖，近年來，又有新的光子晶體光纖問世。依材質：石英玻璃、多組份玻璃、氟化物、塑料、液芯。依轉輸方式分：單模、多模級射、多模斜射。依折射率分：階躍型、漸變型光纖。依工作波長分：短波長光纖、長波長光纖、超長波長光纖。光纖是基于光的全反射原理而工作的。當入射角在此圍時，光在界面產生全反射，并在光纖部一同樣的角度反復逐次反射，知道傳播到光纖的另一端面。如果工作需要光纖微彎曲，只要仍滿足全反射定律，那么光仍然可以繼續(xù)前進。如果入射角超出上述圍，那么進入光纖的光線便會在截面上發(fā)生折射，并透入包層?！?〕光纖傳感器的應用領域1、在航天器及船舶中的應用

先進的復合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機的機翼)。為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，對于普通船體大約需要100個傳感器，因此波長復用能力極強的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測2、在民用工程構造中的應用

民用工程的構造監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活潑的領域。光纖光柵傳感器可以貼在構造的外表或預先埋入構造中，對構造同時進展沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，以監(jiān)視構造的缺陷情況。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網絡，對構造進展準分布式檢測，可以用計算機對傳感信號進展遠程控制。①光纖傳感器在溫度測試中的應用

它是利用光在光纖中傳輸能夠產生后向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，那么它在光纖中傳輸的同時不斷產生后向散射光波，這些后向散射光波的狀態(tài)受到所在光纖散射點的溫度影響而有所改變，將散射回來的光波經波分復用、檢測解調后，送入信號處理系統(tǒng)便可將溫度信號實時顯示出來，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些信息定位

②光纖傳感器在裂縫監(jiān)測中的應用

當地下深部發(fā)生變形時，必將擠壓砂漿體產生相應形變，導致裂縫或滑移〔錯動〕的產生，進而引起埋入光纖的微彎，該處的微彎將破壞光波導的全反射條件，使光損耗增加，產生衰減，利用光纖監(jiān)測地下深部變形，就是基于微彎衰減的傳感機制。埋入洞的光纖，全部是傳感局部，受深部變形作用，光纖產生微彎或撓曲，致使光損耗增大；OTDR檢測到全過程的散射光強分布?！睴TDR是一種用于光纖通信故障定位的技術，現在普遍運用于分布式光纖傳感器系統(tǒng)中〕

③光纖傳感器在光纖光纜中的應用

光纜通信在我國已有20多年的使用歷史，這段歷史也就是光通信技術的開展史和光纖光纜的開展史。光纖光纜在我國的開展可以分為這樣幾個階段：對光纜可用性的探討；取代市局間中繼線的市話電纜和PCM電纜；取代有線通信干線上的高頻對稱電纜和同軸電纜。這兩個取代應該說是完成了；現正在取代接入網的主干線和配線的市話主干電纜和配線電纜，并正在進入局域網和室綜合布線系統(tǒng)。目前，光纖光纜已經進入了有線通信的各個領域，包括郵電通信、播送通信、電力通信和軍用通信等領域。

④光纖傳感器在智能大橋中的應用

它是將傳感元件、驅動元件以及信息處理控制系統(tǒng)集成于主體材料中,使制成的構件不僅具有承受載荷、傳遞運動的能力,而且具有檢測多種參數(如應力、應變、損傷、溫度、壓力等)、分析、處理及控制等多種功能。它出現時間不長,但已成為目前國外研究的熱點。具有智能材料構造特點的智能橋梁能對智能材料構造的動作流程圖橋梁的施工質量、運營中的應力狀態(tài)以及其它多種參數進展長期實時在線監(jiān)測,并根據對大量傳感信息的實時綜合分析采取適當、及時的控制措施,因而可以極提高工程構造的平安性和可靠性,防止災難性事故的發(fā)生。

3、在電力工業(yè)中的應用

光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現長距離低損耗傳輸，從而成為電力工業(yè)應用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。

4、在醫(yī)學中的應用

光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導管插入病人心臟的右心房，并注射人一種冷溶液，可測量肺動脈血液的溫度，結合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監(jiān)測是非常重要的。

5、在化學傳感中的應用

光纖光柵傳感器可用于化學傳感，因為光柵的中心波長隨折射率的變化而變化，而光柵間倏失波的相互作用以及環(huán)境中的化學物質的濃度變化都會引起折射率的變化。四、其他的光電傳感器4.1高速光電二極管〔1〕PIN結光電二極管PIN管是光電二極管中的一種。它的構造特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層〔相對〕很厚的本征半導體。這樣，PN結的電場就根本上全集中于I層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。由式τ=CjRL與f=1/2πτ知，Cj小，τ那么小，頻帶將變寬。電場較大，電子加速運動，響應時間快。圖18PIN管構造示意圖最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。缺乏：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼的商品出售。〔2〕雪崩光電二極管(APD)雪崩光電二極管是利用PN結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極管。P區(qū)外側增加高濃度P+層。這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結區(qū)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反響。因此，這種管子有很高的增益，可到達幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。缺點：噪聲大。由于雪崩反響是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。5.2色敏光電傳感器色敏光電傳感器實際上是光電傳感器的一種特殊類型。它是兩只結深不同的的光電二極管組合體，其構造和工作原理的等效電路如圖19所示。圖19色敏光電傳感器和等效電路雙結光電二極管的P+-N結為淺結，N-P結為深結。當光照射時，P+，N，P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光局部吸收系數大，經過很短距離就被吸收完畢；因此，淺結對紫外光有較高靈敏度。而紅外光局部吸收系數小，光子主要在深結處被吸收；因此，深結對紅外光有較高的靈敏度。即半導體中不同的區(qū)域對不同波長分別具有不同靈敏度。這一特性為識別顏色提供了可能性。利用不同結深二極管的組合，即可構成測定波長的半導體色敏傳感器。具體使用時，首先對該色敏器件進展標定，也就是測定在不同波長光照射下，深結的短路電流ISD2與淺結的短路電流ISD1的比值ISD2/ISD1。ISD2在長波區(qū)較大，ISD1在短波區(qū)較大；因而ISD2/ISD1與入射單色光波長的關系就可以確定。根據標定曲線，實測出某一單色光的短路電流比值，即可確定該單色光的波長。4.3光位置傳感器當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產生側向光電效應。當光照局部吸收入射光子的能量產生電子空穴對時，光照局部載流子濃度比未受光照局部的載流子濃度大，就出現了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，那么電子向未被光照局部擴散，就造成光照射的局部帶正電，未被光照射局部帶負電，光照局部與未被光照局部產生光電動勢?；谠撔墓怆娖骷绨雽w光電位置敏感器件〔PSD〕五、光電傳感器的應用5.1光電傳感器的優(yōu)點光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件3局部組成，有以下優(yōu)點：①檢測距離長。②對檢測物體的限制少。③響應時間短。④分辨率高。能通過高級設計使投光光束集中在小光點，或通過構成特殊的受光光學系統(tǒng)，來實現高分辨率。也可進展微小物體的檢測和高精度的位置檢測。⑤可實現非接觸的檢測?？蔁o機械接觸地檢測物體，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。⑥可實現顏色判別。通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質，可對檢測物體的顏色進展檢測。⑦便于調整。在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進展調整。近年來，隨著光電技術的開展，光電傳感器已成為系列產品，其品種及產量日益增加，用戶可根據需要選用各種規(guī)格產品，在各種輕工自動機上獲得廣泛的應用。5.2光電傳感器的具體應用舉例〔1〕測量工件外表的缺陷用光電傳感器測量工件外表缺陷的工作原理如圖1所示，激光管1發(fā)出的光束經過透鏡2和3變?yōu)槠叫泄馐?，再由透鏡4把平行光束聚焦在工件7的外表上，形成寬約0.1mm的細長光帶。光欄5用于控制光通量。如果工件外表有缺陷(粗糙、裂紋等)，那么會引起光束偏轉或散射，這些光被硅光電池6接收，即可轉換成電信號輸出?！?〕測量轉速如圖2所示為用光電傳感器測量轉速的工作原理。在電動機的旋轉軸上涂上黑白兩種顏色，當電動機轉動時，反射光與不反射光交替出現，光電元件1相應地連續(xù)接收光的反射信號，并輸出連續(xù)的電信號，再經放大器及整形電路2放大整形輸出方波信號，最后由電子數字顯示器輸出電機的轉速。〔3〕測量溫度我們在測量物體的溫度時，特別是高溫的時候，我們使用專門的溫度計。紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的開展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度圍可以從-30℃～3000℃，中間分成假設干個不同的規(guī)格，可根據需要選擇適合的型號。圖3紅外線輻射溫度計〔4〕煙塵濁度監(jiān)測防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進展監(jiān)測、自動顯示和超標報警。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，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。圖4煙塵濁度監(jiān)測原理〔5〕包裝充填物高度檢測用容積法計量包裝的成品，除了對重量有一定誤差圍要求外，一般還對充填高度有一定的要求，以保證商品的外觀質量，不符合充填高度的成品將不許出廠。圖5所示為借助光電檢測技術控制充填高度的原理。當充填高度h偏差太大時，光電接頭沒有電信號，即由執(zhí)行機構將包裝物品推出進展處理。圖5利用光電檢測技術控制充填高度〔6〕其他方面的應用利用光電開關還可以進展產品流水線上的產量統(tǒng)計、對裝配件是否到位及裝配質量進展檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標是否漏貼〔見圖6〕，以及送料機構是否斷料〔見圖7〕等。圖6瓶子灌裝檢測示意圖圖7送料機構檢測示意圖此外，利用反射式光電傳感器可以檢測布料的有無和寬度。利用遮擋式光電傳感器檢測布料的下垂度，其結果可用于調整布料在傳送中的力，利用安裝在框架上的反射式光電傳感器可以發(fā)現漏裝產品的空箱，并利用油缸將空箱推出。六、我對光電傳感器的看法隨著科學技術的開展人們對測量精度有了更高的要求，這就促使光電傳感器不得不隨著時代步伐而更新，改善光電傳感器性能的主要手段就是應用新材料、新技術制造性能更優(yōu)越的光電元件。光電傳感器是一種非接觸式測小型電子測量設備,依靠檢測出其接收到的光強的變化，來到達測量目的，同時它也是一種容易受到外界干擾而失去測量準確度的器件。所以在設計時除了選擇先進光電元件，還必須設置參比信號和溫度補償措施，用來削弱或消除這些因素的影響。光電傳感器必須經過光波調制，光波的調制像無線電波的傳送和接收，將收音機調到某臺,就可以忽略其他的無線電波信號未經調制的傳感器只有通過使用長焦距鏡頭的機械屏蔽手段,使接收器只能接收到發(fā)射器發(fā)出的光,才能使其能量變得很高.相比之下,經過調制的接收器能忽略周圍的光,只對自己的光或具有一樣調制頻率的光做出響應.未經調制的傳感器用來檢測周圍的光線或紅外光的輻射,如剛出爐的紅熱瓶子,在這種應用場合如果使用其它的傳感器,可能會有誤動作。光電傳感器由于非接觸、高可靠性等優(yōu)點，在測量時對變被測物體損害小，所以自其創(chuàng)造以來就在測量領域有著舉足輕重的地位，目前它已廣泛應用于測量機械量、熱工量、成分量、智能車系統(tǒng)等?，F在它在電力系統(tǒng)自動并網裝置中起到了非常重要的作用，因為發(fā)電機投入電網運行常采用準同法，必須滿足：三相線序一致，頻率一致，相位一致，電