光電傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用

1、HEFEI UNIVERSITY考 核 題 目： 光電傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用 系 別： 電子信息與電氣工程系 專業(yè)（班級(jí)）： 13級(jí)自動(dòng)化卓越班 姓 名： 王飛 桂美冬 黃磊 導(dǎo) 師 姓 名： 儲(chǔ)忠 完 成 時(shí) 間： 2015-05-30 光電傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用摘 要光電式傳感器（photoelectric transducer），基于光電效應(yīng)的傳感器，在受到可見光照射后即產(chǎn)生光電效，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。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。 關(guān)鍵詞：光電傳感器、光電效應(yīng)、發(fā)展、應(yīng)用實(shí)例1

2、前言 1.1光電式傳感器光電傳感器又稱光傳感器其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如圖1，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1。圖1光電傳感器的電源要是一個(gè)恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測(cè)量的準(zhǔn)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(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具

3、有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)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(duì)紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)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(diǎn)，是很理想的光源。 由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測(cè)時(shí)，還必須配備適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路。測(cè)量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的

4、測(cè)量電路也不相同。下面介紹幾種半導(dǎo)體光電元件常用的測(cè)量電路。 半導(dǎo)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(shí)，可用圖2所示的電路。圖3（a）給出帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饷舳O管橋式測(cè)量電路。當(dāng)入射光強(qiáng)度緩慢變化時(shí)，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(jìn)行補(bǔ)償。圖中一個(gè)光敏二極管做為檢測(cè)元件，另一個(gè)裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對(duì)兩只光敏二極管的影響相同，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(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可以配以放大電路，如圖3所示。圖2 圖3 由于光敏電池即使

5、在強(qiáng)光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級(jí)晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖3（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(shí)承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個(gè)電阻?；蛘呦髨D3（b）所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時(shí)產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖4（c）所示。 半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光敏二極管通過集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度，如圖11（a）所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為時(shí)，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它 圖4的正極要加

6、一個(gè)負(fù)電壓。圖11（b）給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運(yùn)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(diǎn)，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(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

7、被測(cè)物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上，如測(cè)液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計(jì)等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上,再從被測(cè)物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計(jì)和光照度計(jì)等;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)，如振動(dòng)測(cè)量、工件尺寸測(cè)量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)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(hào)，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量等場(chǎng)合。 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

8、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。1.2光電效應(yīng)光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會(huì)克服束縛脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)。光電效應(yīng)又可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)，外光電效應(yīng)由愛因斯坦光電效應(yīng)方程描述： hv=1/2*mv0的平方 式中hv為光子具有能量，h為普朗克常數(shù)，v為光頻率。 m為電子質(zhì)量，v0為電子逸出速度。當(dāng)光子能量等于或大于逸出功時(shí)才能產(chǎn)生外光電效應(yīng)。因此每一種物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)于光電效應(yīng)的光頻極限。2光電傳感器的

9、發(fā)展?fàn)顩r1839年A.E.貝可勒爾發(fā)現(xiàn)當(dāng)光線落在浸沒于電介液中的兩個(gè)金屬電極上，它們之間就產(chǎn)生電勢(shì)，后來稱這種現(xiàn)象為光生伏特效應(yīng)2。1873年W.史密斯和Ch.梅伊發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng)2。1887年H.R.赫茲發(fā)現(xiàn)外光電效應(yīng)2。基于外光電效應(yīng)的光電管和光電倍增管屬真空電子管或離子管器件，曾在5060年代廣泛應(yīng)用，直到目前仍在某些場(chǎng)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(dǎo)探測(cè)器的專利權(quán)3，但半導(dǎo)體光敏元件卻是在60年代以后隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而開始迅速發(fā)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(yīng)用。它們的結(jié)構(gòu)有單晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它們的成分有元素半導(dǎo)體的和

10、化合物半導(dǎo)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。 通過對(duì)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

11、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10。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4。 3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(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)，光電式傳感器可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關(guān)）式光電傳感器；模擬式光電傳感器按被測(cè)量（檢測(cè)目標(biāo)物體）方法又可分為透射（

12、吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻擋）三大類。4光電傳感器的應(yīng)用 4.1光電傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)檢測(cè)距離長(zhǎng)。對(duì)檢測(cè)物體的限制少。響應(yīng)時(shí)間短。分辨率高。能通過高級(jí)設(shè)計(jì)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)?？蓪?shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè)。可無機(jī)械接觸地檢測(cè)物體，因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長(zhǎng)期使用?？蓪?shí)現(xiàn)顏色判別。通過檢測(cè)物體形成的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 而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。便于調(diào)整。在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)

13、行調(diào)整。4.2光電傳感器的應(yīng)用實(shí)例4.2.1測(cè)量工件表面的缺陷5用光電傳感器測(cè)量工件表面缺陷的工作原理如圖1 所示，激光管1 發(fā)出的光束經(jīng)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的表面上，形成寬約0.1mm 的細(xì)長(zhǎng)光帶。光欄5 用于控制光通量。如果工件表面有缺陷( 粗糙、裂紋等) ，則會(huì)引起光束偏轉(zhuǎn)或散射，這些光被硅光電池6 接收，即可轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。4.2.2 測(cè)量轉(zhuǎn)速6如圖2所示為用光電傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的工作原理。在電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射光與不反射光交替出現(xiàn)，光電元件1相應(yīng)地間斷接收光的反射信號(hào)，并輸出間斷的電信號(hào)，再經(jīng)放大器及整形電

14、路2放大整形輸出方波信號(hào)，最后由電子數(shù)字顯示器輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。4.2.3 煙塵濁度連續(xù)檢測(cè)儀7如圖3 所示為吸收式煙塵濁度檢測(cè)儀框圖。白熾平行光源通過煙筒由光檢測(cè)器接收，轉(zhuǎn)換成隨濁度變化的相應(yīng)電信號(hào)，運(yùn)算放大器接收此信號(hào)，當(dāng)運(yùn)算放大器輸出的濁度信號(hào)超出規(guī)定值時(shí)，多諧振蕩器工作，其信號(hào)經(jīng)放大推動(dòng)喇叭發(fā)出報(bào)警信號(hào)。4.2.4 光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表8光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表如圖4 所示，發(fā)光二極管發(fā)出的恒定光調(diào)制成隨時(shí)間變化的調(diào)制光。同樣經(jīng)光電元件1 接收，放大整形電路2 放大整形，輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速可由該脈沖信號(hào)的頻率來決定。4.2.5光學(xué)傳感器陣列在水硬度中的應(yīng)用1西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)控制系的孫廣清設(shè)計(jì)了一

15、個(gè)傳感器用于測(cè)定水的硬度。目前，測(cè)定水中鈣鎂總含量的方法通常用乙二胺四乙酸(EDTA)絡(luò)合滴定法或分光光度法，但是這兩種方法各有缺點(diǎn)，不是費(fèi)時(shí)很難實(shí)時(shí)測(cè)量，就是只能單一測(cè)定，不能簡(jiǎn)便快速地綜合測(cè)定。該傳感器是由激光二極管和光電二極管組成的3通道光學(xué)陣列。所有器件集成在一個(gè)芯片上，每個(gè)芯片上集成三個(gè)如圖2所示的功能單元。圖中E1，S1，R1，MI及數(shù)字均為傳感器芯片引腳標(biāo)號(hào)。 圖5 圖64.2.6 轉(zhuǎn)速測(cè)量11將轉(zhuǎn)速變換成光通量的變化，再經(jīng)過光電元件轉(zhuǎn)換成電量的變化即可得到轉(zhuǎn)速。如下圖 所示。被測(cè)轉(zhuǎn)軸上裝有調(diào)制盤(帶孔或帶齒的圓盤)，調(diào)制盤的一邊設(shè)置光源，另一邊設(shè)置光電元件。調(diào)制盤隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)光

16、線通過小孔或齒縫時(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)量電后經(jīng)放大整形，再送入頻率計(jì)計(jì)數(shù)顯示。如果調(diào)制盤上的孔(或齒)數(shù)為Z，測(cè)量電路計(jì)數(shù)時(shí)間為T秒，被測(cè)轉(zhuǎn)速為n(r/min)，則此時(shí)得到的計(jì)數(shù)值N 為 N nZT/60 其中，ZT一般取60×10m(m0，1，2，3)。 圖74.2.7 包裝充填物高度檢測(cè)11 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，不符合充填高度的成品將不許出廠。如圖6所

17、示為借助光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度的原理。當(dāng)充填高度h 偏差太大時(shí)，光電接頭沒有電信號(hào)，即由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將包裝物品推出進(jìn)行處理。 圖8 5結(jié)論：總之，近年來光電傳感器技術(shù)得到了較大的發(fā)展，同時(shí)也有利地推動(dòng)著各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步。有理由相信：當(dāng)光電傳感器技術(shù)產(chǎn)生較快的發(fā)展時(shí)，必將為信息技術(shù)領(lǐng)域及其他技術(shù)領(lǐng)域的新發(fā)展、新進(jìn)步帶來新的動(dòng)力與活力。參考文獻(xiàn)：1 光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用謝望，天津工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，天津30016 2N ico las R Barbeau. L igh t armoured veh icle reconn aissance and surveillance system

18、 J . SP IE, 1994,2269: 93- 104. 3 D W ulich,N S Kopeika. Image reso lut ion lim its result ing from mechanical vibrat ions J . Opt Eng, 1987, 26 (6) : 529- 533 4 O L in, J Burn. V ibrat ion to lerance in op t ical imagingJ . Op t Eng, 1993, 32 (3) : 527- 535.5 郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，2008；1251486金捷.機(jī)電檢