1、光电传感器论文姓名：兰雪梅、唐波班级：电气自动化2班1 引 言光电传感器由于反应速度快, 能实现非接触测量,而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。2 光电传感器光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3 部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电效应是指
2、用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常把光电效应分为3 类：（1 ）在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等；（2 ）在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等；（3 ）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。3 国内外光电传感器的研究现状和发展方向3.1 国内外光电传感器的研究现状由于光电传感器的
3、应用涉及的领域非常广泛，其研究和开发在世界上引起了高度重视，各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。从最初的应用于军事逐渐发展到民事，而且与我们的生活息息相关，应该说现代化的生活离不开光电传感器的参与，如传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等等不胜枚举。美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一，在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括：水下探测、航空监测、核辐射检测等。美国也是最早将光电传感器用于民用领域的国家。如运用光电传感器监测电力系统的电流、温度等重要参数，检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国的邦纳
4、公司拥有世界最健全的光电传感器产品线，超过12 000 种产品包括自含式或放大器分离型，限位开关外型或小型传感器，精密检测或长距离检测传感器，检测距离长达305 m 。并且拥有行业内最齐全的标准光纤和定制光纤产品。大部分产品防护等级达到NEMA 6P 和IP67。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电传感器的研究与开发。20 世纪90 年代，由东芝、日本电气等15 家公司和研究机构，研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器，日本的电器产品以价格适中质量好而响誉全球。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光电传感器的研发和市场竞争。我国对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远。目前，已有
5、上百个单位在这一领域开展工作，主要是在光电温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，有的达到世界先进水平。3.2 光电传感器的发展3.2.1 生产的发展（1 ）使光电传感器从理论研究向生产一条龙的产业化模式快速发展，走自主创新和国际合作相结合的跨越式发展道路，使我国成为世界传感器的生产大国；（2 ）光电传感器产品结构全面、协调、持续发展。产品品种要向高技术、高附加值倾斜，尤其要填补“空白”品种；（3 ）生产格局向专业化发展。即生产传感器门类少而精，且专门生产某一应用领域需要的某一类传感器系列产品，以获得较高的市场占有率，各传感器企业的专业化合作生产
6、；（4 ）光电传感器大生产技术向自动化发展。光电传感器的门类、品种繁多，所用的敏感材料各异，决定了传感器制造技术的多样性和复杂性。纵观当前光电传感器工艺线的概况，多数工艺已实现单机自动化，但距离生产过程全自动化尚存在诸多困难，有待今后广泛采用CAD、CAM及先进的自动化装备和工业机器人予以突破；（5 ）企业的重点技术改造应加强从依赖引进技术向引进技术的消化吸收与自主创新的方向转移；（6 ）企业经营要加快从国内市场为主向国内与国外两个市场相结合的国际化方向跨越发展；（7 ）企业结构将向“大、中、小并举”、“集团化、专业化生产共存”的格局发展。3.2.2 研究的发展方向光电传感及其相关技术的迅速发
7、展，满足了各类控制装置及系统的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，同时光电传感器的重要性不断提高。目前，光电传感器研究的主要方向是：（1 ）多用途。即一种光电传感器不仅能针对一种物理量，而且能够对多种物理量进行同时测量；（2 ）新型传感材料、传感技术等的开发；（3 ）在恶劣条件下（高温、高压等）低成本传感器（连接、安装等）的开发和应用；（4 ）光电传感器与其它微技术结合的微光学技术的发展。4 光电传感器的应用4.1 应用概述用光电元件作敏感元件的光电传感器，其种类繁多，用途广泛。按光电传感器的输出量性质可分为两类：（1 ）把被测量转换成连续变化的光电流而制成的光电测量仪器，可用来测量光的
8、强度以及物体的温度、透光能力、位移及表面状态等物理量。例如：测量光强的照度计，光电高温计，光电比色计和浊度计，预防火灾的光电报警器，构成检查被加工零件的直径、长度、椭圆度及表面粗糙度等自动检测装置和仪器，其敏感元件均用光电元件。半导体光电元件不仅在民用工业领域中得到广泛的应用，在军事上更有它重要的地位。例如用硫化铅光敏电阻可做成红外夜视仪、红外线照相仪及红外线导航系统等；（2 ）把被测量转换成继续变化的光电流。利用光电元件在受光照或无光照射时“ 有“ 或“无“电信号输出的特性制成的各种光电自动装置。光电元件用作开关式光电转换元件。例如电子计算机的光电输入器，开关式温度调节装置及转速测量数字式光
9、电测速仪等。4.2 应用举例4.2.1 测量工件表面的缺陷用光电传感器测量工件表面缺陷的工作原理如图1 所示，激光管1 发出的光束经过透镜2 和3 变为平行光束，再由透镜4 把平行光束聚焦在工件7的表面上，形成宽约0.1mm 的细长光带。光栏5 用于控制光通量。如果工件表面有缺陷( 粗糙、裂纹等) ，则会引起光束偏转或散射，这些光被硅光电池6 接收，即可转换成电信号输出。4.2.2 测量转速如图2所示为用光电传感器测量转速的工作原理。在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色，当电动机转动时，反射光与不反射光交替出现，光电元件1相应地间断接收光的反射信号，并输出间断的电信号，再经放大器及整形电路2放大
10、整形输出方波信号，最后由电子数字显示器输出电机的转速。4.2.3 烟尘浊度连续检测仪如图3 所示为吸收式烟尘浊度检测仪框图。白炽平行光源通过烟筒由光检测器接收，转换成随浊度变化的相应电信号，运算放大器接收此信号，当运算放大器输出的浊度信号超出规定值时，多谐振荡器工作，其信号经放大推动喇叭发出报警信号。5 小结可以预见，随着自动化技术的迅速发展，光电传感器在军用和民用上的应用将越来越广泛，同时也有利地推动其在其他技术领域的发展与进步，有理由相信：当光电传感器技术产生较快的发展时，必将为信息技术领域及其他技术领域的新发展、新进步带来新的动力与活力。一、理论基础光电效应光电效应一般有外光电效应、光导
11、效应、光生伏特效应。光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,A 微电子所做的功。由上式可知，要使
12、光电子逸出阴极表面的必要条件是 hA。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限” 。相应的波长为式中，c 为光速，A 为逸出功。四光电传感器的原理光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（A） ，称为光敏二极
13、管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，-hm21AhcK光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Ice
14、o=（1+）Icbo（很小） ，比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度图1图2图3 光电感烟报警器1、工作原理：光电传感器通常由光源,光学通路和光电元件三部分组成 1 是光源发出的光信号,2 是光电器件接受的光信号,被测量可以是 x1 或者 x2,它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化,从而影响传感器输出的电信号 I.光电传感器设计灵活,形式多样,在越来越多的领域内得到广泛的应用. 这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化,因此
15、,输出的光电流也是连续变化的,并与被测量呈确定的函数关系,这类传感器通常有以下四种形式.1)光源本身是被测物,它发出的光投射到光电元件上,光电元件的输出反映了光源的某些物理参数,这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计.2)恒定光源发射的光通量穿过被测物,其中一部分被吸收,剩余的部分投射到光电元件上,吸收量取决于被测物的某些参数.可用于测量透明度,混浊度.3)恒定光源发射的光通量投射到被测物上,由被测物表面反射后再投射到光电元件上,反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态,因此可用于测量工件表面粗糙度,纸张的白度等.4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡,使投
16、射到光电元件上的光通量减弱,光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置.这种传感器可用于工件尺寸测量,振动测量等场合.2. 光电转换电路由光源,光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时,还必须配备适当的测量电路.测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流.不同的光电元件,所要求的测量电路也不相同.下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路.半导体光敏电阻可以通过较大的电流,所以在一般情况下,无需配备放大器.3、常见光电传感器及应用透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等,以相对的方向装在中间带槽的支架上.当槽内无物体时,发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上,从而产生一定大的电流输出,当有物体经过槽内时则挡住光线,光敏管无输出,以此可识别物体的有无.适用于光电控制,光电计量等电路中,可检测物体的有无,运动方向,转速等方面.防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一.为了消除工业烟尘污染,首先要知道烟尘排放量,因此必须对烟尘源进行监测,自动显示和超标报警.光电传感器的应用光电检测方法具有精度高,非接触等优点, 反应快,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,体积小.4.光电感烟报警器电路图：
