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光电传感器的原理与应用资料
专科毕业设计（论文）
设计题目：
光电传感器的原理与应用
系部：
电气工程系
专业：
港口电气自动化
班级：
港电091301
姓名：
林书华学号：
093909130118
指导教师：
王恺职称:
讲师
2012年6月南京
摘要
随着科技的发展，人类越来越注重信息和自动化，在日常的生产学习过程中，人们常常要进行自动筛选、自动传送，而为了实现这些，光电传感发挥了不可磨灭的作用。
光敏传感器的物理基础是光电效应，即光敏材料的电学特性因受到光的照射而发生变化。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
关键词：
传感器光电传感器原理应用
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,peoplepaymoreandmoreattentiontotheinformationandautomation,intheproductionofdailylearningprocess,itisoftentobeautomatic,automatictransmissionandinordertoachievethese,photoelectricsensorhasplayedanindeliblerole.Aphotosensitivesensorisphysicallybasedonthephotoelectriceffect,namelythephotosensitivematerialselectricalcharacteristicscausedbylightirradiationandchange.Photoelectricdetectionmethodhastheadvantagesofhighprecision,fastresponse,non-contactandotheradvantages,andcanmeasuremanyparameters;thesensorhastheadvantagesofsimplestructure,flexibleanddiverseforms,therefore,thephotoelectricsensorinthedetectionandcontrolinawiderangeofapplications.
Keywords:
sensorphotoelectricsensorprincipleApplication
目录
1引言1
2传感器的概述1
2.1定义1
2.2作用1
2.3组成及分类2
2.4发展方向2
3光电传感器3
3.1光电效应的分类3
3.2光电传感器件的组成与分类3
3.3光电传感器件的特性与参数4
4光电原件及其特性6
4.1光敏电阻6
4.2光敏二极管7
4.3光敏三极管8
4.4硅光电池10
5.光电原件的优势11
6.光电传感器的应用12
6.1烟尘浊度监测仪12
6.2光电池在光电检测和自动控制方面的应用12
6.3火焰探测报警器12
6.4燃气热水器中脉冲点火控制器13
6.5CCD图像传感器应用14
结论15
致谢16
参考文献17
1引言
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。
而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况，就需要传感器。
因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
2传感器的概述
传感器是20世纪80年代以来国内外迅速发展起来的一项高新技术产品，它与整机或系统结合起来，可发挥其准确、及时获取并发送信息的作用，从而解决信息处理飞速发展与获取信息大大落后者二者之间的矛盾。
可以说，传感器、通信、计算机技术是信息技术的三大支柱，缺一不可，而其中最关键的一环就是传感测量技术。
2.1定义
借助于检测元件接受一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。
----《自动检测技术第二版》
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
2.2作用
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展，进入了许多新领域：
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。
此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。
显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。
2.3组成及分类
传感器一般由敏感原件、转换原件、转换电路等三部分组成。
传感器的分类
1、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
2、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。
3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：
输出为开关量（“1”和“0”或“开”和“关”）的开关型传感器;输出为模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器。
2.4发展方向
1小型化、一体化、高精度
2集成化、功能化
3发展智能型传感器
3光电传感器
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先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。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。
3.1光电效应的分类
光电效应可以分为三类：
1.在光线作用下，电子从物理表面逸出的物理现象，称为外光电效应。
基于外光电效应的光电原件有光电管和光电倍增管。
2.在光线作用下，物理电阻率发生变化的现象称为内光电效应。
基于内光电效应的光电原件有光敏电阻。
3.在光线作用下，物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。
基于光生伏特效应的光电原件是光电池。
3.2光电传感器件的组成与分类
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
其中光源发出一定强度的光束，该光束沿着光学通路经被测物体后携带被测量的信息，然后由光电元件接收测量的光束。
在检测时，可使光源发出的光的强度发生变化，因而接收光的光电元件的输出电学量也作相应的变化，最后用电学量来表示被测量的大小。
光电传感器的品种繁多、原理各异，通常有以下几种分类方式。
1光电传感器的探测机理
按探测机理的不同光电传感器可以分为光子传感器和热传感器两大类型：
1光子传感器，它是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光电效应，使处理的电学性能发生变化。
利用光电效应制造的传感器称为光子传感器，或光子探测器。
按照光子传感器的工作原理，还可以分为内光电传感器和外光电传感器，其中内光电传感器有：
光敏电阻、光生伏特传感器、光电池、光敏二极管等;外光电传感器又可以分为：
光电导传感器和光电磁传感器，如光电管、光电倍增管等。
2热传感器，它在吸收了红外辐射后，会引起温度的变化，并伴随产生一些物理性能的变化。
测量这些物理性能的变化，就能够确定传感器吸收的红外辐射的能量或者功率。
这类传感器可以分为：
热电堆光传感器、辐射热计传感器、热释电传感器等。
2光电传感器输出信号的性质
按光电传感器输出信号的性质可以分为：
模拟光学传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、固态图像传感器等。
3光电传感器的传输方式
按光电传感器的传输方式可以分为直射式和反射式两类：
1直射式光电传感器需将传感器的受光部位与发光光源对直，以便接受信号；2反射式光电传感器的受光部位前面安装了透镜，使光源的平行光通过透镜后聚焦。
3.3光电传感器件的特性与参数
在选择和使用光电传感器进行光电系统设计的时候，需要考虑光电传感器的特性和相关的参数。
一般情况下，光电传感器有以下特性。
1灵敏度
光电传感器对单色辐射光通量的响应称为光谱灵敏度，反映了光电传感器对单色辐射光的相应能力，即
光电传感器对连续辐射光通量的响应称为积分灵敏度，反映了光电传感器的输出电压（电流）与入射的总的辐射光通量之比，即
式中，
和
分别为光电传感器的电压灵敏度和电流灵敏度。
测量光电传感器灵敏度的光源选用500K的黑体。
由于不同的辐射源或不同温度的同一辐射源发射的光谱辐射光通量的分布也不相同，所以，光电传感器的积分灵敏度是根据标准辐射源的辐射测定的。
光谱灵敏度R（λ）随波长而变化的关系称为光谱效应。
光谱灵敏度与最大光谱灵敏度之比称为相对光谱灵敏度，由于相对光谱灵敏度比较容易测量，常用相对光谱灵敏度来表示。
即以最大光谱灵敏度为基准来表示各波长的响应，以峰值响应的50%之间的波长范围定义为光电传感器的光谱响应宽度。
2脉冲响应特性
光电传感器对阶跃光信号的响应，从稳态值的10%上升到90%所需要的时间称为上升时间，用
表示，从稳态值的90%下降到10%所需要的时间称为下降时间，用
表示，如图1-1所示。
光电传感器的脉冲时间响应特性反映了响应时间的快慢。
3频率响应特性
光电传感器的输出电压（电流）的振幅或相对光谱灵敏度随入射光辐射通量的调制频率而变化的关系称为频率响应特性。
图1-2所示为硫化铅、硫化铊材料制造的光电传感器的频率响应特性。
4光照特性
光电传感器的积分灵敏度或光谱灵敏度与入射光辐射通量的关系称为光照特性，如图1-3所示。
5光谱特性
光电传感器的相对光谱灵敏度与入射光线波长的关系称为光谱特性，该特性反映了一定波长的辐射源只适应特定的光电传感器。
6温度特性
温度特性是指在一定的温度范围内，环境温度对光电传感器的灵敏度、暗电流、光电流的影响，通常由温度系数表示。
温度系数表示在给定的温度范围内，温度变化1时，光电流的相对平均增量或灵敏度的变化。
7伏安特性
在入射光谱不变的情况下，光电传感器的电流与电压之间的关系称为伏安特性。
8量子效率
量子效率是指在一定的波长下，单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比，它反映了光电器件的光电转换能力。
4光电原件及其特性
4.1光敏电阻
1光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
2光敏电阻的伏安特性测量
图1光敏电阻伏安特性测试电路
（1）按原理图1连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。
（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，即,同时算出此时光敏电阻的阻值。
以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行5～6次不同光强实验数据测量。
（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线。
46.8
315.7
1099
2688.9
5436.7
2
0.056
0.203
0.404
0.614
0.810
4
0.113
0.412
0.830
1.251
1.643
6
0.174
0.621
1.245
1.874
2.457
8
0.232
0.831
1.670
2.505
3.281
10
0.290
1.040
2.088
3.139
4.103
由图可知，在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。
4.2光敏二极管
1光敏二极管也叫光电二极管。
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。
这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。
因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
2光敏二极管的伏安特性测量
图2光敏二极管特性测试电路
（1）按原理图2接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。
（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其中光电流：
（l.00KΩ为取样电阻R），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。
（3）根据实验数据画出光敏二极管的一组伏安特性曲线。
16.2
109.4
380.8
931.7
1883.8
2
0.009
0.027
0.058
0.102
0.161
4
0.009
0.028
0.059
0.104
0.165
6
0.009
0.029
0.060
0.107
0.170
8
0.009
0.030
0.061
0.110
0.174
10
0.009
1.031
0.062
0.113
0.179
12
0.009
1.032
0.063
0.117
0.183
由图可知，光电二极管的在一定光强下，其光电流保持一定值，并不随光电压得增大而增大。
4.3光敏三极管
1光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。
通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。
当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。
不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。
2光敏三极管的伏安特性测量
图3光敏三极管特性测试实验
（1）按原理图3接好实验线路，将光敏三极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。
（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定光照条件下，测出加在光敏三极管的偏置电压UCE与产生的光电流IC的关系数据。
其中光电流（l.00KΩ为取样电阻R）。
（3）根据实验数据画出光敏三极管的一组伏安特性曲线。
16.2
109.4
380.8
931.7
1883.8
2
0.101
0.205
0.814
2.248
4.560
4
0.114
0.311
1.102
2.825
5.469
6
0.125
0.426
1．367
3.403
6.733
8
0.138
0.540
1.504
4.017
7.965
10
0.150
0.650
1.740
4.605
9.236
12
0.161
0.753
1.976
5.213
10.514
由图可知，在较弱光强下，光明三极管的光电流并不随光电压变化，随着光强的增大，其光电流在一定范围内随着电压的增大二增大，而后保持一定值不变。
4.4硅光电池
1硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。
它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯（PN结）受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。
硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。
2硅光电池的伏安特性测量
图4硅光电池特性测试电路
（1）实验线路见图4，电阻箱调到0Ω。
（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出硅光电池的开路电压Uoc和短路电流IS，其中短路电流为（取样电阻R为10.00Ω），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。
（3）根据实验数据画出硅光电池的光照特性曲线。
光强566.1Lx
R（Ω）
47
141
470
1000
USC（V）
0.173
0.136
0.103
0.052
UR（V）
0.024
0.107
0.430
0.913
由图可知，在光强一定时，硅光电池的光电流随着光电压的增大先保持不变，后逐渐减小，且减小速度越来越快。
5.光电原件的优势
①检测距离长
如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。
②对检测物体的限制少
由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。
③响应时间短
光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。
④分辨率高
能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。
也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。
⑤可实现非接触的检测
可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。
因此，传感器能长期使用。
⑥可实现颜色判别
通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。
利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。
⑦便于调整
在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。
6.光电传感器的应用
6.1烟尘浊度监测仪
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。
烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。
如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。
6.2光电池在光电检测和自动控制方面的应用
光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。
由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。
6.3火焰探测报警器
图8-23是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。
硫化铅光敏电阻的暗电阻为1MΩ，亮电阻为0.2MΩ（光照度0.01W/m2下测试的），峰值响应波长为2.2μm。
硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6μΑ。
V2管集电极电阻两端并联68μF的电容，可以抑制100Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。
V2、V3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。
采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定地工作。
6.4燃气热水器中脉冲点火控制器
由于煤气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点火控制器的要求是安全、稳定、可靠。
为此电路中有这样一个功能，即打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀门关闭，这样就保证使用燃气器具的安全性。
图8-25为燃气热水器中的高压打火确认电路原理图。
在高压打火时，火花电压可达一万多伏，这个脉冲高电压对电路工作影响极大，为了使电路正常工作，采用光电耦合器VB进行电平隔离，大大增强了电路抗干扰能力。
当高压打火针对打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光，耦合器中的光敏三极管导通，经V1、V2、V3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。
若高压打火针与打火确认针之间不放电，则光电耦合器不工作，V1等不导通，燃气阀门关闭。
燃气热水器的高压打火确认电路原理图
6.5CCD图像传感器应用
CCD图像传感器在许多领域内获得广泛的应用。
前面介绍的电荷耦合器件（CCD）具有将光像转换为电荷分布，以及电荷的存储和转移等功能，所以它是构成CCD固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。
CCD图像传感器具有高分辨力和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。
CCD图像传感器在检测物体的位置、工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处。
下面是一个利用CCD图像传感器进行工件尺寸检测的例子。
图8-26为应用线型CCD图像传感器测量
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