光电式传感器设计与应用论文.docx

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光电式传感器设计与应用论文

光电式传感器设计与应用论文

光电式传感器

学生所在学院：

测试与光电工程学院

学生姓名：

刘宪爽（150********3）

任课教师：

邬冠华

教师所在学院：

测试与光电工程学院

2015年12月

2015级

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。

而光纤通信与光纤传感技术将在物联网领域发挥重要作用。

光纤具有宽带特性，可将各种传感器复用到一根光纤，进行检测和传输。

由于光纤本身具有电绝缘性好、不受电磁干扰、无火花、能在易燃易爆的环境中，还具有成本低、结构简单、可靠性高等优点，光纤材料用做传感器具有独特的优势。

物联网与光纤传感有相辅相成、相互促进的作用。

各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。

关键词：

传感器光电传感器光纤光栅应用

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,peoplepaymoreandmoreattentiontotheinformationandautomation,intheproductionofdailylearningprocess,itisoftentobeautomatic,automatictransmissionandinordertoachievethese,photoelectricsensorhasplayedanindeliblerole.Aphotosensitivesensorisphysicallybasedonthephotoelectriceffect,namelythephotosensitivematerialselectricalcharacteristicscausedbylightirradiationandchange.Photoelectricdetectionmethodhastheadvantagesofhighprecision,fastresponse,non-contactandotheradvantages,andcanmeasuremanyparameters;thesensorhastheadvantagesofsimplestructure,flexibleanddiverseforms,therefore,thephotoelectricsensorinthedetectionandcontrolinawiderangeofapplications.

Keywords:

sensorphotoelectricsensorprincipleApplication

第一章概述

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。

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

　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。

第二章光电传感器物理特性

2.1外光电效应

2.1.1概念

在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。

向外发射的电子叫做光电子。

基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

2.1.2光子的假设

1887年，赫兹发现光电效应，爱因斯坦第一个成功解释光电效应。

爱因斯坦根据普朗克量子假说而进一步提出的光量子，即光子概念，对光电效应研究做出了决定性的贡献。

爱因斯坦光子假说的核心思想是：

表面上看起来连续的光波是量子化的。

单色光由大量不连续的光子组成。

若单色光频率为n，那么每个光子的能量为E＝hv,动量为

。

　由爱因斯坦光子假说发展成现代光子论（photontheory）的两个基本点是：

（1）光是由一颗一颗的光子组成的光子流。

每个光子的能量为E=hv，动量为

。

由N个光子组成的光子流，能量为Nhv。

（2）光与物质相互作用，即是每个光子与物质中的微观粒子相互作用。

根据能量守恒定律，约束得最不紧的电子在离开金属面时具有最大的初动能，所以对于电子应有：

2.2内光电效应

当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。

根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。

2.2.1光电导效应

光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应（又称为光电效应、光敏效应），即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。

当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。

　　在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。

光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。

2.2.2光生伏特效应

在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。

2.3光电转换器件

（1）光电管

光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。

两者结构相似，如图。

它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。

阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。

阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。

（2）光电倍增管

光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。

如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。

光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。

光电倍增管工作原理：

由光阴极、次阴极（倍增电极）以及阳极三部分组成。

次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105-106倍。

即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。

光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。

因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。

（3）光敏电阻

光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。

优点：

灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。

不足：

需要外部电源，有电流时会发热。

工作原理：

当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。

为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg。

一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。

光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。

如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。

图2.1光敏电阻连接电路图

光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。

而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。

（4）光电池

光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件，又称为太阳能电池。

它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。

它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势，有光线作用时就是电源。

应用:

用于宇航电源、检测和自动控制等。

种类：

硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。

硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接收红外光。

硒光电池光电转换效率低（0.02％）、寿命短，适于接收可见光（响应峰值波长0.56μm），最适宜制造照度计。

砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合,且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。

因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。

（5）光敏二极管

光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。

它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此频率特性好。

光生电势与光电池相同，但输出电流比光电池小，一般为几μA到几十μA。

按材料：

硅、砷化镓、锑化锢光电二极管等多种。

按结构：

同质结与异质结之分。

最典型的是同质结硅光电二极管。

国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型：

2CU和2DU两种系列。

2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。

锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。

光敏二极管结构与一般二极管都有一个P—N结，并且都是单向导电的非线性元件。

为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大，它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接收到光照射。

在无光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，称为暗电流。

此时光敏二极管处于载止状态，只有少数载流子在反向偏压作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流。

当有光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。

光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系，所以适合检测等方面的应用。

第三章光电传感器基础指标

3.1测量原理

传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。

这种传感器把光信号转换成为电信号，它直接检测来自物体的辐射信息，也可以转换其他物理量成为光信号。

其主要的原理是光电效应：

当光照射到物质上的时候，物质上的电效应发生改变，这里的电效应包括电子发射、电导率和电位电流等。

显然，能够容易产生这样效应的器件成为光电式传感器的主要部件，比如说光敏电阻。

这样，我们知道了光电传感器的主要工作流程就是接受相应的光的照射，通过类似光敏电阻这样的器件把光能转化成为电能，然后通过放大和去噪声的处理，就得到了所需要的输出的电信号。

这里的输出电信号和原始的光信号有一定的关系，通常是接近线性的关系，这样计算原始的光信号就不是很复杂了。

其他的物理传感器的原理都可以类比于光电式传感器。

光电二极管（photodiode）又称光敏二极管，它是利用光电效应制成的单PN结光敏器件。

其特点是在没有光照的情况下，反向电阻呈高阻态，一旦有光照射时反向漏电流迅速增大，反向电阻急剧降低。

光电二极管可用于光电式传感器、光电输入机、光电转换自动控制器以及光电读出装置中。

（1）利用万用表检查光电二极管的方法

①用一张黑纸把光电二极管遮盖住，将万用表拨于R×1K档，黑表笔接光电二极管的负极，红表笔接正极时，电阻值应为几百千欧至无穷大。

②把管子放在室内有阳光斜射的地方，同时转动管子，调整光线的入射角，以改变光通量。

可以发现，光电二极管所接收到的光线愈强，管子的反向电阻就愈小，可从几百千欧一直降成几千欧。

（2）注意事项

①测量时光电二极管的极性不得接反，必须加反向偏压。

②在业余条件下也可用2AP系列检波二极管代替光电二极管，用小刀将玻壳表面的黑漆刮掉即可，只是电流灵敏度比光电二极管低。

3.2测量的物理量及其范围

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。

光电传感器的敏感波长在可见光（0．38～0．76um）附近，包括红外线（0．76～1000um）和紫外线波长（0．005～0．4um）。

3.2技术指标、参考价格及生产厂家

光电传感器主要参数：

尺寸；传感模式；传感范围；安装方式；输出；工作模式；工作电压；光源；9、连接方式；封装材料。

特殊功能包括：

可处理高速和/或高温；逻辑控制；可计算机编程；网络兼容性。

1.技术指标

（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）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3.1所示。

（a）输入脉冲光源（b）光电传感器输出信号

图3.1光电传感器对阶跃信号的响应

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3.2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。

图3.2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3.3所示。

图3.3光电传感器的光照特性

（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。

2.参考价格

（1）光电式传感器FS-RI02（12元/个）；

（2）TCRT5000（3.6元/个）；（3）E18-D80NK（17元/个）；（4）ST188（1.49元/个）。

国内外比较著名的生产光电传感器厂家有：

德国di-soric、美国MEAS、上海中沪电子、台湾KFPS、浙江华感电子等。

3.3光电检测的优缺点

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。

其缺点是在某些应用方面，光学器件和电子器件价格较贵，并且对测量的环境要求较高。

但随着薄膜工艺、平面工艺和大规模继承电路技术的发展，产品的成本大为降低。

近年来，新的光电器件不断涌现。

第四章光电传感器的应用

4.1光电传感器优点

光电传感器是采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，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3部分组成。

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，体积小。

近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格产品，在各种轻工自动机上获得广泛的应用。

4.1.1光电式带材跑偏检测器

带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号，主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。

光电式带材跑偏检测器原理如图4.1所示。

光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束，投向透镜2，随后被会聚到光敏电阻上。

在平行光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。

图4.1带材跑偏检测器工作原理

图4.2为测量电路简图。

R1、R2是同型号的光敏电阻。

R1作为测量元件装在带材下方，R2用遮光罩罩住，起温度补偿作用。

当带材处于正确位置（中间位）时，由R1、R2、R3、R4组成的电桥平衡，使放大器输出电压U0为0。

当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻R1阻值减少，电桥失去平衡。

差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。

反之，当带材右偏时，U0为正值。

输出信号U0一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。

图4.2带材跑偏检测器测量电

4.1.2包装充填物高度检测

用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。

图4.3所示为借助光电检测技术控制充填高度的原理。

当充填高度h偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。

图4.3利用光电检测技术控制充填高度

4.1.3光电色质检测

图4.4为包装物料的光电色质检测原理。

若包装物品规定底色为白色，因质量不佳，有的出现泛黄，在产品包装前先由光电检测色质，物品泛黄时就有比较电压差输出，接通电磁阀，由压缩空气将泛黄物品吹出。

图4.4包装物料的光电色质检测原理

4.1.4其他方面的应用

利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴（见图4.5），以及送料机构是否断料（见图4.6）等。

图4.5瓶子灌装检测示意图图4.6送料机构检测示意图

第五章光纤光栅传感器的研制

5.1光纤光栅传感器的背景场合

加拿大通信研究中心早期的光纤是488nm的可见光波长氩离子激光器。

1987年的时候，他们首次从光纤中观察到了光子诱导光栅。

光栅是通过增加或延长光纤中的光照时间而来的。

1989年，第一支布拉格诺波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。

1993年Hill等人提出了位相掩模技术，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，这个技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。

1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。

这一技术使光纤光栅可以大批量、高质量的制作。

通过这么多年的努力，这种光纤摆脱了光纤光栅制作中对锗的依赖，使我们可以用普通的光纤也能制作高质量的光纤光栅。

随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也慢慢的增多。

根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。

其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期（也称光纤光栅的周期）均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅。

经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。

随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高，各种特殊的光栅也渐渐的出现在了我们的生活中，光纤光栅某些应用已经可以达到商用化程度。

应用成果日益的增多，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。

5.2光纤光栅传感器的应用原理

图5.1光纤光栅传感器的应用原理图

光纤传感的原理是通过检测光纤中传输的光波强度、相位、频率（波长）、偏振的变化，感知外界物理量的变化。

光纤传感器可制做成分立的、准连续和分布式的传感测量系统。

可以测量温度、位移、加速度、压力、应变、电场、磁场、转动、气体浓度、流速等各种变量。

光纤光栅技术是利用紫外曝光技术在光纤的芯中引起的折射率的周期性变化而形成的。

光纤光栅中折射率分布是具有周期性的，这导致了某一特定波长光的反射，从而形成光纤光栅的反射谱。

光纤光栅应力传感器是把光纤光栅附着在某一弹性体上，同时进行保护封装。

反射光的波长对温度、应力和应变非常敏感，当弹性体受到压力时时,光纤光栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移的量的度量来对温度、应力和应变进行测量。

5.3光纤光栅传感器的测量电路

光纤光栅传感测量系统分成四个部分组成，第一部分是宽带光源，第二部分是光纤光栅应力传感器，第三部分是基于可调F-P滤波器的波长解调仪，第四部分是计算机及软件分析处理系统。

图中给出等间隔分布多个光纤光栅应力传感器，这些光纤光栅是要串行连接的。

由宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器传输到串接的传感光栅上，经过这些光纤光栅的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射过来，反射光再次经过3dB耦合器由波长解调仪接收，经过波长解调仪对这些波长进行识别，得到一组应力传感信息，当边坡内部的应力发生变化时，通过光栅解调器检测出波长的变化就是应力变化，之后再输入到计算机进行数据分析处理，最后得到边坡受到压力的分布状况，根据监测对象内部的变化情况，判断是是不是会产生塌方，起到报警的作用。

5.4光纤光栅传感器的综合归纳

1.光纤光栅传感器的应用范围很广，主要有一下几个方面

（1）城市建设中桥梁、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。

光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，测试应力松弛、施工应力和动荷载应力，从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。

（2）在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内温度的检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。

例如分布式光纤温度传感器就是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术。

（3）用于易燃易爆物的生产过程与设备的温度测量。

光纤