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光电传感器

湖南生物机电职业技术学院

毕业设计（论文）

课题：

光电传感器

院系：

电子电气工程系

专业：

机电一体化

学生姓名：

班级：

指导老师：

、

装订顺序:

（1）封面

（2）标题、中文摘要及关键词（3）正文（4）附录（5）参考文献

摘要

在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。

由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。

这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。

关键词：

光电元件；光电特性；传感器分类；传感器应用

目录

1引言………………………………………………………………………………5

2光敏电阻…………………………………………………………6

2.1光敏电阻的工作原理………………………………………………………6

2.2光敏电阻的主要参数…………………………………………………7

2.3光敏电阻的基本特性…………………………………………………7

3光敏二极管和光敏晶体管…………………………………………………9

3.1光敏二极管结构原理………………………………………………………9

3.2光敏晶体管结构原理………………………………………………………10

3.3光谱特性光敏二极管和晶体管的基本特性………………………………10

4光电池………………………………………………………………………12

4.1光谱特性光电池…………………………………………………………12

4.2光照特性光电池…………………………………………………………13

4.3温度特性光电……………………………………………………………14

5光电传感器的结构及应用……………………………………………………15

5.1光电传感器的结构…………………………………………………………15

5.2光电传感器的应用…………………………………………………………16

5.2.1火焰探测报警器…………………………………………………17

5.2.2光电式危险探测器………………………………………………17

5.2.3燃气热水器中脉冲点火控制器…………………………………18

5.2.4透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用………………19

6结论……………………………………………………………………………20

参考文献…………………………………………………………………………21

致谢………………………………………………………………………………22

1引言

光电传感器由于非接触、高可靠性等优点，在测量时对变被测物体损害小，

所以自其发明以来就在测量领域有着举足轻重的地位，目前它已广泛应用于测量机械量、热工量、成分量、智能车系统等。

现在它在电力系统自动并网装置中起到了非常重要的作用，因为发电机投入电网运行常采用准同法，必须满足：

三相线序一致，频率一致，相位一致，电压幅值相等，其中的一个条件在系统设计时已经满足，后三个条件必须同时满足才能并网，当然人工并网比较困难，光电并网比较容易。

时代在发展，科学技术在更新，光电传感器种类也日益增多，应用领域也越来越广泛，例如近来一种红外光电传感器已在智能车方面得了到应用，其中一种基于红外传感器的智能车的核心就是反射式红外传感器，它运用反射式红外传感器设计路径检测模块和速度监测模块；另外一种基于红外传感器的自寻迹小车则利用红外传感器来采集数据．

光电传感器具有其他传感器所不能取代优越性，因此它发展前景非常好，应用也会越来越广泛。

2光敏电阻

光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件,它是构成光电式传感器最主要的部件。

光电器件响应快、结构简单、使用方便,而且有较高的可靠性,因此在自动检测、计算机和控制系统中,应用非常广泛。

光电器件工作的物理基础是光电效应。

在光线作用下,物体的电导性能改变的现象称为内光电效应,如光敏电阻等就属于这类光电器件。

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、光电倍增管就属于这类光电器件。

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、光电倍增管就属于这类光电器件。

在光线作用下,能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应,即阻挡层光电效应,如光电池、光敏晶体管等就属于这类光电器件。

光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。

光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。

无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。

一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。

实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。

2.1光敏电阻的结构与工作原理

图2-1为光敏电阻的原理结构。

它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。

为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。

图2-1

2.2光敏电阻的主要参数

（１）暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。

（２）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。

（３）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。

2.3光敏电阻的基本特性

（1）伏安特性在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。

图2-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。

由图可见,光敏电阻在一定的电压范围内,其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关,而与电压、电流无关。

图2-2硫化镉光敏电阻的福安特性

（2）光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性,亦称为光谱响应。

图2-3为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。

对应于不同波长,光敏电阻的灵敏度是不同的。

从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域,常被用作光度量测量（照度计）的探头。

而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区,常用做火焰探测器的探头。

图2-3光敏电阻的光谱特性

（3）温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应,同时,光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变,尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。

图2-4为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。

因此,硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。

对于可见光的光敏电阻,其温度影响要

图2-4硫化铅光敏电阻的光谱特性

3光敏二极管和光敏晶体管

3.1光敏二极管结构原理

光敏二极管的结构与一般二极管相似。

它装在透明玻璃外壳中,其PN结装在管的顶部,可以直接受到光照射（见图3-1）。

光敏二极管在电路中一般是处于反向（图3-2）工作状态,在没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小,这反向电流称为暗电流。

当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。

它们在PN结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。

光的照度越大,光电流越大。

因此光敏二极管在不受光照射时,处于截止状态,受光照射时,处于导通状态。

图3-1光敏二极管简图和符号

图3-2光敏二极管接地法

3.2光敏晶体管结构原理

光敏晶体管与一般晶体管很相似,具有两个PN结,只是它的发射极一边做得很大,以扩大光的照射面积。

图3-3为NPN型光敏晶体管的结构简图和基本电路。

大多数光敏晶体管的基极无引出线,当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时,集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对,从而形成光电流,相当于三极管的基极电流。

由于基极电流的增加,因此集电极电流是光生电流的β倍,所以光敏晶体管有放大作用。

光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅（Si）。

在形态上,有单体型和集合型,集合型是在一块基片上有两个以上光敏二极管,比如在后面讲到的CCD图像传感器中的光电耦合器件,就是由光敏晶体管和其它发光元件组合而成的。

图3-3NPN型光敏晶体管结构图和基本电路

（a）结构简化模型；（b）基本电路

3.3光谱特性光敏二极管和晶体管的基本特性

光谱特性光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图3-4所示。

从曲线可以看出,硅的峰值波长约为0.9μm,,此时灵敏度最大,而当入射光的波长增加或缩短时,相对灵敏度也下降。

一般来讲,锗管的暗电流较大,因此性能较差,故在可见光或探测赤热状态物体时,一般都用硅管。

但对红外光进行探测时,锗管较为适宜。

伏安特性图3-5为硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线。

从图中可见,光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。

图3-4硅光敏晶体管光谱特性

图3-5硅光敏管的伏安特性

（a）硅光敏二极管；（b）硅光敏晶体管

温度特性光敏晶体管的温度特性是指其暗电流及光电流与温度的关系。

光敏晶体管的温度特性曲线如图3-6所示。

从特性曲线可以看出,温度变化对光电流影响很小,而对暗电流影响很大,所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿,否则将会导致输出误差。

图3-6光敏晶体管的温度特性

4光电池

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。

光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源。

光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。

它实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如p型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势。

图4-1为工作原理图。

图4-1光电池工作原理

4.1光谱特性光电池

光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。

图4-1为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。

从图中可知,不同材料的光电池,光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的,硅光电池在0.8μm附近,硒光电池在0.5μm附近。

硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm,而硒光电池的范围只能为0.38~0.75μm。

可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。

图4-1光电池的光谱特性

4.2光照特性光电池

光照特性光电池在不同光照度下,光电流和光生电动势是不同的,它们之间的关系就是光照特性。

图4-2为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。

从图中看出,短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,开路电压（负截电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的,并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。

因此光把电池作为测量元件时,应把它当作电流源的形式来使用,不能用作电压源。

图4-2硅光电池的光照特性

4.3温度特性光电池

温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。

由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移,影响到测量精度或控制精度等重要指标,因此温度特性是光电池的重要特性之一。

光电池的温度特性如图4-3所示。

从图中看出,开路电压随温度升高而下降的速度较快,而短路电流随温度升高而缓慢增加。

由于温度对光电池的工作有很大影响,因此把它作为测量器件应用时,最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。

图4-3硅光电池的温度特性

（1）开路路；

（2）短路

5光电传感器的结构及应用

5.1光电传感器的结构

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图5-1，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.

光电传感器一般由三部分构成，它们分为：

发送器、接收器和检测电路，如图5-2所示，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维，三角反射板是结构牢固的发射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

图5-1

图5-2

5.2光电传感器的应用

5.2.1火焰探测报警器

图5-3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。

图5-3火焰探测报警器电路图

5.2.2光电式危险探测器

光电式纬线探测器是应用于喷气织机上，判断纬线是否断线的一种探测器。

图5-4为光电式纬线探测器原理电路图。

当纬线在喷气作用下前进时，红外发射管VD发出的红外光，

经纬线反射，由光电池接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断。

因此利用光电池的输出信号，通过后续电路放大、脉冲整形等，控制机器正常运转还是关机报警。

由于纬线线径很细，又是摆动着前进，形成光的漫反射，削弱了反射光的强度，而且还伴有背景杂散光，因此要求探纬器具备高的灵敏度和分辨力。

为此，红外发光管VD采用占空比很小的强电流脉冲供电，这样既保证发光管使用寿命，又能在瞬间有强光射出，以

提高检测灵敏度。

一般来说，光电池输出信号比较小，需经放大、脉冲整形以提高分辨力。

图5-4光电式纬线探测器原理电路图

5.2.3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5-5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。

图5-5燃气热水器的高压打火确认电路原理图

5.2.4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，从而产生输出电流，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。

图5-6透射型BYD3M-TDT光电传感器示意图

烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在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。

因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。

本应中应用奥托尼克斯（Autonics）公司的BYD3M-TDT透射式小型光电传感器，其光源（发光器）与接收器不在同一个机壳内，先将发射

器和接收器对准并固定好后才可以通电（12/24V）DC；接着在ON状态设定好发射器的中心位

置，然后左右上下方向调节接收器和发射器的位置；最后检测目标稳定后固定好发射器和接收器。

吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图：

为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气与二氧二碳对光源衰减的影响，选取可见光作光源（400.700nm波长的白炽光）。

光检测器光谱响应范围为400.600nm的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。

为了提高检测灵敏度，采用具有高增闪、高输入阻抗、低零漂、高共模抑制比的运算

放大器，对信号进行放大。

刻度校正被用来进行调零与调满刻度，以保证测试准确性。

显示器可显示浊度瞬时值。

报警电路由多谐振荡器组成，当运算放大器输出浊度信号超过规定时，多谐振荡器工作，输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号。

图5-7吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图

6结论

光电传感器是一种非接触式测小型电子测量设备,依靠检测出其接收到的光强的变化，来达到测量目的，同时它也是一种容易受到外界干扰而失去测量准确度的器件。

所以在设计时除了选择先进光电元件，还必须设置参比信号和温度补偿措施，用来削弱或消除这些因素的影响。

光电传感器必须经过光波调制，光波的调制像无线电波的传送和接收，将收音机调到某台,就可以忽略其他的无线电波信号未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段,使接收器只能接收到发射器发出的光,才能使其能量变得很高.相比之下,经过调制的接收器能忽略周围的光,只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应.未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射,如刚出炉的红热瓶子,在这种应用场合如果使用其它的传感器,可能会有误动作。

光电传感器由于非接触、高可靠性等优点，在测量时对变被测物体损害小，

所以自其发明以来就在测量领域有着举足轻重的地位，目前它已广泛应用于测量机械量、热工量、成分量、智能车系统等。

现在它在电力系统自动并网装置中起到了非常重要的作用，因为发电机投入电网运行常采用准同法，必须满足：

三相线序一致，频率一致，相位一致，电压幅值相等，其中的一个条件在系统设计时已经满足，后三个条件必须同时满足才能并网，当然人工并网比较困难，光电并网比较容易。

光电传感器具有其他传感器所不能取代优越性，因此它发展前景非常好，应用也会越来越广泛．

7参考文献

[1]赵燕《传感器原理及应用》北京大学出版社2010第八章

[2]吴建平《传感器原理及应用》机械工业出版社2009第八章

[3]曹光跃《传感器原理及应用》化学工业出版社2110第九章

[4]强锡富《传感器》机械工业出版社2004第七章

[5]徐科军《传感器与检测技术》电子工业出版社2006第四章

[6]郁有文《传感器原理及工程应用》西安电子科技大学出版社2003第八章

[7]胡向东《传感器与检测技术》机械工业出版社2009第九章

[8]苏家健《自动检测与转换技术》电子工业出版社2009第6章

[9]薛永毅姜余祥何希才《传感器技术及应用》北京航空大学出版社2005第三章

[10]雷玉堂《光电检测技术》中国计量出版社2009第一章第二节

[11]沈聿农《传感器及应用技术》化学工业出版社2011第八章

[12]张岩胡秀芳张济国《传感器应用技术》2006第三章

致谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师周言敏老师的热情关怀和悉心指导。

在我撰写论文的过程中，周老师给了很大的帮助，每次有动态老师都会在邮件里及时的通知我。

同时我每次的邮件询问老师都能及时的给我回复，并认真的指导我如何去写论文。

老师的敬业精神让我知道在以后的人生中要对自己的工作负责。

在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多在工作过程中许多朋友的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。

感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。

最后，再次对关心、帮助我的老师，同学，表示衷心的感谢！