光电式传感器的应用与发展.docx

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光电式传感器的应用与发展

光电式传感器的应用与发展

系　　　别电子信息与电气工程系

专业自动化

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光电式传感器的应用与发展

合肥学院电子信息与电气工程系自动化专业

（1）班姓名学号

摘　要：

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。

关键词：

光电式传感器；应用；发展【1】

正文：

一、物理特性

1.1外光电效应

光子假设

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：

1.2内光电效应

光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。

其工作原理是基于一些物质的光电效应。

在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应。

属于内光电效应的光电转换元件有光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管等。

1.3光生伏特效应

当具有一定能量E的光子投射到某些物质的表面时，具有辐射能量的微粒将透过受光的表面层，赋予这些物质的电子以附加能量，或者改变物质的电阻大小，或者使其产生电动势，导致与其相连接的闭合回路中电流的变化，从而实现了光—电转换过程。

二、基本原理

由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件（光学测控系统）输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法可分为透射（吸收）式,漫反射式,遮光式（光束阻档）三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关。

【2】

三、光电传感器分类

1）槽开光电开关把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。

发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。

但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。

输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。

槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

2）对射式光电开光若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。

由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。

它的检测距离可达几米乃至几十米。

使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

3）反光板反射式光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。

正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

4）扩散反射式光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。

正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。

5）光纤式光电开关把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。

按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。

四、光电转换元件

光电转换元件的种类很多，常用的元件有光电管，光敏电阻，光电池等。

限于篇幅这里我们着重讲解光电管的有关特性。

1.光电管

光电管的特性主要取决于光电极的材料，其基本的特性是光谱特性，光电特性和伏安特性。

①光谱特性

用单位辐射通量不同波长的光分别照射光电管，在光电管上产生大小不同的光电流。

这里，光电流I与光波波长λ的关系曲线称为光谱特性曲线，又称频谱特性。

对于不同波长区域的光，应选用不同光电阴极的光电管。

此外在测量与控制技术中，光电管可以担负人眼不能胜任的工作。

②光电特性

光电管在固定阳极电压下，光通量与光电流（阳极电流）之间的关系称为光电特性。

图4—34为光电管的光电特性曲线。

从图4—34可知，光电管的光电特性基本上呈线性关系，直线的斜率为其灵敏度。

③伏安特性

光电管在光通量一定的情况下，阳极电压与阳极电流的关系称为伏安特性。

图4—35为光电管的伏安特性曲线。

在阳极电压大于50V时，光电流开始饱和，阳极电流近于常数，而与电压无关。

真空光电管一般工作于伏安特性的饱和部分，内阻达几百兆欧。

【3】

五、光电传感器的特点

1.光电传感器元件的应用特点

1）光敏电阻。

输出电流大、受温度的影响小、抗干扰能力强、可靠性高，器件本身不容易发生故障，但响应时间慢。

2）光电二极管和光电三极管。

灵敏度高、响应时间快，但受温度影响比较大、受光面小、方向性强、抗干扰能力弱。

不同型号的管子对光谱响应差异大。

3）光电池。

受光面积大、输出电流小、灵敏度高、响应速度快、光谱比较宽、受温度影响小、抗干扰能力强。

2.光电传感器的应用特点

1）检测距离长。

如对射型保留大于十米的检测距离，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法检测的对象。

2）检测物体种类多。

由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，不仅对金属，而且对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体都能进行检测。

3）响应时间短。

光速高、且传感器的电路都由电子元件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。

4）分辨率高。

通过设计技术使投光的光束集中在小光点，或通过构成特殊受光的光学系统实现高分辨率，可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

5）非接触检测。

可非机械性接触检测物体，不会对检测物体和传感器造成损伤，传感器能长期使用。

6）颜色判别。

通过检测物体形成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的差异。

对检测物体的颜色进行检测。

7）易于调整。

在投射可视光的类型中，投光的光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。

六、光电传感器的应用

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。

2）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1带材跑偏检测器工作原理

图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2带材跑偏检测器测量电路

3）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3利用光电检测技术控制充填高度

4）光电色质检测

图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包装物料的光电色质检测原理

5）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。

【4】

6）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7），以及送料机构是否断料（见图8）等。

图7瓶子灌装检测示意图图8送料机构检测示意图

此外，利用反射式光电传感器可以检测布料的有无和宽度（见图9）。

利用遮挡式光电传感器检测布料的下垂度，其结果可用于调整布料在传送中的张力，利用安装在框架上的反射式光电传感器可以发现漏装产品的空箱，并利用油缸将空箱推出。

七、光电传感器的发展趋势

近年来，由于传感器的广泛应用以及在日常生活中所起的越来越重要的作用，人们对传感器提出越来越高的要求。

21世纪初期（2010前后）。

敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、多功能化、智能化、系统化。

传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高。

并加速新一代传感器的开发和产业化。

纵观几十年传感技术领域的发展，不外乎分为两个方面：

一是提高与改善传感器的技术性能；二是寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。

1.传感器改善性能的途径

一般常采用下列技术途径：

差动技术，平均技术，补偿和修正技术，屏蔽、隔离与干扰抑制，稳定性处理。

2.传感器的发展动向

1）开发新型传感器，包括①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器等诸方面。

2）开发新材料，其主要趋势有以下几个方面：

①从单晶体到多晶体、非晶体；②从单一型材料到复合材料；③原子（分子）型材料的人工合成。

由复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。

山半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料。

3）智能材料，是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等参数。

研制出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料性能的人造材料。

4）新工艺的采用。

新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的维系加工技术。

5）集成化、多功能化与智能化。

【5】

八、总述

光电式传感器它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。

光电测量时不与被测对象直接接触,光束的质量又近似为零,在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。

因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器有明显的优越性。

通过对光电效应和器件原理的研究已发展了多种光电器件（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等），适用于不同的场合。

光电式传感器的制造工艺也随薄膜工艺、平面工艺和大规模集成电路技术的发展而达到很高的水平，并使产品的成本大为降低。

被称为新一代摄像器件的聚焦平面集成光敏阵列正在取代传统的扫描摄像系统。

光电式传感器的最新发展方向是采用有机化学汽相沉积、分子束外延、单分子膜生长等新技术和异质结等新工艺。

光电式传感器的应用领域已扩大到纺织、造纸、印刷、医疗、环境保护等领域。

在红外探测、辐射测量、光纤通信，自动控制等传统应用领域的研究也有新发展。

例如，硅光电二极管自校准技术的提出为光辐射的绝对测量提供了一种很有前途的新方法。

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。

、

近年来，随着光电科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，光电式传感器技术飞速发展；随着技术的进一步完善，随着人们对现代科技认识的不断深入，光电式传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。

参考文献：

（1）传感器与检测技术论文江苏技术师范学院

（2）齐丕智等编著：

《光敏器件及其应用》，科学出版社，北京，1987

（3）马西秦<<自动检测技术》机械工业出版社2008.9

（4）光电传感器在自动化生产线上的应用朱伟韩服善（淮海工学院东港学院计算机系,江苏省连云港市222069）

（5）光电传感器的应用与发展趋势山西经济管理干部学院计算机系中北大学在读硕士张国才