传感器解析.pdf

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1、光电传感器的应用及发展趋势 1、光电传感器的应用背景 信息革命的两大重要支柱是信息的采集和处理，而信息采集的关键是传感器， 传感器技术 已成为现代信息技术的重要组成部分，在当代科学技术中占有十分重要的地位。传感器是将感 受的物理量、 化学量等信息， 按一定规律转换成便于测量和传输信号的装置。电信号易于传输 和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。传感器感受一种量并把 它转换成另一种量，这种转换也可以看成是能量的转换， 因此在某些领域如生物医学工程等中， 也被称为换能器。 光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏器件。它可用于检测直接引起光强变化的非 电量，也可用来检测能转

2、换成光量变化的其他非电量。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、质量小、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为两大方向：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 13。 2、光电传感器的工作原理及分类 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，一般由光源、 光学通路、 光电元件等 3 个部分组成。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

3、电元件进一步将光信号转换成电信号。光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一 连串带有一定能量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1 个光子 的全部能量一次性地被1 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：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；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；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。 2.1 光电传感器的工作原理 图 2.1 光电传感器原理框图 光电传感器的工作原理是： 首先把被测量的变化转换成光

4、信号的变化，然后通过光电转换 元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应，原理框图见图2.1。 2.2 光电传感器的分类 光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、发光二极管（LED） 、光电倍增管、光 电池、光电耦合器件等。 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，光电传感器可分二类，即模拟式光电传感器和 脉冲(开关)式光电传感器；模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体 )方法又可分为透射 (吸收) 式、漫反射式、遮光式 (光束阻档 )三大类。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，且可测参数多，传感器的结

5、构简单， 样式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛 49。 3、光电传感器的结构特点 光电传感器是一种能进行非接触检测的传感器，其具有检测范围广，检测距离远的优点。 其最大检测距离往往和被检物的尺寸、形状、颜色及表面状态有关。对环境条件要求不严格， 如高温区域：被检物半透明时均能正确检测，但不适宜用在潮湿结露或灰尘很大的场合。 光电传感器一般由发射头 (光源)和接收头两部分组成。它们可以相对独立安装，也可以安 装于同一侧，其安装形式主要由被检测对象和检测环境决定。检测方式可分为对射式、 反射式、 偏振式、镜面式、漫反射式、 会聚式和光幕式等。 如何选择检测方式应主要考虑以下几

6、点因素: （1）检测距离； （2）被检物的尺寸； （3）被检物的反光情况如何，如深色物体的反光能力弱； （4）被检物是否处于振动场合； （5）被检物与背景的色差如何； （6）周围环境光强如何，例如是否存在自然光或人工照明； （7）检测线路上是否有灰尘，灰尘会大大减小光电传感器的检测距离； （1）对射式 对射式光电传感器是一种最常见的非接触检测方式，其发射头与接收头相对安装， 光轴必 须保持在同一条直线上， 当被检物不透光时， 接收头可以检测到光强发生变化，被检物尺寸应 不小于接收头直径的50%，对于很小的物体， 检测时应使用特殊的镜头或遮盖一部分镜头。对 射式的检测距离远， 尤其是在环境中灰尘

7、、 杂物较多的场合其优势更明显，最大检测距离可达 30 米左右。 （2）反射式 反射式光电传感器的发射头和接收头安装于同一侧，在另一侧安装一反射板， 当检测物遮 挡了光线使接收头的光强发生变化时，输出信号即跟随变化。 反射式光电传感器允许反射光线 有一定的角度变化， 但是角度应小于15检测距离一般不超过10 米，适用于高振动的场合， 但 不适合检测透明和半透明的物体。 （3）偏振式 偏振式光电传感器的接收头只检测三棱镜的反射光或某些对偏振敏感的反射片所反射的 光线：发射头和接收头安装在同一侧，发射光经过特殊的滤光片后，光线只沿一平面传播，如 图 3.1 所示。 图 3.1 偏振式光电传感器 此

8、种检测方式， 接收头只检测来自反光器的反射光线，而对于来自包装物的反光， 铝罐和 发光包装皮以及某些反射物的反光不敏感，可以减少误检测。 （4）镜面式 镜面式光电传感器的发射头和接收头安装时与反射面保持同一角度，以保证入射角与反射 角相同，和镜面反射很相似， 镜面式光电传感器适合于检测反射面是否有破损的部分，可以检 查印刷品是否有破洞等。 （5）漫反射式 漫反射式光电传感器的发射头和接收头安装于同一侧，接收头只需很少量的反射光线就能 检测到物体。漫反射式光电传感器适合于检测物体表面的色标（如商标或记号等），例如检测 某些需要喷漆的位置， 或者检测物品上的标签等， 但在使用时需注意， 色标和背景

9、之间的色差 越大越好， 最好是白底黑字， 目前某些生产厂家生产的光电传感器的发射光线是可选的（例如 红外线、可见光等），便于用户根据需要选择。 （6）会聚式 会聚式光电传感器只检测和接收头处于某一固定距离的物体，如图3.2 所示。 图 3.2 汇聚式光电传感器 当物体处于接收头的焦点位置时，接收头才能检测出来。也就是说接收头有很大的盲区， 对于焦点以外的物体不作检测“这样有利于检测很细的线、瓶盖、透明液体的液位等，还可以 检测条形码， 对于透明和半透明物体也可以进行检测。如在检测传送带上的物体时，使用会聚 式光电传感器可以避免误检测到传送带或者其他物体。 （7）光幕式 光幕式光电传感器是一种区

10、域传感器，它依靠物体遮光原理，由发射器的红外LED 发送 短光脉冲， 形成光幕， 接收二极管逐一接收多条红外线光束，发射器的光束与接收器的光束有 一一对应的关系。当被检物进人检测范围挡住至少一束光束时，接收器的控制器就发出信号， 达到检测物体的目的。光幕传感器可用于跳动物体的纵向位置检测，如图3.3 所示。更适用于 保护操作危险机床的人员的手指、脚跺及全身， 光束的密度决定了被保护身体部分的大小；也 可将多个光幕和反射镜形成光阵，对较大的危险禁区进行安全监测。光幕式光电传感器检测距 离可达 1 米，特殊订货可达更远的距离。 图 3.3 光幕传感器检测带材位置 多数安全光幕具有抑制功能， 抑制又

11、分为固定抑制和浮动抑制功能，配合自动化或半自动 化设备，更具有灵活性。固定抑制是当有某种固定尺寸的物体长期处于光幕有效检测范围时， 光幕应自动抑制该区域内的检测功能，使其能顺利的通过。 浮动抑制功能是在光幕检测范围有 物体做上下运动， 则光幕自动抑制该区域内的检测功能，还有的安全光幕具有自学习功能，对 生产中正常的人工送料和卸料等动作进行自学习后，即能对生产过程进行很好的判断，避免误 检测造成生产的不连续。 （8）激光扫描器 激光扫描器是将激光发射器和接收器集成在一体的光电传感器，它是利用激光测距的原理 进行工作的。激光扫描器可生成连续的集束光脉冲， 并通过旋转反射器头散射到整个工作区域。 当

12、发射器发射出红外激光束触碰到人或者物体时，通过分析反射的光脉冲与发射光束的响应时 间差，计算出障碍物与激光器之间的准确距离。如果发现异常情况， 激光扫描器会立即停止机 器运转。激光扫描器能对角度为190 和距离通常为 4 米的工作现场进行停车保护， 并对一定距 离的范围内存在的危险进行报警（不停车）。激光扫描器不仅能对固定的场所进行安全保护， 还能对移动的场所保护，例如自动导航车辆及移动的设备等，见图3.4。 激光扫描器危险区域和报警区域的形状可以使用专用的组态软件进行设定，用户只需简单 的坐标设定，而无需复杂的绘图就能实现 1013。 图 3.4 激光扫描器 4、光电传感器应用举例 光电检测

13、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，光电式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的产品，它在机电控制、计算机、国防科技 等方面的应用都非常广泛。下面就介绍几种常见光电式传感器的应用实例。 4.1 透射式光电传感器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，以此可判断物体的存在与否。

14、 用于光电控制、 光电计量等电路中，可检测物体的存在、运动方向、转速等。 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通过光在烟道传 输过程中的变化来检测的。如果烟道浊度增加,光源发出的光被烟尘颗粒吸收和折射后，到达 检测器的光量减少 ,因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。 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；接着在 “ON ” 状态设

15、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。图4.1 是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图。 图 4.1 吸收式烟尘浊度监测系统组成框图 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CO2 对光源衰 减的影响 ,选取可见光作光源(400nm700nm 波长的白炽光),光检测器选光谱响应范围为 400nm600nm 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 益、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 调零余调满刻度 ,以保证测试的准确性。显示器可

16、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值时,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。 4.2 光电池的应用 光电池至今有两大类型的应用： 一类是将光电池作为光伏器件使用，利用光伏作用直接将 太阳能转换成电能，即太阳能电池。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳能电池 地面发射站、 日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳能电池发电成本尚不能与常规能 源竞争，但是随着太阳能电池技术不断发展，成本会逐渐下降，定会获得更广泛的应用。另一 类是将光电池作为光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、 响应时间短等特性。 这一类 光电池需要特

17、殊的工艺制造，主要用于光电监测和自动控制系统中。 4.2.1 太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、 调节控制和阻塞二极管组成，如果还 需要向交流负载供电，则要加一个直流交流变换器，见图4.2。 图 4.2 太阳电池电源系统方框图 4.2.2 光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池用于光电探测时， 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完 全不同。由于光电池工作时不需要外加偏压，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、光点耦合、光栅测距、激光准值、电影还音、紫外光监视 器和燃气轮机的熄火保护装置等。 4.3 光电

18、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 理见图 4.3。 图 4.3 带材跑偏检测器工作原理 光源发出的光线经过透镜1 汇聚为平行光束，投向透镜2，随后被汇聚到光敏电阻上。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。 4.4 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。主要技术指标如下：仪

19、器的分辨率为 0.1m ；量程达 100m；示值误差， 5%。借助光电检测技术控制充填高度，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。利用 光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计，对装配器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、商标是否漏贴以及送料机构是否断料等 14 。 5、光电传感器发展趋势分析 5.1 国内外光电传感器的研究现状 由于光电传感器的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

20、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。 美国的邦纳公司拥有世界最健全的光电传感器产品线， 超过 12000 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

21、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

22、的达到世界先进水平。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现 在商品化和产业化方面， 大多数品种仍处于实验研制阶段， 还无法投入批量生产和工程化应用。 5.2 光电传感器的发展方向 随着测控系统自动化、智能化的发展，可靠性高、稳定性好，要求传感器准确度高，并能 够自检、自校、自补偿，而且具备一定的数据处理能力，传统的光电传感器已不能满足这样的 要求了。目前各国科学家正在按下列技术途径开发研究。 （1）新材料的开发应用 新材料的升发应用主要有以下几个方面： a）光电子基础材料、生长源和关键设备 目标：突破新型生长源关键制备技术，掌握相关的检测技术； 突破半导体光电子器件的基 础材

23、料制备技术，实现产业化。研究内容及主要指标：高纯四氯化硅(4N)的纯化技术和规模化 生产技术；高纯 (6N)三甲基锢规模化生产技术；可协变(Comphant)衬底关键技术二衬底材料制 备与加工技术；用于平板显示的光电子基础材料与关键设备技术。 b）人工晶体和全固态激光器技术 目标：研究探索新型人工晶体材料与应用技术，突破人工晶体的产业化关键技术，研制大 功率全固态激光器， 解决产业化关键技术问题。 研究内容及主要指标： 新型深紫外非线性光学 晶体材料和全固态激光器； 面向光子、 声子应用的人工微结构晶体材料与器件；研究开发瓦级 红、蓝全固态激光器产业化技术，高损伤闽值光学镀膜关键技术(B 类)

24、，基于全固态激光器的 全色显示技术；研究开发大功率半导体激光器阵列光纤藕合模块产业化技术；Yb 系列激光晶 体技术。 c）新型半导体材料与光电子器件技术 目标：重点研究自组装半导体量子点、ZnO 晶体和低维量子结构、 窄禁带氮化物等新型半 导体材料及光电子器件技术。 研究内容及主要指标： 研究低维量子结构材料技术，研制短波长 光电子器件；自组装量子点激光器技术；光泵浦外腔式面发射半导体激光器。 d）光电子材料与器件产业化质量控制技术 目标：发展人工晶体与全固态激光器、GaN 基材料及器件表征评价技术，解决产业化质 量控制关键技术。研究内容：重点研究人工晶体与全固态激光器、GaN 基材料及器件质

25、量监 测新方法与新技术，相关产品测试条件与数据标准化研究。 e）光电子材料与器件的微观结构设计与性能预测研究 目标：提出光电子新材料、新器件的构思，为原始创新提供理论概念与设计。研究内容： 针对光电子技术的发展需求，结合本主题的研制任务，采用建立分析模型、进行计算机模拟， 在不同尺度 (从原子、分子到纳米、介观及宏观)范围内，阐明材料性能与微观结构的关系，以 利性能、结构及工艺的优化。解释材料制备实验中的新现象和问题，预测新结构、新性能，预 报新效应，以利材料研制的创新。低维量子结构材料新型表征评价技术和设备。 （2）利用新的加工技术 a）超高亮度全色显示材料与器件应用技术 目标:研究开发用于

26、场致电子发射平板显示器(FED)材料和器件结构， 以及超高亮度冷阴极 发光管制作和应用的关键技术。说明：等离子体平板显示器和高亮度、长寿命有机发光器件 (OLED)和 FED 的产业化关键技术将于“平板显示专项中考虑。研究内容：超高亮度冷阴极发 光管制作和应用的关键技术； 研制 FED 用的、能够在低电压下工作的新型冷阴极电子源结构、 新型冷阴极电子发射材料。 b）超高密度光存储材料与器件技术 目标：发展具有自主知识产权的超高密度、大容量、高速度光存储材料和技术，达到国际 先进水平，为发展超高密度光存储产业打下基础。研究内容：DVD 光头用光源和非球面透镜 等产业化关键技术； 新型近场光存储材

27、料和器件。 c）新型有机光电子材料及器件 目标：研究开发新型有机半导体材料及其在光显示等领域的应用。研究内容： 有机非线性 光学材料及其在全光光毋关中的应用；有机半导体薄膜晶体管材料与器件技术。 （3）利用新的测量原理和方法 谐振式传感器输出的数字量，可以直接和微机及接口总线连接，不用A 心转换器。另外， 光纤传感器、化学传感器、生物传感器等新型传感器，为智能传感器提供了新的信息来源。 （4）光电传感器的智能化发展 智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点、尚无统一的、 确切的定义。 目前国内外学 者普遍认为，智能光电传感器是由传统的光电传感器和微处理器(或微计算机 )相结合而构成 的，它充分

28、利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理， 并能对它的内部行为进 行调节，使采集的数据最佳。 智能光电传感器的功能有：自补偿能力，自校准功能，自诊断功能，数值处理功能，双向 通信功能，信息存储和记忆功能，数字量输出功能。随着科学技术的发展，智能传感器的功能 将逐步增强，它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊 理论等 )，使传感器具有更高级的智能。具有分析、判断、自适应、自学习的功能、可以完成 图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务 15,16。 参考文献 1 栾桂林，张金铎，金欢阳 .传感器及其应用 M . 西安：西安电子科技大学出版社， 2002:

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