光电传感器应用与发展

HEFEIUNIVERSITY光电传感器应用与发展系别电子信息与电气工程系专业自动化姓名姓名姓名完成时间2011-12-28【摘要】光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，具有反应快、精度高、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领域中应用非常广泛。关键词：光电传感器应用发展趋势引言：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。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，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。光电传感器工作原理与特点：光电传感器的工作原理：光电传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，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。光电效应：光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的连续轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应。电效应又分为外光电效应和内光电效应外光电效应：在光线作用下，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。在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：1）光电导效应：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)光生伏特效应:在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。光电传感器特点：1测距离长。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。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。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。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。6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。光电传感器可检测的量及具体的应用：光电传感器可检测的量：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。如自动门传感、色标检出等。光电传感器的具体应用：在中国大部分高校内，由于图书馆学习环境好，学习资源丰富，许多学生都愿意去学习僧多粥少造成了占座现象猖獗。为了图书馆资源的充分利用，出现许多种解决占座现象的方案，其中一种就是利用光电传感器的方案。将红外线光电传感器（以下简称光电红外传感器）安装在桌子正下方，当该座位上没有同学来坐时，红外光较弱（可忽略），光敏电阻阻值很大，输出电压较小，当这种低电平持续一段时间（如20分钟），放在桌面上的输出信号转换电路将点亮绿灯，提示其他同学，该座位无人，可以使用。当有同学来坐时，输出高电平，红灯亮，表示该座位有人。若同学离15分钟以内仍为红灯亮，表示有人，15分钟以后黄灯亮提示其他同学至多等分钟，没有人来做的话，此座位将视为自动放弃。20分钟后如前所述绿灯亮。系统结构与基本电路：系统结构如图1所示，由光电红外传感器检测电路系统、光电脉冲电路系统、低电平计时系统、显示转换系统。工作原理：在自然界中，任何发热的物体都可产生红外光谱。人类发射的红外线比较强，波长为9.4mm。不同温度的物体，其释放的红外能量的波长与温度的高低是相关的。且红外光不受周围可见光影响。光电红外传感器中的光敏电阻根据光照强弱不同而不同，光照越强，阻值越低，通过测量电阻的电流越大，其两端的电压也越大，即输出电压越大，通过与给定电压相比较，若高于给定电压则输出高电平，否则输出低电平。紧接着判断输出电平的高低，若为高电平则点亮红灯（红色发光二极管）；若为低电平，则开始计时，同时继续点亮红灯，当低电平持续时间达15分钟时，红灯熄灭，黄灯亮；这期间，一旦产生高电平则红灯重新亮起，否则低电平持续时间超过20分钟后，绿灯亮，占座者失去对该座位的使用权，而其他同学可以使用这座位。存在的缺点：这种解决方法也存在缺点：前期投资很大，需要对书桌进行改造，安装光电红外传感器，转换和显示电路，耗时费力。但与金属应变片传感器相比，它的优点也非常突出，金属应变片传感器为直接接触测量，维修量大，同时应变片应安装在椅子上，则信息采集电路与转换显示电路之间需要用较长导线相连，损耗大，桌椅移动不方便。它还有在另外一个缺点：即相邻座位上的人发出的红外线可能会对输出电平高低造成影响，如对面座位的人将腿伸过来，虽然座位上没人，但依然能够接收到一定的红外线光电传感器的发展趋势近年来，由于传感器的应用越来越广泛，人们对传感器的要求也越来越高，未来的光电传感器会向着小型化、智能化和系统化方向发展，其主要技术应该是在现有技术的基础上进行扩展和提高，尤其是在敏感元件和抗干扰技术上。在敏感元件方面，可以在新的材料和新工艺上寻求突破，选择一些复合材料和人工合成材料来制作性能更加优良的传感器从而满足工业要求。在抗干扰方面，可以选择新的补偿和修正技术和开发仿生传感器来提高光电传感器的抗干扰性能。在系统化发展方向上，可以将多传感器融合组成一个光电信息系统，例如利用光电传感器的检测距离长、分辨率高的特点和生物传感器有自动分析处理的功能来应用在负责环境监测或者在身份识别系统上。在我国已经形成了光电传感器研发、生产和应用为一体的结构体系，在光电传感器研发队伍和用户市场方面也具有优势，并且有进一步开拓的空间。不足之处是在传统光电传感器的革新速度较慢，与国外有较大差距，而且在一些特殊环境和特殊行业类所需要专用光电传感器的研究开发较少。参考文献：【1】牛晶杨惠王海鸿光电传感器创新应用[J]科技向导2011年第20期【1】王彦清赵晓震杨欢红外线光电传感器在解决高校图书馆占座问题中的应用[J]科技向导2011年第09期【2】任海萍光电传感器的应用与发展[J]科技风2011年1月【3】徐伟光电传感器的研究与应用[J]科技创新导报2010【4】谢忠志胡慧之光电传感器的应用[J]科技纵横,2009【5】陈苗海侦察监视车及其光电传感器的发展现状[J]激光与红外第35卷第7期2005年7月【6】张国才光电传感器的应用与发展趋势[J]工程技术【7】陈津传感器技术应用综述及发展趋势探讨[J]科技创新导报2008年10期【8】谢望光电传感器技术的新发展及应用[J]仪器仪表用户2005年05期【9】张燕曾光宇光电式传感器的应用与发展[J]科技情报开发与应用2006年13期【10】马西秦自动检测技术（第三版）【M】北京:机械工业出版社2008年9月