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傳感器原理及工程應(yīng)用 課程論文 題目： 光電傳感器的應(yīng)用 學(xué)院： XXXXXXXXX學(xué)院 專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)號： XXXXXXX 姓名： XXX 成績： 光電傳感器的應(yīng)用 XX XXXXXXXXXXXXX電子系 摘要：與傳統(tǒng)傳感器相比，光電傳感器利用光電原件作為檢測元件，具有非接觸、反應(yīng)快、可測參數(shù)多、精度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，而在相關(guān)行業(yè)、領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的研究不斷深入，新型光電傳感器在性能、質(zhì)量價格等方面更具有優(yōu)勢，本文僅就光電傳感器原理，其類別與其發(fā)展等問題做探討。 關(guān)鍵詞：光電傳感器 原理 分類 應(yīng)用與發(fā)展 0引言 新技術(shù)革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。 如今，傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 1光電傳感器的原理 光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光電傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即光敏材料的電學(xué)特性因受到光的照射而發(fā)生變化。光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很?。ǎ糀），稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很?。?，比一般三極管的穿透電流還小；當有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+β）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。 總的來說光電傳感器就是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如下圖，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學(xué)通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛. 光源 測量器 光信號 光學(xué) 系統(tǒng) 光電 元件 電參考 信號 電子測 量電路 可用信號 隨著科技的發(fā)展，人類越來越注重信息和自動化，在日常的生產(chǎn)學(xué)習(xí)過程中，人們常常要進行自動篩選、自動傳送，而為了實現(xiàn)這些，光電傳感發(fā)揮了不可磨滅的作用。 2光電傳感器的分類 光電元件有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、發(fā)光二極管（LED）、光電倍增管、光電池、光電耦合器件等。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件（光學(xué)測控系統(tǒng)）輸出量性質(zhì)，光電式傳感器可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關(guān)）式光電傳感器；模擬式光電傳感器按被測量（檢測目標物體）方法又可分為透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻擋）等幾大類。下面就其中幾種類型的傳感器做分析。 2.1槽開光電開關(guān)把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。 2.2對射式光電開關(guān)若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為以射分離式光電開光，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。 2.3反光板反射式光電開關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。 2.4擴散反射式光電開關(guān)它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是收不到的；當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關(guān)控制信號。 2.5光纖式光電開關(guān)把發(fā)光器發(fā)出的光用光纖引導(dǎo)到檢測點，再把檢測到的光信號用光纖引導(dǎo)到光接收器就組成光纖式光電開關(guān)。按動作方式的不同，光纖式光電開關(guān)也可分成對射式、反光板反射式、擴散反射式等多種類型。 3光電傳感器應(yīng)用 3.1光電傳感器優(yōu)點 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柕淖兓缓蠼柚怆娫M一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件3部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，體積小。近年來，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電傳感器已成為系列產(chǎn)品，其品種及產(chǎn)量日益增加，用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格產(chǎn)品，在各種輕工自動機上獲得廣泛的應(yīng)用。 光電傳感器有如此眾多優(yōu)點，所以其應(yīng)用也十分廣泛，下面就起一些具體應(yīng)用做講解。 3.2光電式傳感器實例 3.2.1煙塵濁度監(jiān)測儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。 3.2.2條形碼掃描筆 當掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗，處于截止狀態(tài)。當遇到白色間隔時，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。整個條形碼被掃描過之后，光敏三極管將條形碼變形一個個電脈沖信號，該信號經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計算機處理，完成對條形碼信息的識別。 3.2.3產(chǎn)品計數(shù)器 產(chǎn)品在傳送帶上運行時，不斷地遮擋光源到光電傳感器的光路，使光電脈沖電路產(chǎn)生一個個電脈沖信號。產(chǎn)品每遮光一次，光電傳感器電路便產(chǎn)生一個脈沖信號，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目，該脈沖經(jīng)計數(shù)電路計數(shù)并由顯示電路顯示出來。 3.2.4光電式煙霧報警器 沒有煙霧時，發(fā)光二極管發(fā)出的光線直線傳播，光電三極管沒有接收信號。沒有輸出，有煙霧時，發(fā)光二極管發(fā)出的光線被煙霧顆粒折射，使三極管接受到光線，有信號輸出，發(fā)出報警。 3.2.4測量轉(zhuǎn)速 在電動機的旋轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色，轉(zhuǎn)動時，反射光與不反射光交替出現(xiàn)，光電傳感器相應(yīng)地間斷接收光的反射信號，并輸出間斷的電信號，再經(jīng)放大器及整形電路放大整形輸出方波信號，最后由電子數(shù)字顯示器輸出電機的轉(zhuǎn)速。 3.2.5光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用 光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。 4光電傳感器的發(fā)展 1839年A.E.貝可勒爾發(fā)現(xiàn)當光線落在浸沒于電介液中的兩個金屬電極上，它們之間就產(chǎn)生電勢，后來稱這種現(xiàn)象為光生伏特效應(yīng)[2]。1873年W.史密斯和Ch.梅伊發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng)[2]。1887年H.R.赫茲發(fā)現(xiàn)外光電效應(yīng)[2]。基于外光電效應(yīng)的光電管和光電倍增管屬真空電子管或離子管器件，曾在50～60年代廣泛應(yīng)用，直到目前仍在某些場合繼續(xù)使用。雖然早在1919年T.W.凱斯就已取得硫化鉈光導(dǎo)探測器的專利權(quán)[3]，但半導(dǎo)體光敏元件卻是在60年代以后隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而開始迅速發(fā)展的。在此期間各種光電材料都得到了全面的研究和廣泛的應(yīng)用。它們的結(jié)構(gòu)有單晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它們的成分有元素半導(dǎo)體的和化合物半導(dǎo)體的，也有多元混晶的。其中最重要的兩種是硅和碲鎘汞。硅的原料豐富,工藝成熟,是制造從近紅外到紫外波段光電器件的優(yōu)良材料。碲鎘汞是碲化汞和碲化鎘的混晶，是優(yōu)良的紅外光敏材料。 近年來，由于傳感器的廣泛應(yīng)用以及在日常生活中所起的越來越重要的作用，人們對傳感器提出越來越高的要求。21世紀初期(2010前后)。敏感元件與傳感器發(fā)展的總趨勢是小型化、集成化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化。傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高。并加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。 縱觀幾十年傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，不外乎分為兩個方面：一是提高與改善傳感器的技術(shù)性能；二是尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。 4.1傳感器改善性能的途徑 一般常采用下列技術(shù)途徑：差動技術(shù)，平均技術(shù)，補償和修正技術(shù)，屏蔽、隔離與干擾抑制，穩(wěn)定性處理。 4.2傳感器的發(fā)展動向 4.2.1開發(fā)新型傳感器，包括采用新原理；填補傳感器空白；仿生傳感器等諸方面。 4.2.2開發(fā)新材料，其主要趨勢有以下幾個方面：從單晶體到多晶體、非晶體；從單一型材料到復(fù)合材料；原子(分子)型材料的人工合成。由復(fù)雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。山半導(dǎo)體敏感材料、陶瓷材料、磁性材料。 4.2.3智能材料，是指設(shè)計和控制材料的物理、化學(xué)、機械、電學(xué)等參數(shù)。研制出生物體材料所具有的特性或者優(yōu)于生物體材料性能的人造材料。 4.2.4新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的維系加工技術(shù)。 4.2.5集成化、多功能化與智能化。 5結(jié)論 光電子應(yīng)用技術(shù)是一門新興的高新技術(shù)，目前還處于發(fā)展期，但它必將發(fā)展成為一種新興的知識經(jīng)濟，從而在新興技術(shù)領(lǐng)域形成巨大的生產(chǎn)力。由于光電傳感器自身的數(shù)字輸出特性和智能電子設(shè)備的特點，其應(yīng)用對變電站自動化通信系統(tǒng)的影響是全面和深遠的，利用光電傳感器的光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通信功能改造電磁式互感器，實現(xiàn)過程層和間隔層的點對點、多點對多點或現(xiàn)場總線通信，將會成為我國變電站自動化系統(tǒng)改造升級的有效途徑，而建設(shè)以光電傳感器和其他智能電子設(shè)備為基礎(chǔ)的新型變電站自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)變電站站內(nèi)各層間的無縫通信，最大限度的滿足信息共享和系統(tǒng)集成的要求，則是我國變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。光電式傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會對傳感器提出的要求越來越高是其發(fā)展的強大動力，突飛猛進現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的則為其提供了堅強的后盾。 總之，近年來光電傳感器技術(shù)得到了較大的發(fā)展，同時也有利地推動著各個技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與進步。有理由相信：當光電傳感器技術(shù)產(chǎn)生較快的發(fā)展時，必將為信息技術(shù)領(lǐng)域及其他技術(shù)領(lǐng)域的新發(fā)展、新進步帶來新的動力與活力 參考文獻： [1] 郁有文，常健，傳感器原理及工程應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，2008 [2] 陳照章.朱湘臨.光電測速傳感器及其信號調(diào)理電路.傳感器技術(shù).2002年 [3] 王元慶. 新型傳感器原理及應(yīng)用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003 [4] 百度文庫 維普網(wǎng)