傳感器課程論文(光電傳感器).doc

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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(zhuān)業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)號(hào)： XXXXXXX 姓名： XXX 成績(jī)： 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(cè)元件，具有非接觸、反應(yīng)快、可測(cè)參數(shù)多、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，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?jī)r(jià)格等方面更具有優(yōu)勢(shì)，本文僅就光電傳感器原理，其類(lèi)別與其發(fā)展等問(wèn)題做探討。 關(guān)鍵詞：光電傳感器 原理 分類(lèi) 應(yīng)用與發(fā)展 0引言 新技術(shù)革命的到來(lái)，世界開(kāi)始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過(guò)程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)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(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，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(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)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?jiàn)光轉(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(jiàn)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(kāi)有一個(gè)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(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很?。ǎ糀），稱(chēng)為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱(chēng)為光電載流子。在外電場(chǎng)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(chēng)為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三級(jí)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(gè)極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開(kāi)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(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無(wú)光照時(shí)管子流過(guò)的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很?。?，比一般三極管的穿透電流還??；當(dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子-空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過(guò)管子的電流稱(chēng)為光電流，集電極電流Ic=（1+β）Ib，可見(jiàn)光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。 總的來(lái)說(shuō)光電傳感器就是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如下圖，它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).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(cè)方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測(cè)參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛. 光源 測(cè)量器 光信號(hào) 光學(xué) 系統(tǒng) 光電 元件 電參考 信號(hào) 電子測(cè) 量電路 可用信號(hào) 隨著科技的發(fā)展，人類(lèi)越來(lái)越注重信息和自動(dòng)化，在日常的生產(chǎn)學(xué)習(xí)過(guò)程中，人們常常要進(jìn)行自動(dòng)篩選、自動(dòng)傳送，而為了實(shí)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(lèi) 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(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件（光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)）輸出量性質(zhì)，光電式傳感器可分二類(lèi)，即模擬式光電傳感器和脈沖（開(kāi)關(guān)）式光電傳感器；模擬式光電傳感器按被測(cè)量（檢測(cè)目標(biāo)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(lèi)。下面就其中幾種類(lèi)型的傳感器做分析。 2.1槽開(kāi)光電開(kāi)關(guān)把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)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(jiàn)光，在無(wú)阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí)，光被遮擋，光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。 2.2對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)若把發(fā)光器和收光器分離開(kāi)，就可使檢測(cè)距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開(kāi)關(guān)就稱(chēng)為以射分離式光電開(kāi)光，簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。 2.3反光板反射式光電開(kāi)關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)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(chēng)為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開(kāi)關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到；一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。 2.4擴(kuò)散反射式光電開(kāi)關(guān)它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)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(dāng)檢測(cè)物通過(guò)時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來(lái)，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。 2.5光纖式光電開(kāi)關(guān)把發(fā)光器發(fā)出的光用光纖引導(dǎo)到檢測(cè)點(diǎn)，再把檢測(cè)到的光信號(hào)用光纖引導(dǎo)到光接收器就組成光纖式光電開(kāi)關(guān)。按動(dòng)作方式的不同，光纖式光電開(kāi)關(guān)也可分成對(duì)射式、反光板反射式、擴(kuò)散反射式等多種類(lèi)型。 3光電傳感器應(yīng)用 3.1光電傳感器優(yōu)點(diǎn) 光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件，首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。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(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，體積小。近年來(lái)，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(hù)可根據(jù)需要選用各種規(guī)格產(chǎn)品，在各種輕工自動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。 光電傳感器有如此眾多優(yōu)點(diǎn)，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(shí)例 3.2.1煙塵濁度監(jiān)測(cè)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(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)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(dá)光檢測(cè)器的光減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。 3.2.2條形碼掃描筆 當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，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?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遇到白色間隔時(shí)，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(gè)條形碼被掃描過(guò)之后，光敏三極管將條形碼變形一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，完成對(duì)條形碼信息的識(shí)別。 3.2.3產(chǎn)品計(jì)數(shù)器 產(chǎn)品在傳送帶上運(yùn)行時(shí)，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(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)。產(chǎn)品每遮光一次，光電傳感器電路便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，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(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)并由顯示電路顯示出來(lái)。 3.2.4光電式煙霧報(bào)警器 沒(méi)有煙霧時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線直線傳播，光電三極管沒(méi)有接收信號(hào)。沒(méi)有輸出，有煙霧時(shí)，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(hào)輸出，發(fā)出報(bào)警。 3.2.4測(cè)量轉(zhuǎn)速 在電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(hào)，并輸出間斷的電信號(hào)，再經(jīng)放大器及整形電路放大整形輸出方波信號(hào)，最后由電子數(shù)字顯示器輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 3.2.5光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用 光電池作為光電探測(cè)使用時(shí)，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(shí)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(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)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(dāng)光線落在浸沒(méi)于電介液中的兩個(gè)金屬電極上，它們之間就產(chǎn)生電勢(shì)，后來(lái)稱(chēng)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]?；谕夤怆娦?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(chǎng)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(cè)器的專(zhuān)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(kāi)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(lái)，由于傳感器的廣泛應(yīng)用以及在日常生活中所起的越來(lái)越重要的作用，人們對(duì)傳感器提出越來(lái)越高的要求。21世紀(jì)初期(2010前后)。敏感元件與傳感器發(fā)展的總趨勢(shì)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(kāi)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(gè)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(dòng)技術(shù)，平均技術(shù)，補(bǔ)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(dòng)向 4.2.1開(kāi)發(fā)新型傳感器，包括采用新原理；填補(bǔ)傳感器空白；仿生傳感器等諸方面。 4.2.2開(kāi)發(fā)新材料，其主要趨勢(shì)有以下幾個(gè)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(lái)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(jì)和控制材料的物理、化學(xué)、機(jī)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(mén)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(shí)經(jīng)濟(jì)，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(diǎn)，其應(yīng)用對(duì)變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)的影響是全面和深遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)過(guò)程層和間隔層的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或現(xiàn)場(chǎng)總線通信，將會(huì)成為我國(guó)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)改造升級(jí)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(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站站內(nèi)各層間的無(wú)縫通信，最大限度的滿(mǎn)足信息共享和系統(tǒng)集成的要求，則是我國(guó)變電站自動(dòng)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(lái)越重要的作用。人類(lèi)社會(huì)對(duì)傳感器提出的要求越來(lái)越高是其發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，突飛猛進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的則為其提供了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。 總之，近年來(lái)光電傳感器技術(shù)得到了較大的發(fā)展，同時(shí)也有利地推動(dòng)著各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步。有理由相信：當(dāng)光電傳感器技術(shù)產(chǎn)生較快的發(fā)展時(shí)，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(jìn)步帶來(lái)新的動(dòng)力與活力 參考文獻(xiàn)： [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(cè)速傳感器及其信號(hào)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(jī)械工業(yè)出版社, 2003 [4] 百度文庫(kù) 維普網(wǎng)