光電傳感器的應(yīng)用與發(fā)展

1、光電傳感器的應(yīng)用與發(fā)展一、 引文光電傳感器主要作為一種檢測(cè)裝置，目前常用的光傳感器類型主要有光電管、光電倍增管和半導(dǎo)體光敏元件。由于它具有精度高，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，已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。1. 工作原理 光電傳感器是通過(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)的，一般情況下，它有三部分組成，可分為發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。投光器發(fā)出的光束被物體阻斷或部分反射，受光器最終作出判斷，發(fā)射器發(fā)射光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體的光源發(fā)光二極管和激光二極管，光束不間斷的發(fā)射或改變脈沖寬度，接收器有光電二極管或光電三極管組成，在接收器前面裝有光學(xué)元件透鏡或光圈，

2、在其后面檢測(cè)電路，濾出有效信號(hào)和應(yīng)用信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制。圖1 光電傳感器的四種基本形式光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。如自動(dòng)門傳感、色標(biāo)檢出等。2. 結(jié)構(gòu)與分類在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來(lái)而形成電流，即光生電。這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為三類：在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管

3、等。圖2 光電管基本結(jié)構(gòu)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等。圖3 光敏電阻基本結(jié)構(gòu)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；诠馍匦?yīng)的光電元件有光電池等。二、 研究現(xiàn)狀與前景1. 工作特點(diǎn)1) 檢測(cè)距離長(zhǎng)。在對(duì)射型中保留10m 以上的檢測(cè)距離等，便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段。2) 對(duì)檢測(cè)物體的限制少。由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理， 所以不象接近傳感器等將檢測(cè)物體限定在金屬，它可對(duì)玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)。3) 響應(yīng)時(shí)間短。光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包

4、含機(jī)械性工作時(shí)間。4) 分辨率高。能通過(guò)高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)， 或通過(guò)構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。5) 可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè)。可以無(wú)須機(jī)械性地接觸檢測(cè)物體實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長(zhǎng)期使用。6) 可實(shí)現(xiàn)顏色判別。通過(guò)檢測(cè)物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長(zhǎng)和檢測(cè)物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。7) 便于調(diào)整。在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行調(diào)整。2. 發(fā)展前景由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)時(shí)，也必須由傳感器提

5、供準(zhǔn)確可靠的信息，如果傳感器的水平與計(jì)算機(jī)的水平不能相適應(yīng)， 那么電子計(jì)算機(jī)便不能充分發(fā)揮應(yīng)有的作用。如果傳感器不能靈敏地感受被測(cè)量或不能把感受到的被測(cè)量精確地轉(zhuǎn)換成信號(hào)。其他儀表和裝置精度再高也無(wú)意義。近年來(lái)，新的光電器件不斷涌現(xiàn)， 特別是CCD 圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁(yè)。咨詢公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場(chǎng)報(bào)告顯示，2008年全球傳感器市場(chǎng)容量為506億美元，預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場(chǎng)可達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的地區(qū)，而美國(guó)、德國(guó)、日本依舊是傳感器市場(chǎng)分布最大的地區(qū)。一些傳感器市場(chǎng)比如溫度傳

6、感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場(chǎng)的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場(chǎng)規(guī)模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的21%、19%和14%。傳感器市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)來(lái)自于無(wú)線傳感器、MEMS傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無(wú)線傳感器在2007至2010年復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)會(huì)超過(guò)25%。目前，全世界傳感器市場(chǎng)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。有關(guān)專家指出，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，各國(guó)將競(jìng)相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競(jìng)爭(zhēng)也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來(lái)的傳感器市場(chǎng)，比如無(wú)線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場(chǎng)份額的擴(kuò)大。三、 應(yīng)用分析1

7、. 自動(dòng)計(jì)數(shù)的應(yīng)用光電傳感器在自動(dòng)計(jì)數(shù)、光電報(bào)警等方面具有廣泛應(yīng)用。利用此計(jì)數(shù)系統(tǒng)，當(dāng)有人通過(guò)光電檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，它不僅能檢測(cè)出是否有人員通過(guò)，同時(shí)能辨別通過(guò)的人員是進(jìn)入、還是出去。利用該光電傳感器，再配合相應(yīng)的計(jì)數(shù)器，通過(guò)顯示器可顯示出某地點(diǎn)總共進(jìn)出人數(shù)及剩多少人。因此，可廣泛用于多種公共場(chǎng)合的人員統(tǒng)計(jì)。其電路主要由直流穩(wěn)壓電源、智能光電傳感器電路及應(yīng)用電路組成。圖4 光電傳感器設(shè)置示意圖光電信號(hào)檢測(cè)及進(jìn)出鑒別電路如圖5所示。LM393是一個(gè)雙電壓比較器電路，電路中兩比較器的反相輸入端2腳與6腳連接在一起，接一個(gè)固定電壓，兩同相輸入端分別連接兩個(gè)光電二極管，兩比較器的輸出端1腳與7腳分別與計(jì)數(shù)器U

8、3A與U3B的計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入CLK及復(fù)位端R相連接。CC4518是一個(gè)雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路，其中cLK為計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端、R為復(fù)位端、EN為計(jì)數(shù)允許控制端、Q0、Q3為BCD碼輸出端。圖5 電信號(hào)檢測(cè)及進(jìn)出鑒別電路2. 防盜報(bào)警系統(tǒng)基于光電傳感器的防盜報(bào)警系統(tǒng)，采用目前炙手可熱的非接觸式光電技術(shù)搭建系統(tǒng)，具備體積小，安裝簡(jiǎn)易、防誤報(bào)、非接觸報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)，配合無(wú)線編碼譯碼收發(fā)芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積監(jiān)控、多路遙控等功能。圖6 光電報(bào)警器系統(tǒng)原理圖該系統(tǒng)利用650nm左右波長(zhǎng)的紅外激光器與高速光電傳感器搭建報(bào)警區(qū)域，當(dāng)入侵物體或人穿過(guò)該測(cè)試區(qū)域時(shí)，會(huì)遮擋光電探測(cè)器接收的光通量，此變化的光通量經(jīng)過(guò)后續(xù)放大電路處

9、理成選通無(wú)線編碼器所需要的模擬信號(hào)，通過(guò)在有效工作范圍的解碼器譯碼而觸發(fā)蜂鳴器或音樂芯片，進(jìn)而發(fā)出警報(bào)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需要，通過(guò)一對(duì)共軛菲涅爾透鏡的配合使用可以將“一”字線光源激光器所發(fā)射的激光光束擴(kuò)展成矩形光幕，有效增加了報(bào)警區(qū)域的面積，提高了該系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。同時(shí)搭載無(wú)線編碼譯碼芯片VD5026與VD5027 能夠完成一對(duì)多的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。圖7 前置放大電路3. 光控大門這里要用到一種電子元件干簧繼電器，它由干簧管和繞在干簧管外的線圈組成。如圖所示，當(dāng)線圈內(nèi)有電流時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)使密封在干簧管內(nèi)的兩個(gè)鐵質(zhì)簧片磁化，兩個(gè)簧片在磁力作用下由原來(lái)的分離狀態(tài)變成連接狀態(tài)，線圈內(nèi)沒有電流

10、時(shí)，磁場(chǎng)消失，簧片在彈力的作用下，回復(fù)到分離狀態(tài)。圖8 干簧管示意圖把光敏電阻裝在大門上汽車燈光能照到的地方，把帶動(dòng)大門的電動(dòng)機(jī)接在干簧管的電路中，那么夜間汽車開到大門前，燈光照射光敏電阻時(shí)，干簧繼電器接通電動(dòng)機(jī)電路，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)大門打開。圖9 光控大門電路原理圖四、 參考文獻(xiàn)1 百度百科，詞條“光電效應(yīng)”、“光電傳感器”；2 百度文庫(kù)，微型光電傳感器；3 馬西秦主編，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.9；4 徐偉，光電傳感器的研究與應(yīng)用，科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010，No. 12；5 郭傳寶、劉峰、朱本宏，光電傳感器的應(yīng)用，中國(guó)井礦鹽，2011年1月第1期；6 朱仁盛、曲波，光電傳感器及其應(yīng)用，電氣時(shí)代，自動(dòng)化系統(tǒng)工程專輯，2010年第4期；7 張先富、蘇麗秋、趙明富，智能光電傳感器的原理與應(yīng)用，磁性材料及器件，