關(guān)于傳感器的論文

1、光電傳感器摘要：在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息時代，人們在日常生活，生產(chǎn)過程中，主要依靠檢測技術(shù)對信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實現(xiàn)制動控制，自動調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測技術(shù)列入優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。由于微電子技術(shù)，光電半導(dǎo)體技術(shù)，光導(dǎo)纖維技術(shù)以及光柵技術(shù)的發(fā)展，使得光電傳感器的應(yīng)用與日俱增。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反應(yīng)快以及結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣等優(yōu)點，在自動檢測技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，它一種是以光電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，由光電材料構(gòu)成的器件。關(guān)鍵字：光電效應(yīng)光電元件光電特性傳感器分類傳感器應(yīng)用正文：一、理論基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng)一般有外光電

2、效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)，h=6.63*10-34J/HZ,由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律：式中，m為電子質(zhì)量，v為電子逸出的初速度,A微電子所做的功。由上式可知，要使光

3、電子逸出陰極表面的必要條件是h>A0由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強(qiáng)多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為紅限”。相應(yīng)的波長為式中，c為光速，A為逸出功。當(dāng)受到光照射時，吸收電子能量，其電阻率降低的導(dǎo)電現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)。它屬于內(nèi)光電效應(yīng)。當(dāng)光照在半導(dǎo)體上是，若電子的能量大與半導(dǎo)體禁帶的能級寬度，則電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子，同時，價帶留下相應(yīng)的空穴。電子、空穴仍留在半導(dǎo)體內(nèi)，并參與導(dǎo)電在外電場作用下形成的電流。除金屬外，多數(shù)絕緣體和半導(dǎo)體都有光電效應(yīng)，半導(dǎo)體尤為顯著，根據(jù)光導(dǎo)效應(yīng)制造的光電元件有固

4、有入射光頻率，當(dāng)光照在光電阻上，具導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻值下降。光強(qiáng)度愈強(qiáng)，其阻值愈小，若停止光照，具阻值恢復(fù)到原阻值。半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，據(jù)此效應(yīng)制造的光電器件有光電池，光電二極管，管控晶閘管和光耦合器等。二、光電元件及特性根據(jù)外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍增管。1.光電管光電管的種類繁多，典型的產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管，它A-hm212Vv=AhcK=入的外形和結(jié)構(gòu)如圖1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而

5、使自由電子的能量增加ho當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為22(mv.光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強(qiáng)增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖2所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極表面逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產(chǎn)生電流I,在

6、負(fù)載電阻LR上的電壓0U光電管的光電特性如圖3所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性基本是一條直線。2.光電倍增管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。圖4光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意圖從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A,與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設(shè)置了若干個二次發(fā)射電極，D1、D2、D3,它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、一倍增電極通常為1015級。光電倍增管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級升高，陽極電位最高。當(dāng)入射光照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1

7、加速，以高速轟擊D1,引起二次電子發(fā)射，一個入射的光電子可以產(chǎn)生多個二次電子，D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產(chǎn)圖2光電管測量電路圖3光電管的光電特性生二次電子發(fā)射，一這樣逐級產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這些電子最后到達(dá)陽極，形成較大的陽極電流。若倍增電極有n級，各級的倍增率為%則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是crN,因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。3、光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封

8、在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下：1）暗電阻光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。2亮電阻光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，止匕時流過電阻的電流稱為亮電流。4、伏安特性光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應(yīng)限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。圖5光敏電阻的伏安特性5、光電特性光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點之一。6、光譜特性

9、入射光波長不同時，光敏電阻的靈敏度也不同。入射光波長與光敏器件相對靈敏度間的關(guān)系稱為光譜特性。使用時可根據(jù)被測光的波長范圍，選擇不同材料的光敏電阻。7、響應(yīng)時間光敏電阻受光照后，光電流需要經(jīng)過一段時間（上升時間）才能達(dá)到其穩(wěn)定值。同樣，在停止光照后，光電流也需要經(jīng)過一段時間（下降時間）才能恢復(fù)到其暗電流值，這就是光敏電阻的時延特性。光敏電阻上升響應(yīng)時間和下降響應(yīng)時間約為10-110-3s,即頻率響應(yīng)為10Hz1000Hz,可見光敏電阻不能用在要求快速響應(yīng)的場合，這是光敏電阻的一個主要缺點。8、溫度特性光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電流增大，靈敏度下降，這也是光敏電阻的另一缺點。9、頻率特

10、性頻率特性是指外加電壓和入射光強(qiáng)一定是，光電流I與入射光的調(diào)制頻率f之間的關(guān)系，）（fk=I光電二極管的頻率特性較光電三極管的頻率特性好，這是由于光電三極管的基射結(jié)存在電容和載流子基區(qū)需要時間的緣故。利用內(nèi)光電效率原理制造的光電元件的頻率特性最差，這是由于俘獲載流子和釋放電荷都需要一定時間的緣故。三、光電傳感器光電傳感器是通過把光強(qiáng)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)如圖6,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(jìn)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

11、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.光電傳感器一般由三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路，如圖7所示，發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管（LED、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維，三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到

12、25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。圖7光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來達(dá)到測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準(zhǔn)確性，常用光源有以下幾種：1、發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機(jī)、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。2、絲燈泡這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時可加濾色片將鴇

13、絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。3、激光激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點，是很理想的光源由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當(dāng)?shù)臏y量電路。測量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測量電路也不相同。下面介紹幾種半導(dǎo)體光電元件常用的測量電路。半導(dǎo)體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備放大器。在要求較大的輸出功率時，可用圖8所示的電路。圖9(a)給出帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饷舳O管橋式測量電路。當(dāng)入射光強(qiáng)度緩慢變化時

14、，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進(jìn)行補(bǔ)償。圖中一個光敏二極管做為檢測元件，另一個裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對兩只光敏二極管的影響相同，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖9所示。由于光敏電池即使在強(qiáng)光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V,還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9(a)所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻?；蛘呦髨D9(b)所示的那樣利用錯二極管產(chǎn)生的正向

15、壓降和光電池受到光照時產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V,而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10(c)所示。半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖11(a)所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負(fù)電壓。圖11(b)給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓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

16、的，按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng)輸出量性質(zhì)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.模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(biāo)物體方法可分為透射(吸收式，漫反射式，遮光式(光束阻檔三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上，如測液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計等；所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等；所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的

17、光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。而紅外線光電傳感器分類和工作方式一般有以下幾種：1、槽型光電傳感器把一個光發(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(dāng)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(fù)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

18、體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。2、對射型光電傳感器若把發(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)就稱為對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達(dá)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。3、反光板型光電開關(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

19、。4、擴(kuò)散反射型光電開關(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)出的光收光器是找不到的。當(dāng)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)信號。四、我對光電傳感器的想法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展人們對測量精度有了更高的要求，這就促使光電傳感器不得不隨著時代步伐而更新，改善光電傳感器性能的主要手段就是應(yīng)用新材料、新技術(shù)制造性能更優(yōu)越的光電元件。例如今天光電傳感器的雛形，是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈作為光源的一種堅固的白熾燈傳感器。

20、由于這種傳感器存在各種缺陷，逐漸在測量領(lǐng)域銷聲匿跡。到了光纖出現(xiàn)，因為它的各種優(yōu)越的性能，于是出現(xiàn)了光纖與傳感器配套使用的無源元件，另外光纖不受任何電磁信號的干擾，并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一層金屬外皮，這層金屬外皮的密度比光芯要低用而折射率低，光束照在這兩種材料的邊界處（入射角在一定范圍內(nèi),被全部反射回來根據(jù)光學(xué)原理，所有光束都可以由光纖來傳輸。兩條入射光束（入射角在接受角以內(nèi)沿光纖長度方向經(jīng)多次反射后，從另一端射出，另一條入射角超出接受角范圍的入射光，損失在金屬外皮內(nèi).這個接受角比兩倍的最大入射角略大，這是因為光纖在從空氣射入密度

21、較大的光纖材料中時會有輕微的折射。光在光纖內(nèi)部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響（彎曲半徑要大于最小彎曲半徑。大多數(shù)光纖是可彎曲的很容易安裝在狹小的空間。光電傳感器是一種非接觸式測小型電子測量設(shè)備，依靠檢測出其接收到的光強(qiáng)的變化，來達(dá)到測量目的，同時它也是一種容易受到外界干擾而失去測量準(zhǔn)確度的器件。所以在設(shè)計時除了選擇先進(jìn)光電元件，還必須設(shè)置參比信號和溫度補(bǔ)償措施，用來削弱或消除這些因素的影響。光電傳感器必須經(jīng)過光波調(diào)制，光波的調(diào)制像無線電波的傳送和接收，將收音機(jī)調(diào)到某臺，就可以忽略其他的無線電波信號未經(jīng)調(diào)制的傳感器只有通過使用長焦距鏡頭的機(jī)械屏蔽手段，使接收器只能接收到發(fā)射器發(fā)出的光，才能使其能量變得很高.相比之下，經(jīng)過調(diào)制的接收器能忽略周圍的光,只對自己的光或具有相同調(diào)制頻率的光做出響應(yīng).未經(jīng)調(diào)制的傳感器用來檢測周圍的光線或紅外光的輻射,如剛出爐的紅熱瓶子，在這種應(yīng)用場合如果使用其它的傳感器，可能會有誤動作。光電傳感器由于非接觸、高可靠性等優(yōu)點，在測量時對