傳感器結(jié)課論文

1、目錄 TOC o 1-5 h z 概述2 HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 1.1光電傳感器早期發(fā)展2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1.2光電傳感器后續(xù)發(fā)展3 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 物理特性3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 2.1外光電效應(yīng)32.1.1光子假設(shè)3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2.2內(nèi)光電效應(yīng)42.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)4

2、2.2.2光生伏特效應(yīng)4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 光電式傳感器4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 3.1光電傳感器的大致介紹4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3.2工作原理5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3.3光電傳感器分類5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 3.4光電傳感器作用6 HYPERLINK l bookmark2

3、0 o Current Document 光電傳感器的應(yīng)用6 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 4.1光電傳感器優(yōu)點6 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 4.2光電式帶材跑偏檢測器7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 4.3煙塵濁度監(jiān)測儀7 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 4.4包裝充填物高度檢測8 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4.5光電色

4、質(zhì)檢測8 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 4.6其他方面的應(yīng)用8 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 新型的光電傳感器9CCD傳感器9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 5.2CCD傳感器的應(yīng)用9 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 光纖傳感器10 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 6.1光纖傳感器的原理和組成10 HYPERLINK l bookm

5、ark42 o Current Document 6.2光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域10 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 其他的光電傳感器11 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 高速光電二極管11 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 色敏光電傳感器12 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 光位置傳感器12 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 光電傳感器的發(fā)展1

6、2 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 總結(jié)14 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 參考文獻15光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。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。光電傳感 器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、

7、 可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接 引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也 可用來檢測能轉(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、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光 電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置 和機器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是 CCD 圖 像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。1.1光電傳感器早期發(fā)展1839年A.E.貝可勒爾發(fā)現(xiàn)當(dāng)光線落在浸沒于電介液中的兩個金屬電極

8、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?；谕?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5060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

9、。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。傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段,即結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器和智能型 傳感器。（1）結(jié)構(gòu)型傳感器 以其結(jié)構(gòu)部分變化或結(jié)構(gòu)部分變化后而引起某種場的變 化來反映被測量的大小及變化。（2）物性型傳感器 利用構(gòu)成傳感器的某些材料本身的物理特性在被測量的 作用下發(fā)生變化,從而將被測量轉(zhuǎn)換為電信號或其他信號輸出。（3）智能型傳感器 把傳感器與微處理器有機地結(jié)合成一個高度集成化的新 型傳感器。它與結(jié)構(gòu)型、物性型傳感器相比,能瞬時獲取大量信息,對所獲得的信 息還具有信號處理的功能,使信息的

10、質(zhì)量大大提高,其功能也擴展了。以網(wǎng)絡(luò)化智 能傳感器為例,它以嵌入式微處理器為核心,集成了傳感單元、信號處理單元和網(wǎng) 絡(luò)接口單元,使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發(fā)展;從被動檢 測向主動進行信息處理方向發(fā)展;從孤立元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展;從就地測量 向遠距離實時在線測控發(fā)展,已成為傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。而光電傳 感器作為新型傳感器更是得到了廣闊應(yīng)用。1.2光電傳感器后續(xù)發(fā)展通過對光電效應(yīng)和器件原理的研究已發(fā)展了多種光電器件(如光敏電阻、光 電二極管、光電三極管、場效應(yīng)光電管、雪崩光電二極管、電荷耦合器件等)， 適用于不同的場合。光電式傳感器的制造工藝也隨薄膜工藝、平面工藝

11、和大規(guī)模 集成電路技術(shù)的發(fā)展而達到很高的水平，并使產(chǎn)品的成本大為降低。被稱為新一 代攝像器件的聚焦平面集成光敏陣列正在取代傳統(tǒng)的掃描攝像系統(tǒng)。光電式傳感 器的最新發(fā)展方向是采用有機化學(xué)汽相沉積、分子束外延、單分子膜生長等新技 術(shù)和異質(zhì)結(jié)等新工藝。光電式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域已擴大到紡織、造紙、印刷、醫(yī) 療、環(huán)境保護等領(lǐng)域。在紅外探測、輻射測量、光纖通信，自動控制等傳統(tǒng)應(yīng)用 領(lǐng)域的研究也有新發(fā)展。例如，硅光電二極管自校準(zhǔn)技術(shù)的提出為光輻射的絕對 測量提供了一種很有前途的新方法。物理特性2.1 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)是指在光的照射下，材料中電子逸出表面的現(xiàn)象，也稱為光電發(fā) 射效應(yīng)。光電管及光電倍增管均屬這

12、一類，它們的光電發(fā)射極光陰極就是用 具有這種特性的材料制造的。2.1.1 光子假設(shè)1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，愛因斯坦第一個成功解釋光電效應(yīng)。愛因斯 坦根據(jù)普朗克量子假說而進一步提出的光量子，即光子概念，對光電效應(yīng)研究做 出了決定性的貢獻。愛因斯坦光子假說的核心思想是：表面上看起來連續(xù)的光波 是量子化的。單色光由大量不連續(xù)的光子組成。若單色光頻率為n,那么每個hvP = 光子的能量為E = hv,動量為C 。由愛因斯坦光子假說發(fā)展成現(xiàn)代光子論(photon theory)的兩個基本點是：光是由一顆一顆的光子組成的光子流。每個光子的能量為E = hv，hv動量為 C 。由N個光子組成的光子流，

13、能量為N hv。光與物質(zhì)相互作用，即是每個光子與物質(zhì)中的微觀粒子相互作用。根據(jù)能量守恒定律，約束得最不緊的電子在離開金屬面時具有最大的初動能，所2.2 內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。2.2.1 光電導(dǎo)效應(yīng)光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)（又稱為光電效應(yīng)、 光敏效應(yīng)），即光電導(dǎo)效應(yīng)是光照射到某些物體上后，引起其電性能變化的一類 光致電改變現(xiàn)象的總稱。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時，材料吸收光子的能量，使非 傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。 在光線作用

14、下，對于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于 半導(dǎo)體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的 導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng) 的光電器件。2.2.2 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)指在光照射下，物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。光照 射 PN 結(jié)中，若能量達到禁帶寬度時，價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，便產(chǎn)生電子空 穴對。被光激發(fā)的電子在勢壘附近電場梯度的作用下向N側(cè)遷移，而空穴則向P 側(cè)遷移。從而使N區(qū)帶正電，P區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。還有一種稱為“丹倍效應(yīng)”的也屬于光生伏特效應(yīng)一類。這是指當(dāng)光只照射 在某種光電導(dǎo)材料的局

15、部時，被照射的部分產(chǎn)生電子空穴對，使照射到和未被照 射到的兩部分中載流子的濃度不同，從而產(chǎn)生載流子擴散，如果電子的遷移率大 于空穴的遷移率，必將使未被照射到的部分獲得更多的電子，并帶負(fù)電；而被照 射到的部分失去電子而帶正電，從而出現(xiàn)光生伏特效應(yīng)。光電式傳感器光電傳感器的大致介紹光電式傳感器的工作原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，再通過光 電器件將光信號的變化轉(zhuǎn)換成電信號。光電式傳感器一般是由輻射源、光學(xué)通路 和光電器件三部分組成。被測量通過對輻射源或者光學(xué)通路的影響將待測信息調(diào)制到光波上，通常使 光波的強度、相位、空間分布和頻譜分布發(fā)生改變，光電器件將光信號的變化變 換為電信號。電信號經(jīng)

16、后續(xù)電路的解調(diào)分離出被測量的信息，從而實現(xiàn)對被測量 的測量。光源是光電傳感器的一個組成部分，大多數(shù)光電傳感器都離不開光源。光電 式傳感器對光源的選擇要考慮很多因素，如波長、譜分布、相干性、體積、造價 和功率等。常用的光源可分為熱輻射光源、氣體放電光源、激光器和電致發(fā)光器 件四大類。3.2 工作原理由光通量對光電元件的作用原理1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)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

17、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;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;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 ,使投射剄光電元件上的光通量改變 ,改變的程度與被測物體在光路位 置有關(guān).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(fù)載電阻相 串聯(lián)，當(dāng)無光照

18、時，它與普通二極管一樣，反向電流很?。╒A）,稱為 光敏二極管的暗電流；當(dāng)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(fù)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)

19、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=（l+ B） Icbo （很小），比一般三極管的穿透電流還小；當(dāng)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lb增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集 電極電流Ic二（1+B） lb，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。3.3光電傳感器分類光電兀件有光敏電阻、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，按光電兀件（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；

20、模擬式 光電傳感器按被測量（檢測目標(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）三大類。（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(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 受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。（2）對射式光電開光若把發(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

21、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。（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(dāng)檢測物通過 時擋住了光，并把光部分反射回來，

22、收光器就收到光信號，輸出一個開關(guān)控制信 號。（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。3.4光電傳感器作用新技術(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(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?夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，

23、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。光電傳感器的應(yīng)用4.1 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?，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。光電式帶材跑偏檢測器帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離正

24、確位置的大小及方向，從 而為糾偏控制電路提供糾偏信號，主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。光電式帶材跑偏檢測器原理如下圖 1 所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡 帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向，從 而為糾偏控制電路提供糾偏信號，主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。光電式帶材跑偏檢測器原理如下圖 1 所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡 1 會聚 為平行光束，投向透鏡2，隨后被會聚到光敏電阻上。在平行光束到達透鏡2的 途中，有部分光線受到被測帶材的遮擋，使傳到光敏電阻的光通量減少。-7-3.fiRIt!=fl圖1下圖2為測量電路簡圖。Rl、R2是同型號的光敏電阻。R

25、1作為測量元件裝 在帶材下方，R2用遮光罩罩住，起溫度補償作用。當(dāng)帶材處于正確位置（中間 位）時，由R1、R2、R3、R4組成的電橋平衡，使放大器輸出電壓U0為0。當(dāng)帶 材左偏時，遮光面積減少，光敏電阻 Rl 阻值減少，電橋失去平衡。差動放大器 將這一不平衡電壓加以放大，輸出電壓為負(fù)值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。 反之，當(dāng)帶材右偏時，U0為正值。輸出信號U0 方面由顯示器顯示出來，另一 方面被送到執(zhí)行機構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號。圖24.3 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(biāo)報警。煙

26、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。4.4 包裝充填物高度檢測用容積法計量包裝的成品，除了對重量有一定誤差范圍要求外，一般還對充 填高度有一定的要求，以保證商品的外觀質(zhì)量，不符合充填高度的成品將不許出 廠。下圖3 所示為借助光電檢測技術(shù)控制充填高度的原理。當(dāng)充填高度 h 偏差太 大時，光電接頭沒有電信號，即由執(zhí)行機構(gòu)將包裝物品推出進行處理。圖34.5 光電色質(zhì)檢測下圖4 為包裝物料的光電色質(zhì)檢測原理。若包裝物品規(guī)定底色為白色，因質(zhì) 量

27、不佳，有的出現(xiàn)泛黃，在產(chǎn)品包裝前先由光電檢測色質(zhì)，物品泛黃時就有比較 電壓差輸出，接通電磁閥，由壓縮空氣將泛黃物品吹出。I下圖4 為包裝物料的光電色質(zhì)檢測原理。若包裝物品規(guī)定底色為白色，因質(zhì) 量不佳，有的出現(xiàn)泛黃，在產(chǎn)品包裝前先由光電檢測色質(zhì)，物品泛黃時就有比較 電壓差輸出，接通電磁閥，由壓縮空氣將泛黃物品吹出。I苣百沽:i:電屮圖44.6 其他方面的應(yīng)用利用光電開關(guān)還可以進行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計、對裝配件是否到位及裝 配質(zhì)量進行檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼，以及送料機構(gòu)是否 斷料等。此外，利用反射式光電傳感器可以檢測布料的有無和寬度。利用遮擋式光電 傳感器檢測布料的下垂度，其

28、結(jié)果可用于調(diào)整布料在傳送中的張力，利用安裝在 框架上的反射式光電傳感器可以發(fā)現(xiàn)漏裝產(chǎn)品的空箱，并利用油缸將空箱推出。新型的光電傳感器5.1CCD 傳感器光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電 荷轉(zhuǎn)移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特 點，CCD圖象傳感器廣泛的被應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面, 尤其適用以上領(lǐng)域中的圖像識別技術(shù)。5.2CCD 傳感器的應(yīng)用(1)工件尺寸檢測CCD圖像傳感器在許多領(lǐng)域內(nèi)獲得了

29、廣泛的應(yīng)用。電荷耦合器件(CCD)是構(gòu) 成CCD固態(tài)圖像傳感器的主要光敏器件，取代了攝像裝置中的光學(xué)掃描系統(tǒng)或電 子束掃描系統(tǒng)。CCD圖像傳感器具有高分辨率和高靈敏度，具有較寬的動態(tài)范圍，這些特點 決定了它可以廣泛應(yīng)用于自動控制和自動測量，尤其適用于圖像識別技術(shù)。 CCD 圖像傳感器在檢測物體的位置、工件尺寸的精確測量及工件缺陷的檢測方面有獨 到之處。(2)CCD傳感器在公共交通上的應(yīng)用目前，在公共交通中方面大量采用CCD傳感器，對馬路進行監(jiān)測，對違章車 輛進行拍照處理。一般車輛在被拍照后會傳至指揮中心。指揮中心收到圖片，會 將車牌號信息與車管所信息相比對，從而調(diào)出車輛的綜合信息，如車主、車型

30、、 顏色等，然后由信息處理人員錄入北京市公安交通管理局網(wǎng)站， 以使違章車主 能夠進行查詢。這樣的麻煩事增加了管理人員的工作量。采用先進的CCD傳感器 對拍到的圖片進行智能處理，通過某種算法，使CCD傳感器能夠智能的識別車牌 號碼，這樣將大大減少管理人員的工作量。這里一種方法是直接利用傳感器后續(xù)處理的算法，建立一個數(shù)字、字符的像 素字符庫，把拍攝到的圖像與該字符庫中的圖片進行對比，通過某種算法來確定 具體的車牌號。另一種方法則是更改硬件的方法，對車牌號的數(shù)字進行特殊處理，比如不同 數(shù)字運用不同顏色，這樣CCD拍攝到的圖像信息的灰度的值將會有一定的差異， 通過這個差異來確定具體的號碼。還有就是利用

31、其他設(shè)備輔助CCD，在不同數(shù)字 符號上加入特殊的化學(xué)元素，利用紅外來感應(yīng)這些元素，以確定車牌號碼。光纖傳感器6.1光纖傳感器的原理和組成光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器 3 部分組成，光源發(fā)出的光耦合進光 纖，經(jīng)光纖進入調(diào)制區(qū)，在調(diào)治區(qū)內(nèi)，外界被測參數(shù)作用于進入調(diào)區(qū)內(nèi)的光信號， 是其光學(xué)性質(zhì)如光的強度、相位、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號光， 再經(jīng)過光纖送入光探測器而獲得被測參數(shù)，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包 層、樹脂涂層和塑料護套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖 起保護作用。光纖主要分為兩類，一是漸變光纖，一是躍階光纖。前者的折射率 是漸變的，而后者的折射率是突

32、變的。另外還分為單模光纖及多模光纖，近年來， 又有新的光子晶體光纖問世。依材質(zhì)：石英玻璃、多組份玻璃、氟化物、塑料、 液芯。 依轉(zhuǎn)輸方式分：單模、多模級射、多模斜射。 依折射率分：階躍型、漸 變型光纖。依工作波長分：短波長光纖、長波長光纖、超長波長光纖。光纖是基 于光的全反射原理而工作的。當(dāng)入射角 在此范圍內(nèi)時，光在界面產(chǎn)生全反射， 并在光纖內(nèi)部一同樣的角度反復(fù)逐次反射，知道傳播到光纖的另一端面。如果工 作需要光纖微彎曲，只要仍滿足全反射定律，則光仍然可以繼續(xù)前進。如果入射 角超出上述范圍，則進入光纖的光線便會在截面上發(fā)生折射，并透入包層。光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域（1）在航天器及船舶中的應(yīng)用先進的

33、復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重 量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來越多地被用于制造航 空航海工具（如飛機的機翼）。 為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的 變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，對于普通船體大約需要100個傳感器， 因此波長復(fù)用能力極強 的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測。（2）在民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)同時進行沖擊檢測、形狀控制和振動 阻尼檢 測等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成 一個傳感網(wǎng)絡(luò)，對結(jié)構(gòu)

34、進行準(zhǔn)分布式檢測，可以用計算機對傳感信號進行遠程控 制。（3）光纖傳感器在溫度測試中的應(yīng)用 它是利用光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生后向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，那么它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r不斷產(chǎn)生后向散射光波，這些后向散射 光波的狀態(tài)受到所在光纖散射點的溫度影響而有所改變，將散射回來的光波經(jīng)波 分復(fù)用、檢測解調(diào)后，送入信號處理系統(tǒng)便可將溫度信號實時顯示出來，并且由 光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些信息定位（4）光纖傳感器在裂縫監(jiān)測中的應(yīng)用 當(dāng)?shù)叵律畈堪l(fā)生變形時，必將擠壓砂漿體產(chǎn)生相應(yīng)形變，導(dǎo)致裂縫或滑移（錯 動）的產(chǎn)生，進而引起埋入光纖的微彎，該處的微彎將破壞光波導(dǎo)的全反射條

35、件， 使光損耗增加，產(chǎn)生衰減，利用光纖監(jiān)測地下深部變形，就是基于微彎衰減的傳 感機制。埋入洞內(nèi)的光纖，全部是傳感部分，受深部變形作用，光纖產(chǎn)生微彎或 撓曲，致使光損耗增大；OTDR檢測到全過程的散射光強分布。（OTDR是一種用于 光纖通信故障定位的技術(shù)，現(xiàn)在普遍運用于分布式光纖傳感器系統(tǒng)中）（5）光纖傳感器在光纖光纜中的應(yīng)用 光纜通信在我國已有20多年的使用歷史，這段歷史也就是光通信技術(shù)的發(fā)展史和光纖光纜的發(fā)展史。光纖光纜在我國的發(fā)展可以分為這樣幾個階段：對光 纜可用性的探討；取代市內(nèi)局間中繼線的市話電纜和PCM電纜；取代有線通信干 線上的高頻對稱電纜和同軸電纜。這兩個取代應(yīng)該說是完成了；現(xiàn)正

36、在取代接入 網(wǎng)的主干線和配線的市話主干電纜和配線電纜，并正在進入局域網(wǎng)和室內(nèi)綜合布 線系統(tǒng)。目前，光纖光纜已經(jīng)進入了有線通信的各個領(lǐng)域，包括郵電通信、廣播 通信、電力通信和軍用通信等領(lǐng)域。（6）光纖傳感器在智能大橋中的應(yīng)用 它是將傳感元件、驅(qū)動元件以及信息處理控制系統(tǒng)集成于主體材料中 ,使制成的構(gòu)件不僅具有承受載荷、傳遞運動的能力 ,而且具有檢測多種參數(shù) （如應(yīng)力 應(yīng)變、損傷、溫度、壓力等 ）、分析、處理及控制等多種功能。它出現(xiàn)時間不長 , 但已成為目前國內(nèi)外研究的熱點。具有智能材料結(jié)構(gòu)特點的智能橋梁能對 智能 材料結(jié)構(gòu)的動作流程圖橋梁的施工質(zhì)量、運營中的應(yīng)力狀態(tài)以及其它多種參數(shù)進 行長期實時

37、在線監(jiān)測 ,并根據(jù)對大量傳感信息的實時綜合分析采取適當(dāng)、及時的 控制措施 ,因而可以極大地提高工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性 ,避免災(zāi)難性事故 的發(fā)生。其他的光電傳感器7.1 高速光電二極管（1）PIN結(jié)光電二極管PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo) 體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全 集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由式t =CjRL 與f=l/2nT知，Cj小，t則小，頻帶將變寬。內(nèi)電場較大，電子加速運動， 響應(yīng)時間快。最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓 下運用可承受較

38、高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān) 系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進一步減小，使頻帶 寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前 有將 PIN 管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出 售。（2）雪崩光電二極管（APD）雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。P區(qū)外側(cè)增加高濃度P+層。這種管子工作電壓很高，約10 0200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場 極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離 雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的

39、內(nèi)增益，可達到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿 電壓時，電流增益可達106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶 寬可達100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。缺點：噪聲大。由于雪崩反應(yīng)是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電 壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。 但由于APD的響應(yīng)時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。7.2 色敏光電傳感器色敏光電傳感器實際上是光電傳感器的一種特殊類型。它是兩只結(jié)深不同的 的光電二極管組合體，雙結(jié)光電二極管的P+-N結(jié)為淺結(jié)，N-P結(jié)為深結(jié)。當(dāng)光 照射時，P+，N，P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)均有光子吸收，

40、但是吸收的效率不 同。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就被吸收完畢；因此，淺結(jié)對紫外光 有較高靈敏度。而紅外光部分吸收系數(shù)小，光子主要在深結(jié)處被吸收；因此，深 結(jié)對紅外光有較高的靈敏度。即半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL分別具有不同靈 敏度。這一特性為識別顏色提供了可能性。利用不同結(jié)深二極管的組合，即可構(gòu) 成測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。具體使用時，首先對該色敏器件進行標(biāo)定，也就是測定在不同波長光照射下， 深結(jié)的短路電流ISD2與淺結(jié)的短路電流ISD1的比值ISD2 / ISD1。ISD2在 長波區(qū)較大，ISD1在短波區(qū)較大；因而ISD2 / ISD1與入射單色光波長的關(guān)系 就可以確定。根據(jù)標(biāo)定曲

41、線，實測出某一單色光的短路電流比值，即可確定該單 色光的波長。7.3 光位置傳感器當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效 應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比 未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。 如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散， 就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分 產(chǎn)生光電動勢?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）光電傳感器的發(fā)展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 強的變

42、化，來達到測量目的，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)計時除了選擇先進光電元件，還必須設(shè)置參比信號和溫度補 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

43、能會有誤 動作。光電傳感器由于非接觸、高可靠性等優(yōu)點，在測量時對變被測物體損害小， 所以自其發(fā)明以來就在測量領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，目前它已廣泛應(yīng)用于測量 機械量、熱工量、成分量、智能車系統(tǒng)等?，F(xiàn)在它在電力系統(tǒng)自動并網(wǎng)裝置中起 到了非常重要的作用，因為發(fā)電機投入電網(wǎng)運行常采用準(zhǔn)同法，必須滿足：三相 線序一致，頻率一致，相位一致，電壓幅值相等，其中的一個條件在系統(tǒng)設(shè)計時 已經(jīng)滿足，后三個條件必須同時滿足才能并網(wǎng)，當(dāng)然人工并網(wǎng)比較困難，光電并 網(wǎng)比較容易。時代在發(fā)展，科學(xué)技術(shù)在更新，光電傳感器種類也日益增多，應(yīng)用領(lǐng)域也越 來越廣泛，例如近來一種紅外光電傳感器已在智能車方面得了到應(yīng)用，其中一種 基于紅外傳感器的智能車的核心就是反射式紅外傳感器，它運用反射式紅外傳感 器設(shè)計路徑檢測模塊和速度監(jiān)測模塊；另外一種基于紅外傳感器的自尋跡小車則 利用紅外傳感器來采集數(shù)據(jù)光電傳感器具有其他傳感器所不能取代優(yōu)越性，因此