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光电传感器原理及应用论文.doc

光电传感器原理及应用论文

陌上丹青ll
2017-09-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《光电传感器原理及应用论文doc》,可适用于职业岗位领域

光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达光电式传感器的原理与应用王达摘要:本文着重介绍了光电式传感器的基本原理、主要组成及特点并着重介绍了传感器在生产生活中的各种应用最后介绍了光电式传感器的应用前景及发展方向。关键词:光电式传感器原理应用光电式传感器概论光电式传感器定义光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器它的物理学基础是光电效应。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成光源发射出一定光通量的光线由光电元件接收在检测时被测量使光源发射出的光通量变化因而使接收光通量的光电元件的输出电量也作相应的变化最后用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量也可以是数字量。光电效应光电元件及光电传感器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下金属会吸收光子并发射电子发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值(相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子其临界值即极限频率和极限波长。临界值取决于金属材料而发射电子的能量取决于光的波长而非光的强度这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾即光电效应的瞬时性按波动性理论如果入射光较弱照射的时间要长一些金属中的电子才能积累住足够的能量飞出金属表面。可事实是只要光的频率高于金属的极限频率光的亮度无论强弱电子的产生都几乎是瞬时的不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于年发现对发展量子理论及波粒二象性起了根本性的作用。内光电效应内光电效应是光电效应的一种主要由于光量子作用引发物质电化学性质变化(比如电阻率改变这是与外光电效应的区别外光电效应则是逸出电子)。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应:当入射光子射入到半导体表面时半导体吸收入射光子产生电子空穴对使其自生电导增大。光生伏特效应:当一定波长的光照射非均匀半导体(如PN结)光照射到半导体或绝缘体的表面时使物体内部的受束缚电子受到激发从而使物体的导电性能改变。这就称为内光电效应。显然照射的辐射通量愈大则被激发的电子数愈多该物体的电阻值就变的愈小。光导管(又称光敏电阻)就是利用内光电效应制成的半导体器件。像硫化镉、硫化铅、硫化铟、硒化镉、硒化铅的那个均是半导体光导管。光导管的优点是体积小、牢固耐用。它主要用于光谱仪器的光接收器、光电控制、激光接收和远距离探测等方面光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达光电式传感器的组成光源光源在光电式传感器中是不可缺少的组成部分它直接影响到检测的效果和质量。下面介绍光电式传感器中几种常见的光源。白炽灯白炽灯又称钨丝灯、灯泡是将灯丝通电加热到白炽状态利用热辐射发出可见光的电光源。由电流通过灯丝加热至白炽状态产生光的一种光源。是最早出现的电灯用耐热玻璃制成泡壳内装钨丝。泡壳内抽去空气以免灯丝氧化或再充入惰性气体(如氩)减少钨丝受热蒸发。因灯丝所耗电能仅一小部分转为可见光故发光效率低一般为,流瓦。但制造方便成本低启动快线路简单现在仍被大量采用。发光二极管发光二极管是半导体二极管的一种可以把电能转化成光能常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同释放出的能量越多则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。激光器激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。用光、电及其他办法对物质进行激励使得其中一部分粒子激发到能量较高的状态当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时由于受激辐射物质就能对某一波长的光辐射产生放大作用也就是这种波长的光辐射通过物质时会发射强度放大并与入射光波位、频率和方向一致的光辐射这种称为激光放大器。若把激发的物质放置于共振腔内光辐射在共振腔内沿轴线方向往复反射传播多次通过物质光辐射被放大许多倍形成一束强度大、方向集中的光束“激光”这就是激光振荡器。光电器件光电器件主要有:利用半导体光敏特性工作的光电导器件利用半导体光生伏特效应工作的光电池和半导体发光器件等。半导体光电器件如光导管、光电池、光电二极管、光电晶体管等半导体热电器件如热敏电阻、温差发电器和温差电致冷器等。光敏电阻制作光电传感器用到最多的当属光敏电阻,光敏电阻在无光照的情况下电阻值比较高,当它受到光照的情况下,阻值下降跟多,导电性能明显加强光敏电阻的主要参数有暗电阻,暗电流,与之对应的是亮电阻,亮电流它们分别是在有光和无光条件下的所测的数值亮电阻与暗电阻差值越大越好。在选择光敏电阻的时候还要注意它的光照特性,光谱特性。光电二极管光电二极管在无光照的条件下,其工作在截至状态,跟一般的二极管特性差不多,都具有单向导通性能当受到光照时,PN区载流子浓度大大增加,载流子流动形成光电流。光电三极管光电三极管跟普通三极管的区别在于发射极的尺寸做得比较小,当光照的时候光电流差不多等于普通三极管的基极电流,光电三极管与光电二极管相比,灵敏更高光电池光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达实际当中用得比较多的光电池是硅光电池它能够把光能直接转化成为电能光电池的一个重要特点是短路时的电流与光照基本成线性比例在运用中一般选择负载电阻很小负载电阻越小,线形度愈好。光电管光电管一般分为真空光电管和充气光电管充气光电管一般充氩气或氩氖混合气体,它们都属于惰性气体且原子量比较小充气光电管不足的地方在于灵敏度衰减快光电倍增管光电倍增管主要由阴极室跟二次发射倍增系统构成光电倍增管的光电特性在光通量小的时候呈线性关系由于光电倍增管暗电流的存在,限定了其测量时的最小范围光学元件要使光电式传感器很好的工作必须配备合适光源和光学元件并按照一些光学规律和原理构成各种各样的光路。常用的光学元件有各种反射镜和透镜。光电式传感器类型槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时光被遮挡光电开关便动作。输出一个开关控制信号切断或接通负载电流从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧检测物通过时阻挡光路收光器就动作输出一个开关控制信号。反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内在它的前方装一块反光板利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到一旦光路被检测物挡住收光器收不到光时光电开关就动作输出一个开关控制信号。扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光并把光部分反射回来收光器就收到信号输出一个开关信号。特点检测距离长如果在对射型中保留m以上的检测距离等便能实现其他检测手段(磁性、超声波等)无法离检测。对检测物体的限制很少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。响应时间短光本身为高速并且传感器的电路都由电子零件构成所以不包含机械性工作时间光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达响应时间非常短。分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点或通过构成特殊的受光光学系统来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此传感器能长期使用。可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质可对检测物体的颜色进行检测。便于调整在投射可视光的类型中投光光束是眼睛可见的这样就便于对检测物体的位置进行调整。光电式传感器的应用红外光电传感器自动寻迹智能车的设计与实现道路识别系统由安装在车前部的红外光电传感器阵列采集经过选频滤波电路单片机对信号进行处理后通过光电编码器采集小车的速度信息。根据内模原理建立的控制算法由输出驱动模块发出两路PWM波分别对转向主舵机、电机进行控制完成智能车的转向、前进、制动的功能。电源模块由若干相互独立的稳压电源电路组成。在本系统中除了电机驱动模块和舵机驱动模块的电源是直接取自电池外其余各模块的工作电压都需要经电源管理芯片来实现。通过内建模型和非线性控制器设计方案对智能车舵机方向角度和车速进行控制。光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达图智能车控制系统流程图实验证明智能车能平稳地按照任意给定的路径引导线行驶速度控制响应快反应灵活动态性能好系统的稳定性和抗干扰能力强。光电传感器在变电站通信系统应用光电传感器对变电站通信系统结构的具体影响是:由于变电站系统通信方式的相应改变。加上数字断路器的具体操作控制及电子开关装置等大量的智能电子设备(ED)的广泛采用。使得功能不断加强变电站的通信系统也由原先的两层结构改变成了现在的光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达三结构过程层间隔层。变电站层。不同的结构有不同的功能性。图现在变电站通讯系统新光电传感器的接口设计相对以前的较为方便利用模块化的简单特质来面向其针对的对象最终实现硬件、软件的最高标准化设计。满足多种不同的传输介质。还有各种不同样式的通信协议的不同标准的相关需要具有更高的灵活性高度开放的扩展性与自我适应性。而这些是原来传统的光电传感器所没有的。一种光电式微位移测量装置光电式微位移测量装置包括壳体、主光栅固定架、主轴、导向轴、主光栅、发光组件、指示光栅、指示光栅固定架、光电接收组件、信号处理电路和接触探头。如图所示。工作原理:光电式微位移测量装置的测量方式采用接触式测量由发光组件发出红外光源准直照射在主光栅上当本装置的接触探头随被测设备发生微小位移时主轴带光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达动主光栅也放生相应的运动所述主光栅与同定在指示光栅固定架的指示光栅图壳体发光元件狭缝(指示光栅)主光栅信号处理模块:光电接收元件接触探头之间产生相对运动出现明暗交错变化的莫尔条纹而位于指示光栅后面的光电接收组件将接收的光信号转变成电信号。从而形成有规律的正弦信号午和零位信号这些电信号包含了被测设备位移信息。主光栅每移动个栅距光电信号变换个正弦周期通过电路信号处理电路中的细分处理及信号输出将高精度的位移信息传给设备控制系统及数据显示系统。光电式传感器在点光源跟踪系统中的应用系统硬件部分主要有光源及其亮度控制模块、光信号检测模块、MSP单片机模块、步进电机和其控制的光源跟踪模块。系统总体设计框图如图所示:光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达图系统总体设计框图光信号检测模块主要采用光敏三极管作为光传感器实现将检测到的不同光照强度转化为不同的电压以便于单片机AD采集数据。该模块的电路原理图如图所示:图光信号检测模块电路图图中光敏三极管将光信号转化为电压的变化UIU采用普通三极管以实现电流的放大。该处两个引脚分别接SV电压和地J处接AD输入采集电压。其中可以通过调节R一It的阻值来调节光敏三极管的灵敏度。中间路将电压信号经过LM比较器与设定的电压比较产生高电平或者低电平以此来实现光源位置的精确定位。两侧的光敏三极管主要为检测光强变化而判断点光源的移动方向。其中可以通过调节滑动变阻器的阻值来实现根据环境亮度不同亮度调节跟踪系统精确度的目的。红外瓦斯传感器微弱信号处理电路设计为提高红外瓦斯传感器的检测灵敏度和系统信噪比基于微弱信号检测原理采用单光路双波长的实验方案设计了以差动放大电路为核心的微弱信号数据处理电路提光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达高了系统的检测灵敏度电路结构简单、实用、可靠。在实验室条件下对该系统进行了瓦斯浓度的性能测试并对实验数据进行了数据拟合处理给出了瓦斯浓度与电压的关系式。试验结果表明该电路能够有效地提取瓦斯浓度变化量信息满足系统要求的。,检测灵敏度。图检测系统原理框图图信号处理电路基于免疫胶体金试纸条检测盐酸克伦特罗的便携式光电型传感器利用免疫竞争抗制原理制备检测盐酸克伦特罗的免疫纳米金试纸条盐酸克伦特罗与CLBBSA复合物竞争性结合胶体金上抗体的有限位点从而使试纸条上的检测带显色减弱或消失。将显色后的试纸条插入自行研制的光电型传感器的测试孔内根据反射光的强弱计算出克伦特罗的浓度。结果表明:用光电传感方法检测盐酸克伦特罗的线性范围为,lOpg几检出限为。pg,L回收率为。,,。O,。此光电型传感器检测克伦特罗具有简便、快速、灵敏、特异性强的优点。光电传感器式焊缝自动跟踪系统光电传感器是在焊缝上画一条人工辅助白线然后利用简单的光电元件检测人工辅助白线根据人工白线的偏差情况输出相应的偏差信号。传感器共有只普通小电珠和只光敏三极管。小电珠发出的光照到钢板上反射回来又照射到光敏三极管。根据白线处反光量较大的原理可以知道白线正上方的光敏三极管输出的电流较其余的光敏三极管要大因此其输出的电压信号高。这样只要对光电传感器输出的信号做一比较即可知道焊缝的偏差情况。光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达图光电传感器的工作原理图该光电传感器的电路比较简单采用光敏三极管与负载电阻串联的方式取样信号为负载电阻两端的电压信号。但是实际应用的情况要复杂得多。首先由于光敏三极管对光的灵敏度较大因而如阳光、灯光以及弧光等外界光线对传感器的影响很大。外界光的强度或者光源与传感器的距离(如电弧离传感器的远近)不同都会影响传感器的输出信号。其次为了使传感器工作在正常状态应该让光敏三极管工作在其光电特性曲线的线性区。如果光敏三极管工作于饱和区则传感器无法分辨焊缝的偏差情况。例如焊接时产生的弧光非常强烈如果不采取任何措施而让弧光直接照到光敏三极管则光敏三极管的输出电流始终均为最大传感器无法分辨焊缝的偏差情况。最后光敏三极管本身的特性差异也将影响传感器的判断。因此为了保证传感器正确判断焊缝偏差的情况首先从众多的光敏三极管中挑选性能相近的作为传感器的光敏元件。这种挑选主要是看其光电特性是否相近即在相同的光照下其输出是否大致相同然后用黑色的电胶布将光敏三极管包住只留下顶部来接收光信号。留下部分的大小应合适使光敏管既可以较灵敏地感受到光信号又能在较强的光线照射时不致饱和。最后确定负载电阻的阻值。光敏三极管输出的信号是电流信号通过负载电阻转化为电压信号负载电阻的大小将直接影响传感器的输出信号。其阻值越大传感器的输出信号就越灵敏但检测范围窄反之检测范围宽输出信号不灵敏。通过试验确定了一个合适的阻值研制出符合要求的传感器。应用前景光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达近年来由于传感器的应用越来越广泛人们对传感器的要求也越来越高未来的光电传感器会向着小型化、智能化和系统化方向发展其主要技术应该是在现有技术的基础上进行扩展和提高尤其是在敏感元件和抗干扰技术上。在敏感元件方面可以在新的材料和新工艺上寻求突破选择一些复合材料和人工合成材料来针怍性能更加优良的传感器从而满足工业要求。在抗干扰方面可以选择新的补偿和修正技术和开发仿生传感器来提高光电传感器的抗干扰性能。在系统化发展方向上可以将多传感器融合组成一个光电信息系统例如利用光电传感器的检测距离长、分辨率高的特点和生物传感器有自动分析处理的功能来应用在负责环境监测或者在协调系统上。在我国已经形成了光电传感器研发、生产和应用为一体的结构体系在光电传感器研发队伍和用户市场方面也具有优势并且有进步开拓的空间。不足之处是在传统光电传感器的革新速度较慢与国外有较大差距而且在一些特殊环境和特殊行业类所需要专用光电传感器的研究开发较少。结语光电传感器作为一种新型的传感器由于它具有精度高、反应快、非接触等优点而且可测参数多传感器的结构简单形式多种多样体积小已经获得了广泛的应用和具有广泛的市场。目前全世界光电传感器市场呈现增长趋势各国将竞相加速新代光电传感器的开发和产业化竞争也将日益激烈新技术的发展将重新定义未来的光电传感器市场所以我们必须重视新的光电传感器技术加强我国在传感器技术方面的核心竞争力。参考文献何道青传感器与传感器技术科学出版社蔡静科技传播年第期王玲等沈阳理工大学学报第二十九卷第二期年月任和科技传播年第期杨宁仪器仪表学报第卷第期增刊年月崔福涛商品与质量科学理论年第期刘东旭仪表技术与传感器年第期张洪才等分析化学研究报告年第期,尹懿焊接学报年月任海萍科技风光电传感器的应用与发展年第期光电式传感器的原理与应用学号测控技术与仪器专业姓名王达介绍生物传感器及其发展王达

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