传感器原理及应用

光电传感器 课 程：传感器原理及应用姓 名： 。 系 别： 电子科学系 班 级： 。学 号： 。 日 期： 2010年12月25日 光电传感器摘要：光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器,具有反应快、精度高、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制领域中应用非常广泛。 关键词：光电式 传感器 创新应用 一、光电传感器基本知识 光电传感器最根本的原理是光电效应,光电效应又分为外光电效应和内光电效应外光电效应:在光线作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。在光线作用下,物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类:(1)光电导效应。在光线作用下,对于半导体材料吸收了入射光子能量,若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度,就激发出电子-空穴对,使载流子浓度增加,半导体的导电性增加,阻值减低,这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。(2)光生伏特效应。在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。 常用的光电传感器有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等。利用这些传感器各自的特点加上巧妙的设计,光电传感器几乎被应用于生活的各个方面。光电传感器特点有:(1)检测距离长。如果在对射型中保留10m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。(2)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。(3)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,响应时间非常短。 (4)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。(5)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。(6)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。(7)便于调整。在投射可视光的类型中,投光光束是眼睛可见的,便于对检测物体的位置进行调整。 二、光电传感器的原理光电传感器：是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。三、创新应用举例 1.测温功能 应用时,将感温头插入被测温环境中,外部法兰安装密封。传感器输出端与二次仪表输入端经辐射至光电转换器接收, 转换成毫伏电压信号。感温管一般为经过特殊处理的高刚玉管或特殊材质管。光电转换器由光学透镜、光栏、硅光电池,温度稳定性网络组成。高压密封器将感温管开口端高压密封,防止感温管透气或断裂产生高压泄露, 不影响辐射光传输,所以传感器在现场工作时,可拆卸光电转换器通过高压密封器观察感温管状况或检修光电转换器, 信号传输导线为双芯屏蔽铜电缆, 将传感器输出端按正负端与仪表信号输入端相接,接地端与地线相接,仪表上电即可实现测温。 2.火焰探测报警器 硫化铅光敏电阻的暗电阻为1 M,亮电阻为 0.2 M,峰值响应波长为2.2m。硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路,其偏置电压约为 6 V,电流约为 6。V2管集电极电阻两端并联 68F的电容,可以抑制 100 Hz以上的高频,使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器,火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后,器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度, 确保火焰报警器能长期稳定地工作。 3.光控大门 我们都有这样的苦恼每次开车到了小区大门都要等门卫来开门或者等其按动电动门的开关,既费时又费人力,如果巧妙地利用光电传感器就可以实现光控大门。这里要用到一种电子元件干簧继电器,它由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成。当线圈内有电流时,线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化,两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成连接状态,线圈内没有电流时,磁场消失,瓷片在弹力的作用下,回复到分离状态。把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方,把带动大门的电动机接在干簧管的电路中,那么夜间汽车开到大门前,灯光照射光敏电阻时,干簧继电器接通电动机电路,电动机带动大门打开。 4.烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。5.光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。四、小结 以上介绍了光电传感器的基本原理和其特点,并列举了一些在生活实际中的创新应用实例。从这些实例中我们可窥见光电传感器无限的发展应用前景。光电式传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的要求越来越高是其发展的强大动力,突飞猛进现代科学技术的则为其提供了坚强的后盾,我们相信在不懈地探索中,光电传感器的应用定会有新的飞跃。 参考文献: 1唐守锋,童敏.检测与转换技术. 中国矿业大学出版社.2高晓蓉.传感器技术 西安交通大学出版社. 3彭军.传感器与检测技术 高等教育出版社. 4王元庆.新型传感器原理及应用 :机械工业出版社.