光電傳感器在信息自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用探討

【摘要】隨著科技的迅猛發(fā)展，復(fù)雜多樣、瞬息萬(wàn)變的各種信息充斥著人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?信息的自動(dòng)檢測(cè)、迅速獲取已成為現(xiàn)代信息科學(xué)的一個(gè)新興研究領(lǐng)域。鑒于光電半導(dǎo)體器件具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，使得其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用;隨著光電器件、微電子技術(shù)的不斷完善和成熟，為適應(yīng)信息時(shí)代的發(fā)展需求，基于光電器件的信息自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)因其分辨率高、非接觸、信息容量大、自動(dòng)化程度高且反應(yīng)快等特點(diǎn)發(fā)展十分迅速。本文則著重介紹了光電傳感器的探測(cè)原理及其在信息自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】光電傳感器;信息檢測(cè);光電效應(yīng)

現(xiàn)代信息科學(xué)是伴隨著信息時(shí)代的到來(lái)而產(chǎn)生的新興學(xué)科，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技水平的不斷發(fā)展，各種工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平不斷提高、系統(tǒng)集成的復(fù)雜性不斷增加，需要獲取的信息量越來(lái)越多，傳感器技術(shù)作為信息檢測(cè)的重要基礎(chǔ)技術(shù)也在不斷的發(fā)展，已滲透到工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。

光電傳感器是利用光敏器件的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到有效信號(hào)獲取的一種信息檢測(cè)元件;通常由光源、接收通道、光敏器件、電路處理部件四部分組成。光電傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫等光量特征來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件外形尺寸、表面粗糙度、運(yùn)動(dòng)特性等信息的檢測(cè)，具有感應(yīng)靈敏、分辨率高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微型電路板及芯片集成的不斷應(yīng)用，使得光電傳感器的電路處理部分日趨成熟，體積小、功耗低且可靠性高，因而廣泛應(yīng)用于信息自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域。

1.光電傳感器的原理

光電效應(yīng)是指光照射到物體上后，光子能量被電子吸收導(dǎo)致其狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電效應(yīng)的現(xiàn)象，一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。若電子因吸收光子能量而克服束縛脫離物體表面而進(jìn)入外界空間，從而改變材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的傳感器是一種小型的電子設(shè)備，能夠檢測(cè)出接受到的光強(qiáng)的變化。在早期的應(yīng)用中，光電傳感器可以用來(lái)檢測(cè)物體的存在，通過(guò)將光聚焦，通過(guò)接收通道入射到真空管放大器上，通過(guò)簡(jiǎn)單的電路信號(hào)處理、閾值判別實(shí)現(xiàn)信息的檢測(cè)，這就是光電傳感器的早期原型。原理圖如圖1所示。

圖1 光電傳感器原理圖

由此可見(jiàn)，光電傳感器是借助光源將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換或等效為光信號(hào)的變化，光信號(hào)經(jīng)接收通道匯聚到光敏元件上，經(jīng)光電效應(yīng)變換為電信號(hào)，通過(guò)對(duì)電信號(hào)的處理實(shí)現(xiàn)有效信息的檢測(cè)。

2.光電信息自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 特點(diǎn)

分辨率高。光電傳感器的光學(xué)接收通道可通過(guò)高度集成設(shè)計(jì)使入射光束高效匯聚或通過(guò)特殊的光學(xué)材料設(shè)計(jì)靈敏的光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高分辨率。從而可實(shí)現(xiàn)微小細(xì)節(jié)的檢測(cè)和高靈敏運(yùn)動(dòng)特性的捕捉、跟蹤。

可實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)。因光電傳感器利用光源為輸入信號(hào)和媒介進(jìn)行信息的采集和檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械接觸檢測(cè)，不會(huì)對(duì)被檢目標(biāo)和傳感器本身造成損傷。

信息容量大。隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的高度集成，光電傳感器可通過(guò)光源數(shù)據(jù)融合和頻譜細(xì)分實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢測(cè)目標(biāo)的多方位信息檢測(cè)。

應(yīng)用范圍廣。基于光電的信息檢測(cè)技術(shù)因其成熟的技術(shù)和高可靠性、低功耗的光電元件而得到了廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)控制、環(huán)境、醫(yī)療、軍用及民用等各個(gè)領(lǐng)域都有成熟的產(chǎn)品。

2.2 現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著光電傳感器在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)也在不斷的充分展現(xiàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。在民用上，光電傳感器已與我們的生活密不可分，比如傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀等;在軍事應(yīng)用上，則主要包括水下探測(cè)、航空監(jiān)測(cè)、空間測(cè)量等。在國(guó)外，西方國(guó)家研究應(yīng)用較為成熟，其中邦納公司擁有當(dāng)今世界上最完善的光電傳感器產(chǎn)品流水線(xiàn);而在20世紀(jì)90年代，日本電氣等15家公司也研發(fā)出了多款民用的光電傳感器。國(guó)內(nèi)光電傳感器在民用領(lǐng)域起步也相對(duì)較早，截止到目前，已經(jīng)形成了研究、生產(chǎn)和應(yīng)用體系，產(chǎn)品和研發(fā)成果在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，在石油高溫、高壓等非接觸類(lèi)傳感檢測(cè)系統(tǒng)等應(yīng)用中已涌現(xiàn)出與國(guó)際接軌的先進(jìn)研究成果;相比發(fā)達(dá)國(guó)家而言，國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平和工程化能力仍存在較大差距，這主要體現(xiàn)在成熟的貨架產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)上，傳統(tǒng)傳感器更新?lián)Q代較慢、微型化發(fā)展不足，在集成化、智能化方面與國(guó)外差距較大。

3.應(yīng)用實(shí)例

基于光電傳感器的信息自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的將光學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合，擴(kuò)展了人類(lèi)的視覺(jué)能力，使被感知的波長(zhǎng)由可見(jiàn)光擴(kuò)展到了整個(gè)常用波段，在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程在線(xiàn)檢測(cè)、日常生活的公共設(shè)施、醫(yī)療用溫度計(jì)液壓計(jì)及各種檢測(cè)儀等方面都得到了較為成熟的應(yīng)用。

3.1 光電探緯儀

光電探緯儀又稱(chēng)光電式緯線(xiàn)探測(cè)器是一種廣泛應(yīng)用于噴氣織機(jī)上的光電傳感器，主要用于在噴氣織機(jī)正常工作過(guò)程中自動(dòng)對(duì)緯線(xiàn)是否斷線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。其原理為：在織機(jī)正常工作時(shí)，探測(cè)器的紅外射線(xiàn)管主動(dòng)發(fā)出紅外光，當(dāng)緯線(xiàn)前進(jìn)時(shí)在噴氣的影響下，紅外光經(jīng)過(guò)緯線(xiàn)反射，很容易被光電池迅速感應(yīng)。如果光電池沒(méi)有感應(yīng)信號(hào)，這表明緯線(xiàn)已經(jīng)斷裂。

由于緯線(xiàn)非常細(xì)，又是通過(guò)擺動(dòng)前進(jìn)，易形成光的漫反射和背景雜散光，對(duì)光電池接收回波的處理及有效信號(hào)的提取提出了較高的要求，探緯儀一般要求有較高的分別率及探測(cè)靈敏度。

3.2 條形碼掃描筆

掃描條形碼時(shí)，掃描筆主動(dòng)發(fā)射紅光，當(dāng)筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，如果遇到黑色的線(xiàn)條則發(fā)光二極管的光線(xiàn)會(huì)被黑色線(xiàn)條所吸收，此時(shí)光敏三極管不會(huì)接收到反射光，從而呈現(xiàn)出高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài);如果遇到白色間隔時(shí)，則發(fā)光二極管發(fā)出的光線(xiàn)能夠被三極管接收，因產(chǎn)生光電效應(yīng)而導(dǎo)通;黑白相間的條紋產(chǎn)生典型的脈沖信號(hào)，在整個(gè)條形碼掃描完成后形成獨(dú)特的脈沖序列，脈沖序列經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的處理及庫(kù)存信息匹配可以迅速給出所需信息。

條形碼掃描技術(shù)已在超市購(gòu)物、真?zhèn)悟?yàn)證等方面得到了廣泛的應(yīng)用，給人們的生活帶來(lái)了極大的便利。如圖2所示。

圖2 條形碼掃描

3.3 光電測(cè)速儀

用調(diào)制盤(pán)與待測(cè)轉(zhuǎn)軸一起聯(lián)動(dòng)，將轉(zhuǎn)速變化等效為光通量的變化，再經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)電信號(hào)的規(guī)律變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)控。如圖3所示。被測(cè)轉(zhuǎn)軸上裝有調(diào)制盤(pán)，調(diào)制盤(pán)的一側(cè)設(shè)置發(fā)光光源，另一側(cè)設(shè)置光電器件。調(diào)制盤(pán)隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)小孔或齒縫時(shí)，光電器件就產(chǎn)生一個(gè)電脈沖。轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，光電傳感器就產(chǎn)生一列與轉(zhuǎn)速及調(diào)制盤(pán)上的孔數(shù)正成正比的脈沖序列，在孔數(shù)一定時(shí)，脈沖數(shù)就和轉(zhuǎn)速整正比，脈沖經(jīng)放大整形電路處理送數(shù)字頻率計(jì)顯示。

圖3 光電測(cè)速儀

4.光電信息自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 傳感器的發(fā)展方向

微電子技術(shù)和芯片集成設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟和工程化應(yīng)用能力的提升給傳感器的發(fā)展提供了有力的支持，光電傳感器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、功耗低等優(yōu)勢(shì)，逐漸向小型化、集成化、多功能化及智能化方向發(fā)展。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）開(kāi)發(fā)新型傳感器：隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和科技化程度的提高，對(duì)光電傳感器新的使用需求劇增，加強(qiáng)新型傳感器的原理研究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不斷推陳出新已成大勢(shì)所趨。（2）開(kāi)發(fā)新材料：傳感器功能性能指標(biāo)的提升需求，也推動(dòng)的材料方面的發(fā)展，從單材料到復(fù)合材料、原子（分子）型材料人工合成、智能材料的應(yīng)用等成為提升傳感器本身性能的必由之路，也成為今后的發(fā)展方向之一。（3）新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用：科技的變革推動(dòng)了技術(shù)、工藝的創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)、加工制造提出了全新的挑戰(zhàn)，只有不斷加強(qiáng)對(duì)新技術(shù)、新工藝的研究和工程化應(yīng)用，才能在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

4.2 信息檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著光電傳感器的不斷發(fā)展，基于光電傳感器的信息檢測(cè)技術(shù)也在向著高精度、微型化、綜合化及職能化的方向發(fā)展，簡(jiǎn)要闡述如下：（1）高精度：隨著產(chǎn)品功能性能指標(biāo)的不斷提升，相應(yīng)的檢測(cè)精度要求向高精度方向發(fā)展，納米、單光子等高精度光電測(cè)量技術(shù)是今后的發(fā)展熱點(diǎn);（2）微型化：隨著核心的電子元器件、電路向高集成化發(fā)展，基于微型光電傳感器的信息檢測(cè)也朝著小型、快速的微型光、機(jī)、電一體化方向發(fā)展;（3）綜合化：產(chǎn)品的復(fù)雜性及高度集成性要求檢測(cè)功能向綜合性、多參數(shù)、多維測(cè)量等多元方向發(fā)展;（4）智能化：智能化發(fā)展已成為當(dāng)今科技的發(fā)展潮流，光電跟蹤、掃描等智能技術(shù)也在不斷的成熟、完善。

5.總結(jié)

光電傳感器在各行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，隨著現(xiàn)代信息科學(xué)的不斷發(fā)展，光電相關(guān)的新材料、新技術(shù)也在不斷的涌現(xiàn)，還有很多等待著我們?nèi)グl(fā)展、探究?；诠怆妭鞲衅鞯男畔⒆詣?dòng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)給我們工作、生活帶來(lái)了很大的便利，同時(shí)也促進(jìn)了社會(huì)進(jìn)步和科技的發(fā)展。我們有理由相信，光電傳感器及其相關(guān)的信息檢測(cè)技術(shù)不斷創(chuàng)新、發(fā)展必將為當(dāng)今信息時(shí)代的科技進(jìn)步帶來(lái)嶄新的活力與動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]耿楠.光電傳感器在變電站通信控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2013（8）：25-26.

[2]任海萍.光電傳感器的應(yīng)用與發(fā)展[J].科技風(fēng)，2011（1）：197-198.

[3]胡天驕.淺議光電傳感器的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國(guó)電子商務(wù)，2012（2）：135-136.

[4]徐偉.光電傳感器的研究與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（12）.

[5]謝忠志，胡慧之.光電傳感器的應(yīng)用[J].裝備制造，2009（09）.

[6]陳津.傳感器技術(shù)應(yīng)用綜述及發(fā)展趨勢(shì)探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（10）.

[7]張燕，曾光宇.光電式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006（13）.

[8]顏曉河，董玲嬌，蘇紹興.光電傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2006（01）.

[9]張國(guó)才.光電傳感器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J].科技信息（學(xué)術(shù)研究），2008（32）.

[10]謝望.光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用[J].儀器儀表用戶(hù)，2005（05）.

作者簡(jiǎn)介：肖保良（1981—），男，碩士，工程師，主要研究方向：光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理。