淺談傳感器在光電狀況下的特性與應(yīng)用

揭峰

【摘 要】光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。按光電元件輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開(kāi)關(guān)）式光電傳感器。為此本文著重介紹新型式光電傳感器的組成與特點(diǎn)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】光電信號(hào)；光電開(kāi)關(guān)；硬件設(shè)計(jì)；應(yīng)用

一、引言

傳感器是獲取信息的工具，它涉及整個(gè)科學(xué)技術(shù)、國(guó)防、航空、航天、交通運(yùn)輸、能源、機(jī)械、石油、化工、輕工、紡織等工業(yè)部門和環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)工程等和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要支柱技術(shù)之一。現(xiàn)代信息技術(shù)包含信息采集、信息傳輸和信息處理等內(nèi)容。隨著全球制造業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)傳感器成為提高生產(chǎn)能力和增強(qiáng)安全的關(guān)鍵所在。工業(yè)傳感器有各種尺寸、形狀和技術(shù)——最常見(jiàn)的是用電感、電容、光電、磁力、超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)的傳感器。每一種技術(shù)各有其長(zhǎng)短，因此要根據(jù)應(yīng)用的要求來(lái)確定采用哪一種傳感。光電測(cè)量時(shí)不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，光束的質(zhì)量又近似為零，在測(cè)量中不存在摩擦和對(duì)被測(cè)對(duì)象幾乎不施加壓力。因此在許多應(yīng)用場(chǎng)合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性。其缺點(diǎn)是在某些應(yīng)用方面，光學(xué)器件和電子器件價(jià)格較貴，并且對(duì)測(cè)量的環(huán)境條件要求較高。從上述分析可知，現(xiàn)代信息技術(shù)的主體是光子技術(shù)與微電子技術(shù)，而光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，它們相互交叉、相互滲透與補(bǔ)充就形成了光電信息技術(shù)，光電信息技術(shù)的主要內(nèi)容是電─光信息轉(zhuǎn)換和光─電信息的轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。

二、光電轉(zhuǎn)換及特性分析

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(huì)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)。光電傳感器由光源、接收器、放大器及信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成。光敏三極管對(duì)進(jìn)來(lái)的光線進(jìn)行分析，看看它是不是從發(fā)光二極管產(chǎn)生的光，并且產(chǎn)生輸出信號(hào)。要使光電子逸出陰極表面的必要條件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)每一種陰極材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射。光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)是首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).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(cè)方法具有精度高，反應(yīng)快，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。

光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。多數(shù)光電開(kāi)關(guān)選用的是波長(zhǎng)接近可見(jiàn)光的紅外線光波型。光電傳感器是一種依靠被測(cè)物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來(lái)達(dá)到測(cè)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(gè)恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可以配以放大電路。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(jí)晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無(wú)光照時(shí)承受的反向偏壓。

三、光電傳感器應(yīng)用

硬件分析光電傳感器檢測(cè)：如果在對(duì)射型中保留10m以上的檢測(cè)距離等，便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段（磁性、超聲波等）；光電傳感器對(duì)檢測(cè)物體的限制少，由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理，所以不象接近傳感器等將檢測(cè)物體限定，它可對(duì)玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)；光電傳感器響應(yīng)時(shí)間短，光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間非常短。光電傳感器分辨率高，通過(guò)高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過(guò)構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)；擴(kuò)散反射式光電開(kāi)關(guān)它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)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；對(duì)射型傳感器，若把發(fā)光器和收光器分離開(kāi)，就可使檢測(cè)距離加大，一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成對(duì)射分離式光電開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)稱對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。

光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。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。光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。通常用于對(duì)移動(dòng)目標(biāo)物體定位與檢測(cè)。迷你型適合安裝空間受限的場(chǎng)合，大部分迷你型普通LED光源的漫反射式檢測(cè)距離在1米以內(nèi)，鏡反射型檢測(cè)距離在10米以內(nèi)，對(duì)射型在20米左右，而激光光源的檢測(cè)距離會(huì)高于這個(gè)范圍。小型和緊湊型的檢測(cè)距離會(huì)進(jìn)一步延伸，目前可提供最遠(yuǎn)的對(duì)射型距離可達(dá)350米。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和中獲得廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，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(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了新的一頁(yè)。

【參考文獻(xiàn)】

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