光电传感器的应用与研究毕业论文

永城职业学院课程设计第 0 页 共 32 页永城职业学院机电一体化传感器论文题目：机电一体化传感器论文系部：机电工程系班级：五年制 121 班姓名：王朝阳学号：2012812111指导老师：2016 年 5 月 29 日光电传感器的应用与研究永城职业学院课程设计第 1 页 共 32 页摘 要本论文首先介绍了液晶相物质的基础知识,包括液晶的形成、分类以及指向矢。然后对液晶的光学性质进行了详细的介绍，包括它的双折射、各向异性、偏振现象、宾主效应以及热光学效应，尤其是对本文中所要用到的向列相液晶的性质进行了重点介绍。然后参照有关文献，对宾主液晶全光系调焦透镜的原理进行了研究。这种液晶透镜装置，可以在不加外电场的情况下，用一个 He-Ne 激光光源（波长为 633 nm）作探测光，一个倍频 ND:YAG 激光光源(波长是532nm)作抽运光。利用温度对掺杂液晶的折射率的影响，通过改变透镜的参数以及抽运光的强度，引起液晶盒对光的吸收率的变化，使温度发生变化导致折射率产生变化，从而来实现焦距的连续调节。关键词： 宾主液晶；透镜；调焦器；原理目录永城职业学院课程设计第 2 页 共 32 页摘 要 .1一、绪论 .31.1 光电传感器概述 .31.2 光电传感器发展 .4二、光电传感器的基本原理 .72.1 光电效应 .72.2 光电原件及特性 .82.3 光电传感器 .11三、新型的光电传感器 .153.1 CCD 传感器 .153.2 光纤传感器 .16四、其他的光电传感器 .204.1 高速光电二极管 .204.3 光位置传感器 .22五、光电传感器的应用 .235.1 光电传感器的优点 .235.2 光电传感器的具体应用举例 .23六、我对光电传感器的看法 .26七、结论 .28永城职业学院课程设计第 3 页 共 32 页一、绪论1.1 光电传感器概述（1）定义光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。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。（2）光电传感器的分类光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、发光二极管（LED） 、光电倍增管、光电池、光电耦合器件等。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质，光电式传感器可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器；模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法又可分为透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻挡）三大类。1槽开光电开关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。 永城职业学院课程设计第 4 页 共 32 页2对射式光电开光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以射分离式光电开光，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。 3反光板反射式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。 4扩散反射式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收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。光纤式光电开关把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。（3）光电传感器的作用新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。如今，传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。1.2 光电传感器发展1839 年 A.E.贝可勒尔发现当光线落在浸没于电介液中的两个金属电极上，它们之间就产生电势，后来称这种现象为光生伏特效应2。1873 年 W.史密斯和 Ch.梅伊发现硒的光电导效应2。1887 年 H.R.赫兹发现外光电效应2。基于外光电效应的光电管和光电倍增管属真空电子管或离子管器件，曾在 5060永城职业学院课程设计第 5 页 共 32 页年代广泛应用，直到目前仍在某些场合继续使用。虽然早在 1919 年 T.W.凯斯就已取得硫化铊光导探测器的专利权3，但半导体光敏元件却是在 60 年代以后随着半导体技术的发展而开始迅速发展的。在此期间各种光电材料都得到了全面的研究和广泛的应用。它们的结构有单晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它们的成分有元素半导体的和化合物半导体的，也有多元混晶的。其中最重要的两种是硅和碲镉汞。硅的原料丰富,工艺成熟,是制造从近红外到紫外波段光电器件的优良材料。碲镉汞是碲化汞和碲化镉的混晶，是优良的红外光敏材料。 传感技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器。 1结构型传感器 以其结构部分变化或结构部分变化后而引起某种场的变化来反映被测量的大小及变化。 2物性型传感器 利用构成传感器的某些材料本身的物理特性在被测量的作用下发生变化,从而将被测量转换为电信号或其他信号输出。 3智能型传感器 把传感器与微处理器有机地结合成一个高度集成化的新型传感器。它与结构型、物性型传感器相比,能瞬时获取大量信息,对所获得的信息还具有信号处理的功能,使信息的质量大大提高,其功能也扩展了。以网络化智能传感器为例,它以嵌入式微处理器为核心,集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元,使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展;从被动检测向主动进行信息处理方向发展;从孤立元件向系统化、网络化发展;从就地测量向远距离实时在线测控发展,已成为传感器技术发展的主要方向之一。而光电传感器作为新型传感器更是得到了广阔应用。 通过对光电效应和器件原理的研究已发展了多种光电器件（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等） ，适用于不同的场合。光电式传感器的制造工艺也随薄膜工艺、平面工艺和大规模集成电路技术的发展而达到很高的水平，并使产品的成本大为降低。被称为新一代摄像器件的聚焦平面集成光敏阵列正在取代传统的扫描摄像系统。光电式传感器的最新发展方向是采用有机化学汽相沉积、分子束外延、单分子膜生长等新技术和异质结等新工艺。光电式传感器的应用领域已扩大到纺织、造纸、印刷、医疗、环境保护等领域。在红外探测、辐射测量、光纤通信，自动控制永城职业学院课程设计第 6 页 共 32 页等传统应用领域的研究也有新发展。例如，硅光电二极管自校准技术的提出为光辐射的绝对测量提供了一种很有前途的新方法。 永城职业学院课程设计第 7 页 共 32 页二、光电传感器的基本原理2.1 光电效应光电传感器的物理基础是光电效应。光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的点效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。（1）外光电效应光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,A 微电子所做的功。由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是 hA。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限” 。相应的波长为 式中，c 为光速，A 为逸出功。（2）内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率 发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。内光电效应多发生与半导体内，根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。1光电导效应：在光作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2光生伏特效应：在光的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。A-hm21AhcK永城职业学院课程设计第 8 页 共 32 页图 3 光敏二极管 图 4 光敏三极管2.2 光电原件及特性根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。（1）光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光电管它的外形和结构如图 1 所示，半圆筒形金属片制成的阴极 K 和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极 A 封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加 h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功 A 时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为 2)1(mv光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图 2 所示。在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图 2 所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电阴极 K 上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流 I，在负载电阻 LR上的电压 0U光电管的光电特性如图 3 所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。图 1 光电管结构示意图 图 2 光电管测量电路 图 3 光电管的光电特性永城职业学院课程设计第 9 页 共 32 页（2）光电倍曾管 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图 4 是光电倍增管结构示意图。从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极 K 和一个阳极 A，与光电管不同的是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、，倍增电极通常为 1015 级。光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。当入射光照射阴极 K 时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极 D1 加速，以高速轰击 D1 ，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以产生多个二次电子， D1 发射出的二次电子又被 D1、D2 问的电场加速，射向D2 并再次产生二次电子发射，这样逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这 些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。若倍增电极有 n级，各级的倍增率为 ，则