传感技术与应用论文-光电传感器的应用与研究.doc

光电传感器的应用与研究 学院名称： 邵阳学院 专业名称： 自动化 年级班别： 13 姓 名： 史利东 指导教师： 罗卲屏2015年5 月摘 要：在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。关键词：PSD,效应， 原理，光电传感器目录摘 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 . 163.3光电位传置感器.6四、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。（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。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。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。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。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。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，自动控制等传统应用领域的研究也有新发展。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。（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。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。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，光电管的光电特性，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。（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。光电倍增管具有良好的线性关系特点，使它多用于微光测量。（3）光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下：1暗电阻 光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。2亮电阻 光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。3伏安特性 光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如图5所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。4光电特性 光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。5光谱特性 入射光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光谱特性。使用时可根据被测光的波长范围，选择不同材料的光敏电阻。6响应时间 光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性。光敏电阻上升响应时间和下降响应时间约为10-110-3s，即频率响应为10Hz1000Hz，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个主要缺点。7温度特性 光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降，这也是光敏电阻的另一缺点。8频率特性 频率特性是指外加电压和入射光强一定是，光电流I与入射光的调制频率f之间的关系，I?（f），光电二极管的频率特性较光电三极管的频率特性好，这是由于光电三极管的基射结存在电容和载流子基区需要时间的缘故。利用内光电效率原理制造的光电元件的频率特性最差，这是由于俘获载流子和释放电荷都需要一定时间的缘故。2.3光电传感器光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图6，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.光电传感器一般由三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种：1、发光二极管 是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。2、丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。3、激光 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。三、新型的光电传感器3.1 CCD传感器光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面，尤其适用以上领域中的图像识别技术。（1） CCD的结构和基本原理（2）CCD图像传感器应用1. 工件尺寸检测CCD图像传感器在许多领域内获得了广泛的应用。前面介绍的电荷耦合器件(CCD)是构成CCD固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。CCD图像传感器具有高分辨率和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛应用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。2. CCD传感器在公共交通上的应用目前，在公共交通中方面大量采用CCD传感器，对马路进行监测，对违章车辆进行拍照处理。一般车辆在被拍照后会传至指挥中心。指挥中心收到图片，会将车牌号信息与车管所信息相比对，从而调出车辆的综合信息，如车主、车型、颜色等，然后由信息处理人员录入北京市公安交通管理局网站， 以使违章车主能够进行查询。这样的麻烦事增加了管理人员的工作量。采用先进的CCD传感器对拍到的图片进行智能处理，通过某种算法，使CCD传感器能够智能的识别车牌号码，这样将大大减少管理人员的工作量。3.2光纤传感器（1）光纤传感器的原理和组成光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成，光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区，在调治区内，外界被测参数作用于进入调区内的光信号，是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器而获得被测参数，光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用。光纤主要分为两类，一是渐变光纤，一是跃阶光纤。前者的折射率是渐变的而后者的折射率是突变的。另外还分为单模光纤及多模光纤，近年来，又有新的光子晶体光纤问世。依材质：石英玻璃、多组份玻璃、氟化物、塑料、液芯。 依转输方式分：单模、多模级射、多模斜射。 依折射率分：阶跃型、渐变型光纤。依工作波长分：短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤。光纤是基于光的全反射原理而工作的。当入射角 在此范围内时，光在界面产生全反射，并在光纤内部一同样的角度反复逐次反射，知道传播到光纤的另一端面。如果工作需要光纤微弯曲，只要仍满足全反射定律，则光仍然可以继续前进。如果入射角超出上述范围，则进入光纤的光线便会在截面上发生折射，并透入包层。（2）光纤传感器的应用领域1、在航天器及船舶中的应用先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。 2、在民用工程结构中的应用民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检 测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。光纤传感器在温度测试中的应用它是利用光在光纤中传输能够产生后向散射，在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，那么它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，这些后向散射光波的状态受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可将温度信号实时显示出来，并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些信息定位光纤传感器在裂缝监测中的应用当地下深部发生变形时，必将挤压砂浆体产生相应形变，导致裂缝或滑移（错动）的产生，进而引起埋入光纤的微弯，该处的微弯将破坏光波导的全反射条件，使光损耗增加，产生衰减，利用光纤监测地下深部变形，就是基于微弯衰减的传感机制。埋入洞内的光纤，全部是传感部分，受深部变形作用，光纤产生微弯或挠曲，致使光损耗增大；OTDR检测到全过程的散射光强分布。（OTDR是一种用于光纤通信故障定位的技术，现在普遍运用于分布式光纤传感器系统中） 光纤传感器在光纤光缆中的应用光缆通信在我国已有20多年的使用历史，这段历史也就是光通信技术的发展史和光纤光缆的发展史。光纤光缆在我国的发展可以分为这样几个阶段：对光缆可用性的探讨；取代市内局间中继线的市话电缆和PCM电缆；取代有线通信干线上的高频对称电缆和同轴电缆。这两个取代应该说是完成了；现正在取代接入网的主干线和配线的市话主干电缆和配线电缆，并正在进入局域网和室内综合布线系统。目前，光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域，包括邮电通信、广播通信、电力通信和军用通信等领域。光纤传感器在智能大桥中的应用它是将传感元件、驱动元件以及信息处理控制系统集成于主体材料中 ,使制成的构件不仅具有承受载荷、传递运动的能力 ,而且具有检测多种参数 (如应力、应变、损伤、温度、压力等 )、分析、处理及控制等多种功能。它出现时间不长 ,但已成为目前国内外研究的热点。具有智能材料结构特点的智能桥梁能对 智能材料结构的动作流程图桥梁的施工质量、运营中的应力状态以及其它多种参数进行长期实时在线监测 ,并根据对大量传感信息的实时综合分析采取适当、及时的控制措施 ,因而可以极大地提高工程结构的安全性和可靠性 ,避免灾难性事故的发生。3、在电力工业中的应用光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。4、在医学中的应用光纤光栅传感器还可用来测量心脏的效率。在这种方法中，医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射人一种冷溶液，可测量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出量，这对于心脏监测是非常重要的。5、在化学传感中的应用光纤光栅传感器可用于化学传感，因为光栅的中心波长随折射率的变化而变化，而光栅间倏失波的相互作用以及环境中的化学物质的浓度变化都会引起折射率的变化。3.3光电位置传感器（1） 概念光电位置传感器是一种硅光电二极管，是一种对入射光敏面上的光位置敏感的光电器件。（2） 特点它对光斑的形状无严格要求,即输出信号与光的聚焦无关,只与光的能量中心位置有关,这给测量带来了很大的方便.光敏面上无需分割,消除了死区,可连续测量光斑位置,位置分辨率高.一维psd可达0.2m,二维psd可测定的面积为1313(mm).可同时检测位置和光强psd器件输出的总光电流与入射光强有关，而各信号电极输出光电流之和等于总光电流，所以从总光电流可求得相应的入射光强。（3） PSD的工作原理与位置表达式PSD 的工作原理基于横向光电效应。PSD 由三层构成， 最上一层是P 层， 下层是N 层，中间插入一较厚的高阻I层，形成P-I- N 结构。此结构的特点是I层耗尽区宽，结电容小，光生载流子几乎全部都在I层耗尽区中产生，没有扩散分量的光电流, 因此响应速度比普通PN 结光电二极管要快得多。当PSD 表面受到光照射时，在光斑位置处产生比例于光能量的电子空穴对流过P 层电阻， 分别从设置在P 层相对的两个电极上输出光电流I1 和I2。由于P 层电阻是均匀的，电极输出的光电流反比于入射光斑位置到各自电极之间的距离。X=(I2-I1/I2+I1)L(4) 一维PSDSD是一种基于横向光电效应的位置传感器件。它是一种非分割型器件，可将光敏面上 的光点位置转化为电信号。（5） 二维PSD窗体顶端二维窗体底端二维psd用来测定光点在平面上的二维（x，y）坐标。按结构分为：两面分离型psd表面分离型psd四、其他的光电传感器4.1 高速光电二极管（1）PIN结光电二极管PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。 由式 = CjRL与 f = 1/2知，Cj小，则小，频带将变宽。内电场较大，电子加速运动，响应时间快。最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。（2）雪崩光电二极管(APD)雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。P区外侧增加高浓度P+层。这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。缺点：噪声大。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。5.2 色敏光电传感器色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊类型。它是两只结深不同的的光电二极管组合体。4.3 光位置传感器当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件。五、光电传感器的应用5.1光电传感器的优点光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成，有以下优点：检测距离长。对检测物体的限制少。响应时间短。分辨率高。能通过高级设计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。可无机械接触地检测物体，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，便于对检测物体的位置进行调整。5.2光电传感器的具体应用举例（1）测量工件表面的缺陷用光电传感器测量工件表面缺陷的工作原理如图1 所示，激光管1 发出的光束经过透镜2 和3 变为平行光束，再由透镜4 把平行光束聚焦在工件7的表面上，形成宽约0.1mm 的细长光带。光栏5 用于控制光通量。如果工件表面有缺陷( 粗糙、裂纹等) ，则会引起光束偏转或散射，这些光被硅光电池6 接收，即可转换成电信号输出。（2）测量转速在电动机的旋转轴上 涂上黑白两种颜色，当电动机转动时，反射光与不反射光交替出现，光电元件1相应地间断接收光的反射信号，并输出间断的电信号，再经放大器及整形电路2放大整形输出方波信号，最后由电子数字显示器输出电机的转速。（3）测量