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1、光光电式传感器的应用与发展电式传感器的应用与发展姓名：姓名：李振李振学号：学号：0905072016系别系别：电子信息与电气工程系电子信息与电气工程系班级班级：09级自动化（级自动化（1）班）班时间：时间：2011年年12月月24日日目录目录光光电式传感器的电式传感器的介绍介绍光光电式传感器的电式传感器的物理特性物理特性光光电式传感器基本原理电式传感器基本原理光电传感器分类光电传感器分类光电转换元件光电转换元件光电传感器的特点光电传感器的特点光电传感器的光电传感器的应用应用光电传感器的发展趋势光电传感器的发展趋势总述总述 光光电式电式传感器的传感器的介绍介绍 光电传感器是采用光电元件作为检测元
2、件的传感器。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，因此感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检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
3、光电检测系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。见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光光电式传感器的电式传感器的物理特性物理特性 1 1）外光电效应）外光电效应 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等管等 2)2)内内光电效应光电效应 在光电作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光在光电作
4、用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光电晶电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光电晶体管等。体管等。3 3）光电伏特效应）光电伏特效应 在光线作用下在光线作用下 ，物体产生一定方向电动势的现象称，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件有光电池为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。等。基本原理 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是多种多样的,按光电元件按光电元件(光学测控系统光学测控系统)输出量性质可分二类输出量
5、性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲即模拟式光电传感器和脉冲(开关开关)式光电传感器式光电传感器.模拟式光电传模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值它与被测量间呈单值关系关系.模拟式光电传感器按被测量模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体检测目标物体)方法可分为透方法可分为透射射(吸收吸收)式式,漫反射式漫反射式,遮光式遮光式(光束阻档光束阻档)三大类三大类.所谓透射式是所谓透射式是指被测物体放在光路中指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被部份被吸收后吸收后,透射光投射到光电元件
6、上透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件再从被测物体表面反射后投射到光电元件上上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份份,使投射刭光电元件上的光通量改变使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在改变的程度与被测物体在光路位置有关。光路位置有关。光电传感器分类光电传感器分类1 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
7、电。槽的两侧的是槽形光电。2 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。离式光电开光，简称对射式光电开关。3 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，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。为反光板
8、反射式（或反射镜反射式）光电开关。4)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。器，但前方没有反光板。5)5)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。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。光电转换元件光电转换元件 光电转换元件的种类很多，常用的元件有光电管，光敏电阻，光电转换元件的种类很多，常用的元件有光电管，光敏电阻，光电池等。限于篇幅这里我们着重讲解光电管
9、的有关特性。光电池等。限于篇幅这里我们着重讲解光电管的有关特性。光电管光电管 光电管的特性主要取决于光电极的材料，其基本的特性是光光电管的特性主要取决于光电极的材料，其基本的特性是光谱特性，光电特性和伏安特性。谱特性，光电特性和伏安特性。光谱特性光谱特性 用单位辐射通量不同波长的光分别照射光电管，在光电管上用单位辐射通量不同波长的光分别照射光电管，在光电管上产生大小不同的光电流。产生大小不同的光电流。光电特性光电特性 光电管在固定阳极电压下，光通量与光电流光电管在固定阳极电压下，光通量与光电流(阳极电流阳极电流)之间之间的关系称为光电特性。的关系称为光电特性。伏安特性伏安特性 光电管在光通量一
10、定的情况下，阳极电压与阳极电流的光电管在光通量一定的情况下，阳极电压与阳极电流的关系称为伏安特性。关系称为伏安特性。光电传感器的特点光电传感器的特点 1.光电传感器元件的应用特点光电传感器元件的应用特点 1)光敏电阻。输出电流大、受温度的影响小、抗干扰能力强、光敏电阻。输出电流大、受温度的影响小、抗干扰能力强、可靠性高，器件本身不容易发生故障，但响应时间慢。可靠性高，器件本身不容易发生故障，但响应时间慢。2)光电二极管和光电三极管。灵敏度高、响应时间快，但受光电二极管和光电三极管。灵敏度高、响应时间快，但受温度影响比较大、受光面小、方向性强、抗干扰能力弱。不同型温度影响比较大、受光面小、方向性
11、强、抗干扰能力弱。不同型号的管子对光谱响应差异大。号的管子对光谱响应差异大。3)光电池。受光面积大、输出电流小、灵敏度高、响应速度光电池。受光面积大、输出电流小、灵敏度高、响应速度快、光谱比较宽、受温度影响小、抗干扰能力强。快、光谱比较宽、受温度影响小、抗干扰能力强。2.光电传感器的应用特点光电传感器的应用特点 1)检测距离长。如对射型保留大于十米的检测距离，便能实检测距离长。如对射型保留大于十米的检测距离，便能实现其他检测手段现其他检测手段(磁性、超声波等磁性、超声波等)无法检测的对象。无法检测的对象。2)检测物体种类多。由于以检测物体引起的遮光和反射检测物体种类多。由于以检测物体引起的遮光
12、和反射为检测原理，不仅对金属，而且对玻璃、塑料、木材、液体为检测原理，不仅对金属，而且对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体都能进行检测。等几乎所有物体都能进行检测。3)响应时间短。光速高、且传感器的电路都由电子元件构响应时间短。光速高、且传感器的电路都由电子元件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。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。通过设计技术使投光的光束集中在小光点，分辨率高。通过设计技术使投光的光束集中在小光点，或通过构成特殊受光的光学系统实现高分辨率，可进行微小或通过构成特殊受光的光学系统实现高分辨率，可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。物体的检
13、测和高精度的位置检测。5)非接触检测。可非机械性接触检测物体，不会对检测物非接触检测。可非机械性接触检测物体，不会对检测物体和传感器造成损伤，传感器能长期使用。体和传感器造成损伤，传感器能长期使用。6)颜色判别。通过检测物体形成光的反射率和吸收率，根颜色判别。通过检测物体形成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的差异。对检测据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合的差异。对检测物体的颜色进行检测。物体的颜色进行检测。7)易于调整。在投射可视光的类型中，投光的光束是眼睛易于调整。在投射可视光的类型中，投光的光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。可见的，便于对检测物
14、体的位置进行调整。光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测器 带材跑偏检测器用来检测带带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号，主要用制电路提供纠偏信号，主要用于印染、送纸、胶片、磁带生于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。产过程中。光电式带材跑偏检测器原理光电式带材跑偏检测器原理如图如图1所示。光源发出的光线经所示。光源发出的光线经过透镜过透镜1会聚为平行光束，投向会聚为平行光束，投向透镜透镜2，随后被会聚到光敏电阻，随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜上。在平行光束到达透镜2的途的途
15、中，有部分光线受到被测带材中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。通量减少。图图2 为测量电路简图。为测量电路简图。R1、R2 是同型号的光敏电阻。是同型号的光敏电阻。R1 作为测量元件装在带材下方作为测量元件装在带材下方,R2 用遮光罩罩住用遮光罩罩住,起温度补偿作用。起温度补偿作用。当带材处于正确位置当带材处于正确位置(中间位中间位)时时,由由R1、R2、R3、R4 组成的电桥组成的电桥平衡平衡,使放大器输出电压使放大器输出电压uo 为为0。当带材左偏时当带材左偏时,遮光面积减少遮光面积减少,光敏光敏电阻电阻R1 阻值减少阻值减少,电桥失去平
16、衡。电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以差动放大器将这一不平衡电压加以放大放大,输出电压为负值输出电压为负值,它反映了带它反映了带材跑偏的方向及大小。反之材跑偏的方向及大小。反之,当带当带材右偏时材右偏时,uo 为正值。输出信号为正值。输出信号uo 一方面由显示器显示出来一方面由显示器显示出来,另一另一方面被送到执行机构方面被送到执行机构,为纠偏控制为纠偏控制系统提供纠偏信号。系统提供纠偏信号。光电传感器的发展趋势光电传感器的发展趋势 近年来，由于传感器的广泛应用以及在日常生活中所起的近年来，由于传感器的广泛应用以及在日常生活中所起的越来越重要的作用，人们对传感器提出越来越高的要求。越
17、来越重要的作用，人们对传感器提出越来越高的要求。21世纪初期世纪初期(2010前后前后)。敏感元件与传感器发展的总趋势是小。敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、多功能化、智能化、系统化。传感器领域的型化、集成化、多功能化、智能化、系统化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高。并加速新一代传主要技术将在现有基础上予以延伸和提高。并加速新一代传感器的开发和产业化。感器的开发和产业化。纵观几十年传感技术领域的发展，不外乎分为两个方面：纵观几十年传感技术领域的发展，不外乎分为两个方面：一是提高与改善传感器的技术性能；二是寻找新原理、新材一是提高与改善传感器的技术性能；二是寻找新原
18、理、新材料、新工艺及新功能等。料、新工艺及新功能等。1.传感器改善性能的途径传感器改善性能的途径一般常采用下列技术途径：差动技术，平均技术，补偿和修一般常采用下列技术途径：差动技术，平均技术，补偿和修正技术，屏蔽、隔离与干扰抑制，稳定性处理。正技术，屏蔽、隔离与干扰抑制，稳定性处理。2.传感器的发展动向传感器的发展动向 1)开发新型传感器，包括开发新型传感器，包括采用新原理；采用新原理；填补传感填补传感器空白；器空白；仿生传感器等诸方面。仿生传感器等诸方面。2)开发新材料，其主要趋势有以下几个方面：开发新材料，其主要趋势有以下几个方面：从单从单晶体到多晶体、非晶体；晶体到多晶体、非晶体；从单一
19、型材料到复合材料；从单一型材料到复合材料；原子原子(分子分子)型材料的人工合成。由复杂材料来制造性能更加型材料的人工合成。由复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。山半导体敏感材料、良好的传感器是今后的发展方向之一。山半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料。陶瓷材料、磁性材料。3)智能材料，是指设计和控制材料的物理、化学、机械、智能材料，是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等参数。研制出生物体材料所具有的特性或者优于生电学等参数。研制出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料性能的人造材料。物体材料性能的人造材料。4)新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指新工艺的采用
20、。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的维系加工技术。与发展新型传感器联系特别密切的维系加工技术。5)集成化、多功能化与智能化。集成化、多功能化与智能化。总述总述 光电式传感器它除能测量光强之外，还能利用光线光电式传感器它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。光电测量时不与被测对象直接接触器件。光电测量时不与被测对象直接接触,光束的质量又近光束的质量又近似为零似为零,在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器有明。因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器有明显的优越性。近年来，随着光电科学、信息科学和材料科显的优越性。近年来，随着光电科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，光电式传感器技术飞速发展；随着技学发展成果的推动，光电式传感器技术飞速发展；随着技术的进一步完善，随着人们对现代科技认识的不断深入，术的进一步完善，随着人们对现代科技认识的不断深入，光电式传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。光电式传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。谢谢！谢谢！