光电传感器的应用与发展趋势
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
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。
一、应用背景
光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。最后，随着技术的不断发展，光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争。因而光电传感器得到了广泛的应用与长足的发展。
二、光电效应
光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect），一般包括外光电效应、光导效应与光生伏特效应。
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，h＝6.63*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，增加的能量部分将克服正离子束缚，另一部分将转换成电子能量。根据能量守恒定律：1/2mv2=hv-A(m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做功)，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A。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。
当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。它属于内光电效应。当光照在半导体上，若电子的能量与半导体禁带的能级宽度，则使电子从价带跃迁到导带形成电子。同时，价带留下相应的空穴，导致电子空穴仍留在半导体内，并参与导电在外电场作用形成的电流。
除金属外，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著，根据光导效应制造的光电元件的固有入射光频率，当其光照在光电阻上时，导电性增强，电阻值下降。光强度愈强，其阻值愈小，若停止光照，其阻值恢复到原阻值。
半导体受光照射产生电动势的现象称为光生伏特效应，据此效应制造的光电器件有光电池，光电二极管，管控晶闸管和光耦合器等。
三、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，其结构如下：
图1 光电传感器的结构
由上可知，其首先把被测量的变化转换成光信号,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号；其次，光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成；再次，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,使光电式传感器在检测和控制中广泛应用。
1.光源
光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源来达到测量目的的关系，因此光电传感器的光源有着重要的地位，常用光源有以下几种：
⑴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。
⑵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。
⑶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。
由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。另外，不同的光电元件，所要求的测量电路是不相同，并且在各种导体的光电元件常用测量电路与各种红外线传感器的工作方式更是各有所异，在此就不一一描述。
2.电子测量电路
由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须
配备适当的测量电路。半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用图2所示的电路。
图2 光敏电阻测量电路
图3给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。图中一个光敏二极管作为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。
图3 光敏晶体管测量电路
半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度，如图4（a）所示。当光照产生的光电流为I Ф时，输出电压U0=IФRF为了保证光敏二极管处于反向偏置，在它的正极要加一个负电压。图4（b）给出硅光电池的光电转换电路，由于光电池的短路电流和光照成线性关系，因此将它接在运放的正、反相输入端之间，利用这两端电位差接近于零的特点，可以得到较好的效果。在图中所示条件下，输出电压U0=2I ФRF。
图4 使用运放的光敏元件放大电路
3.光电元件
1.光电管
光电管有真空光电管和充气光电管两类，在此只介绍光电管的结构、电路及特性。
（1）光电管结构
图5 光电管结构示意图
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，使自由电子能量增加到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（1/2） mv2（2）电管测量电路
光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，其电路如下所示：
图6 光电管测量电路
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。在上图电路中，电流和电阻上的电压和光强成函数关系，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 RL上的电压U0
(3)光电管的光电特性
图7 光电管的光电特性
从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本呈现一条直线。
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。其结构如下：
图8光电倍增结构图
从图中可知光电倍增管有一个阴极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10～15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时，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σ，则光电倍增管的倍增率可以认为是σN ，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。
3.光敏电阻特性
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。
（4）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，其特性如下图：
图9光敏电阻的伏安特性
从上可知，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。
（5）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。
（6）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。
（7）响应时间和频率性
光敏电阻的光电流不能随着光照量得改变而立即改变，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这个惰性通常用时间常数来描述。因此，时间常数越小，响应越迅速。但大多数光敏电阻的时间常数较大，这是它缺点之一。
（8）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。
四、光电传感器的分类
1. 模拟式光电传感器
这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定的函数关系，这类传感器通常有以下四种形式。
（1)光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，如图10（a）所示。这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。
（2)恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数。如图10（b）所示。可用于测量透明度、混浊度。
（3)恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如图10（c）所示。反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。
（4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如图10（d）所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。
图10 模拟式光电传感器常见形式
2.脉冲式光电传感器
在这种传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。
五、常见光电传感器及应用
1.透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用
透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支架上。当槽内无物体时，发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从而产生一定大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面。
防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。
烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。本应中应用奥托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光电传感器，其光源(发光器)与接收器不在同一个机壳内，见图11使用示意图：先将发射器和接收器对准并固定好后才可以通电(12.24)VDC；接着在ON状态设定好发射器的中心位置，然后左右上下方向调节接收器和发射器的位置；最后检测目标稳定后固定好发射器和接收器。
图12是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图：为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气与二氧二碳对光源衰减的影响，选取可见光作光源(400.700nm波长的白炽光)。光检测器光谱响应范围为400.600nm的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。为了提高检测灵敏度，采用具有高增闪、高输入阻抗、低零漂、高共模抑制比的运算放大器，对信号进行放大。刻度校正被用来进行调零与调满刻度，以保证测试准确性。显示器可显示浊度瞬时值。报警电路由多谐振荡器组成，当运算放大器输出浊度信号超过规定时，多谐振荡器工作，输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号。
图11 透射型BYD3M.TDT 光电传感器使用示意图
图12 吸收式烟尘浊度监测系统组成框图
2. 漫射聚焦型传感器
漫射聚焦型传感器是效率较高的一种漫射型光电传感器。发光器透镜聚焦在传感器前面固定的一点上。接收器透镜也是聚焦在同一点上。敏感的范围是固定的，取决于聚焦点的位置。这种传感器能够检测在焦点上的物体，允许物体前后偏离焦点一定距离，这个距离称作“敏感窗口”。当物体在敏感窗口以外，在焦点之前或者之后时便检测不到。敏感窗口取决于目标的反射性能和灵敏度的调节状况。因为所射出来的光能是聚焦在一个点上面，增益增大了很多，于是传感器很容易地就检测到窄小的物体或者反射性能差的物体，其原理示意图见图13所示。
具有背景光抑制功能的漫射型光电传感器只能检测一定距离的目标物体，在这个距离以外的物体它便检测不到。在各种漫射型光电传感器中，这种类型的传感器敏感目标物体颜色的灵敏度是最低的。这种传感器的一个主要优点是，它不会检测背景物体。而普通的漫射型光电传感器往往会把背景物体误认为是目标物体。
对于具有机械式背景光抑制功能的漫射型光电传感器，它里面有两个接收元件：一个接收来自目标物体的光，另一个接收背景光。目标接收器E1上的反射光的强度超过背景光接收器E2上的反射光时，便把目标检测出来，产生输出信发射器
左右调节上下调节接收器
光轴
号。当背景光接收器上的反射光的强度超过目标接收器上的反射光时，不检测目标，输出状态不发生变化。在距离可变的传感器中，焦点可以用机械的方法进行调节。
对于具有电子式背景光抑制功能的漫射型传感器，在传感器中使用一只位置敏感元件(PSD)而不是使用机械元件。发光器发出一束光线，光束反射回来，从目标物体反射回来的光线和从背景物体反射回来的光线到达位置敏感元件的两个不同位置。传感器对到达位置敏感元件这两点的光进行比较，并将这个信号与事先设定的数值进行比较，从而决定输出的状见图14所示。
图13漫射光聚焦型光电传感器应用原理图图14 电子方法抑制背景光
3.条形码扫描笔
当扫描笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管的光线将被黑线吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗，处于截止状态。当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管的基极，光敏三极管产生光电流而导通。整个条形码被扫描过之后，光敏三极管将条形码变形一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成脉冲列，再经计算机处理，完成对条形码信息的识别。
4.产品计数器
产品在传送带上运行时，不断地遮挡光源到光电传感器的光路，使光电脉冲电路产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次，光电传感器电路便产生一个脉冲信号，因此，输出的脉冲数即代表产品的数目，该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来。
5.光电式烟雾报警器
没有烟雾时，发光二极管发出的光线直线传播，光电三极管没有接收信号。没有输出，有烟雾时，发光二极管发出的光线被烟雾颗粒折射，使三极管接受到光线，有信号输出，发出报警。
6.测量转速
在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色，转动时，反射光与不反射光交替出现，光电传感器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。
7.光电池在光电检测和自动控制方面的应用
光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。
六、光电传感器的发展
随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，这就促使光电传感器不得不随着时代步伐而更新，改善光电传感器性能必须朝着高灵敏度、高精确度、响应速度快、互换性好的方向发展。因此，未来的光电传感器将向以下几个方向发展
1. 开发利用新材料
传统的光电传感器主要是利用硅和锗这类半导体制成，可以说硅和锗开启了人类的数字化时代，是人类20世纪最伟大的发明之一。但近年来，硅材料固有的缺点开始出现，成为了半导体发展的瓶颈。为此，人们开始应用新技术开发新的半导体材料，以替代硅
2.往数字化方向发展
传统的光电传感器的输出，都是模拟信号与数字信号相比，有着一些缺点，如容易受到干扰，抗干扰能力差，保密性差，不能长距离传输等。而数字信号与模拟信号相比，具有抗干扰能力强，保密性高，长距离传输等优点。未来的光电传感器必定会朝着数字化的方向发展。
3.往嵌入式方向发展
采用数字信号处理，要求的是光电传感器必须要有数字信号的处理电路，或处理芯片。鉴于传感器一般都安装在工业生产的前线，不可能用庞大的计算机进行处理，所以嵌入式系统是光电传感器数字化的唯一发展道路。常见的嵌入式系统可以用单片机，FPGA，ARM，DSP，PLC等。
4.向微型化发展
各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧
等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。
5.向高可靠性、宽温度范围发展
传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20℃～70℃，在军用系统中要求工作温度在-40℃～85℃范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。
6.向低功耗或无源化方向发展
传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。
7.向智能化方向发展
智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点、尚无统一的、确切的定义。目前国内外学者普遍认为，智能光电传感器是由传统的光电传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的，它充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳智能光电传感器的功能有：自补偿能力。自校准功能，自诊断功能，数值处理功能，双向通信功能，信息存储和记忆功能，数字量输出功能。
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