1、 光電傳感器的應用與研究 學院名稱： 邵陽學院 專業名稱： 自動化 年級班別： 13 姓 名： 史利東 指導教師： 羅卲屏2015年5 月摘 要：在科學技術高速發展的現代社會中，人類已經入瞬息萬變的信息時代，人們在日常生活，生產過程中，主要依靠檢測技術對信息經獲取、篩選和傳輸，來實現制動控制，自動調節，目前我國已將檢測技術列入優先發展的科學技術之一。由于微電子技術，光電半導體技術，光導纖維技術以及光柵技術的發展，使得光電傳感器的應用與日俱增。這種傳感器具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數多、反應快以及結構簡單,形式靈活多樣等優點，在自動檢測技術中得到了廣泛應用，它一種是以光電效應為

2、理論基礎，由光電材料構成的器件。關鍵詞：PSD,效應， 原理，光電傳感器目錄摘 要. 1一、緒論. 31.1光電傳感器概述 . 31.2光電傳感器發展 . 4二、光電傳感器的基本原理. 72.1光電效應 . 72.2光電原件及特性 . 82.3光電傳感器 . 11三、新型的光電傳感器. 153.1 CCD傳感器 . 153.2光纖傳感器 . 163.3光電位傳置感器.6四、其他的光電傳感器. 204.1 高速光電二極管. 204.3 光位置傳感器. 22五、光電傳感器的應用. 235.1光電傳感器的優點 . 235.2光電傳感器的具體應用舉例 . 23六、我對光電傳感器的看法. 26七、結論.

3、 28一、緒論1.1光電傳感器概述（1）定義光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。（2）光電傳感器的分類光電元件有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、發光二極管（LED）、光電倍增管、光電池、光電耦合器件等。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統是多種多樣的，按光電元件（光學測控系統）輸出量性質，光電式

4、傳感器可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關）式光電傳感器；模擬式光電傳感器按被測量（檢測目標物體）方法又可分為透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻擋）三大類。1槽開光電開關把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。2對射式光電開光若把發光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發光器和一個收光器組成的光電開關就稱為以射分離式光電開光，簡稱對射式光電開關。3反光板反射式光電開關把發光器和收光器裝入同一個裝置內，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開關。4擴散反射式光電開關它的檢測頭里也裝有一個發光器和一個收

5、光器，但前方沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是收不到的；當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關控制信號。光纖式光電開關把發光器發出的光用光纖引導到檢測點，再把檢測到的光信號用光纖引導到光接收器就組成光纖式光電開關。按動作方式的不同，光纖式光電開關也可分成對射式、反光板反射式、擴散反射式等多種類型。（3）光電傳感器的作用如今，傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種

6、各樣的傳感器。1.2光電傳感器發展傳感技術的發展經歷了三個階段,即結構型傳感器、物性型傳感器和智能型傳感器。1結構型傳感器 以其結構部分變化或結構部分變化后而引起某種場的變化來反映被測量的大小及變化。2物性型傳感器 利用構成傳感器的某些材料本身的物理特性在被測量的作用下發生變化,從而將被測量轉換為電信號或其他信號輸出。3智能型傳感器 把傳感器與微處理器有機地結合成一個高度集成化的新型傳感器。它與結構型、物性型傳感器相比,能瞬時獲取大量信息,對所獲得的信息還具有信號處理的功能,使信息的質量大大提高,其功能也擴展了。以網絡化智能傳感器為例,它以嵌入式微處理器為核心,集成了傳感單元、信號處理單元和網

7、絡接口單元,使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發展;從被動檢測向主動進行信息處理方向發展;從孤立元件向系統化、網絡化發展;從就地測量向遠距離實時在線測控發展,已成為傳感器技術發展的主要方向之一。通過對光電效應和器件原理的研究已發展了多種光電器件（如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、場效應光電管、雪崩光電二極管、電荷耦合器件等），適用于不同的場合。光電式傳感器的制造工藝也隨薄膜工藝、平面工藝和大規模集成電路技術的發展而達到很高的水平，并使產品的成本大為降低。光電式傳感器的最新發展方向是采用有機化學汽相沉積、分子束外延、單分子膜生長等新技術和異質結等新工藝。光電式傳感器的應用領域已擴大

8、到紡織、造紙、印刷、醫療、環境保護等領域。在紅外探測、輻射測量、光纖通信，自動控制等傳統應用領域的研究也有新發展。二、光電傳感器的基本原理2.1光電效應光電傳感器的物理基礎是光電效應。光電效應是指物體吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的能量，從而產生的點效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類。（1）外光電效應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，電子會克服束縛脫離材料表面而進入外界空間，從而改變光電子材料的導電性，這種現象成為外光電效應。（2）內光電效應當光照射在物體上，使物體的電阻率發生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應。1光電導效應：在光

9、作用下，電子吸收光子的能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，從而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。2光生伏特效應：在光的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、光敏三極管。2.2光電原件及特性根據外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。（1）光電管 光電管的種類繁多，典型的產品有真空光電管和充氣光電管，光電管的光電特性，在光通量不太大時，光電特性基本是一條直線。（2）光電倍曾管 由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。光電倍增管具有良好的線性關

10、系特點，使它多用于微光測量。（3）光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數如下：1暗電阻 光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。2亮電阻 光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。3伏安特性 光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關系稱為伏安特性，如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區。4光電特性 光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照

11、度與亮電流間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點之一。5光譜特性 入射光波長不同時，光敏電阻的靈敏度也不同。入射光波長與光敏器件相對靈敏度間的關系稱為光譜特性。使用時可根據被測光的波長范圍，選擇不同材料的光敏電阻。6響應時間 光敏電阻受光照后，光電流需要經過一段時間（上升時間）才能達到其穩定值。同樣，在停止光照后，光電流也需要經過一段時間（下降時間）才能恢復到其暗電流值，這就是光敏電阻的時延特性。光敏電阻上升響應時間和下降響應時間約為10-110-3s，即頻率響應為10Hz1000Hz，可見光敏電阻不能用在要求快速響應的場合，這是光敏電阻的一個主要缺點。7溫度

12、特性 光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電流增大，靈敏度下降，這也是光敏電阻的另一缺點。8頻率特性 頻率特性是指外加電壓和入射光強一定是，光電流I與入射光的調制頻率f之間的關系，I?（f），光電二極管的頻率特性較光電三極管的頻率特性好，這是由于光電三極管的基射結存在電容和載流子基區需要時間的緣故。利用內光電效率原理制造的光電元件的頻率特性最差，這是由于俘獲載流子和釋放電荷都需要一定時間的緣故。2.3光電傳感器光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的，它的基本結構如圖6，它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號.光電傳感器一般由光源

13、,光學通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等優點,而且可測參數多,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛.光電傳感器一般由三部分構成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路。光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關系，來達到測量目的的，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恒光源，電源穩定性的設計至關重要，電源的穩定性直接影響到測量的準確性，常用光源有以下幾種：1、發光二極管 是一種把電能轉變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優點，并能和集成電路相匹配。因此，廣

14、泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。3、激光 激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優點，是很理想的光源。三、新型的光電傳感器3.1 CCD傳感器光固態圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉移器件集合而成。它的核心是電荷轉移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年問世以

15、后，由于它的低噪聲等特點，CCD圖象傳感器廣泛的被應用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面，尤其適用以上領域中的圖像識別技術。（1） CCD的結構和基本原理（2）CCD圖像傳感器應用1. 工件尺寸檢測CCD圖像傳感器在許多領域內獲得了廣泛的應用。前面介紹的電荷耦合器件(CCD)是構成CCD固態圖像傳感器的主要光敏器件，取代了攝像裝置中的光學掃描系統或電子束掃描系統。CCD圖像傳感器具有高分辨率和高靈敏度，具有較寬的動態范圍，這些特點決定了它可以廣泛應用于自動控制和自動測量，尤其適用于圖像識別技術。2. CCD傳感器在公共交通上的應用目前，在公共交通中方面大量采用CCD傳感器，對馬路進行監測

16、，對違章車輛進行拍照處理。一般車輛在被拍照后會傳至指揮中心。指揮中心收到圖片，會將車牌號信息與車管所信息相比對，從而調出車輛的綜合信息，如車主、車型、顏色等，然后由信息處理人員錄入北京市公安交通管理局網站， 以使違章車主能夠進行查詢。這樣的麻煩事增加了管理人員的工作量。采用先進的CCD傳感器對拍到的圖片進行智能處理，通過某種算法，使CCD傳感器能夠智能的識別車牌號碼，這樣將大大減少管理人員的工作量。3.2光纖傳感器（1）光纖傳感器的原理和組成光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3部分組成，光源發出的光耦合進光纖，經光纖進入調制區，在調治區內，外界被測參數作用于進入調區內的光信號，是其光學性質如光

17、的強度、相位、偏振態、波長等發生變化成為被調制的信號光，再經過光纖送入光探測器而獲得被測參數，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖起保護作用。光纖主要分為兩類，一是漸變光纖，一是躍階光纖。前者的折射率是漸變的而后者的折射率是突變的。另外還分為單模光纖及多模光纖，近年來，又有新的光子晶體光纖問世。依材質：石英玻璃、多組份玻璃、氟化物、塑料、液芯。 依轉輸方式分：單模、多模級射、多模斜射。 依折射率分：階躍型、漸變型光纖。依工作波長分：短波長光纖、長波長光纖、超長波長光纖。光纖是基于光的全反射原理而工作的。當入射角 在此范圍內時，光

18、在界面產生全反射，并在光纖內部一同樣的角度反復逐次反射，知道傳播到光纖的另一端面。如果工作需要光纖微彎曲，只要仍滿足全反射定律，則光仍然可以繼續前進。如果入射角超出上述范圍，則進入光纖的光線便會在截面上發生折射，并透入包層。（2）光纖傳感器的應用領域1、在航天器及船舶中的應用先進的復合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機的機翼)。 2、在民用工程結構中的應用民用工程的結構監測是光纖光柵傳感器最活躍的領域。光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時進行沖擊檢測、形狀控制和

19、振動阻尼檢 測等，以監視結構的缺陷情況。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網絡，對結構進行準分布式檢測，可以用計算機對傳感信號進行遠程控制。光纖傳感器在溫度測試中的應用它是利用光在光纖中傳輸能夠產生后向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，那么它在光纖中傳輸的同時不斷產生后向散射光波，這些后向散射光波的狀態受到所在光纖散射點的溫度影響而有所改變，將散射回來的光波經波分復用、檢測解調后，送入信號處理系統便可將溫度信號實時顯示出來，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些信息定位光纖傳感器在裂縫監測中的應用當地下深部發生變形時，必將擠壓砂漿體產生相應形變，導致裂縫或滑移（錯

20、動）的產生，進而引起埋入光纖的微彎，該處的微彎將破壞光波導的全反射條件，使光損耗增加，產生衰減，利用光纖監測地下深部變形，就是基于微彎衰減的傳感機制。埋入洞內的光纖，全部是傳感部分，受深部變形作用，光纖產生微彎或撓曲，致使光損耗增大；OTDR檢測到全過程的散射光強分布。（OTDR是一種用于光纖通信故障定位的技術，現在普遍運用于分布式光纖傳感器系統中） 光纖傳感器在光纖光纜中的應用光纜通信在我國已有20多年的使用歷史，這段歷史也就是光通信技術的發展史和光纖光纜的發展史。光纖光纜在我國的發展可以分為這樣幾個階段：對光纜可用性的探討；取代市內局間中繼線的市話電纜和PCM電纜；取代有線通信干線上的高頻

21、對稱電纜和同軸電纜。這兩個取代應該說是完成了；現正在取代接入網的主干線和配線的市話主干電纜和配線電纜，并正在進入局域網和室內綜合布線系統。目前，光纖光纜已經進入了有線通信的各個領域，包括郵電通信、廣播通信、電力通信和軍用通信等領域。光纖傳感器在智能大橋中的應用它是將傳感元件、驅動元件以及信息處理控制系統集成于主體材料中 ,使制成的構件不僅具有承受載荷、傳遞運動的能力 ,而且具有檢測多種參數 (如應力、應變、損傷、溫度、壓力等 )、分析、處理及控制等多種功能。它出現時間不長 ,但已成為目前國內外研究的熱點。具有智能材料結構特點的智能橋梁能對 智能材料結構的動作流程圖橋梁的施工質量、運營中的應力狀

22、態以及其它多種參數進行長期實時在線監測 ,并根據對大量傳感信息的實時綜合分析采取適當、及時的控制措施 ,因而可以極大地提高工程結構的安全性和可靠性 ,避免災難性事故的發生。3、在電力工業中的應用光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現長距離低損耗傳輸，從而成為電力工業應用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。4、在醫學中的應用光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。在這種方法中，醫生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導管插入病人心臟的右心房，并注射人一種冷溶液，可測量肺動脈血液的溫度，結合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監測是非常重要的。5、在化學傳感中的應

23、用光纖光柵傳感器可用于化學傳感，因為光柵的中心波長隨折射率的變化而變化，而光柵間倏失波的相互作用以及環境中的化學物質的濃度變化都會引起折射率的變化。3.3光電位置傳感器（1） 概念光電位置傳感器是一種硅光電二極管，是一種對入射光敏面上的光位置敏感的光電器件。（2） 特點它對光斑的形狀無嚴格要求,即輸出信號與光的聚焦無關,只與光的能量中心位置有關,這給測量帶來了很大的方便.光敏面上無需分割,消除了死區,可連續測量光斑位置,位置分辨率高.一維psd可達0.2m,二維psd可測定的面積為13×13(mm²).可同時檢測位置和光強psd器件輸出的總光電流與入射光強有關，而各信號電極

24、輸出光電流之和等于總光電流，所以從總光電流可求得相應的入射光強。（3） PSD的工作原理與位置表達式PSD 的工作原理基于橫向光電效應。PSD 由三層構成， 最上一層是P 層， 下層是N 層，中間插入一較厚的高阻I層，形成P-I- N 結構。此結構的特點是I 層耗盡區寬，結電容小， 光生載流子幾乎全部都在I 層耗盡區中產生，沒有擴散分量的光電流, 因此響應速度比普通PN 結光電二極管要快得多。當PSD 表面受到光照射時，在光斑位置處產生比例于光能量的電子空穴對流過P 層電阻， 分別從設置在P 層相對的兩個電極上輸出光電流I 1 和I 2。由于P

25、 層電阻是均勻的，電極輸出的光電流反比于入射光斑位置到各自電極之間的距離。X=(I2-I1/I2+I1)L(4) 一維PSDSD是一種基于橫向光電效應的位置傳感器件。它是一種非分割型器件，可將光敏面上 的光點位置轉化為電信號。（5） 二維PSD窗體頂端二維窗體底端二維psd用來測定光點在平面上的二維（x，y）坐標。按結構分為：兩面分離型psd表面分離型psd四、其他的光電傳感器4.1 高速光電二極管（1）PIN結光電二極管PIN管是光電二極管中的一種。它的結構特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內電場就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結雙電層

26、的間距加寬，結電容變小。 由式 = CjRL與 f = 1/2知，Cj小，則小，頻帶將變寬。內電場較大，電子加速運動，響應時間快。最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。（2）雪崩光電二極管(APD)雪崩光電二極管是利用PN結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極管。P

27、區外側增加高濃度P+層。這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結區內電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。缺點：噪聲大。由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。5.2 色敏光電傳感器色敏光電傳感

28、器實際上是光電傳感器的一種特殊類型。它是兩只結深不同的的光電二極管組合體。4.3 光位置傳感器當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產生側向光電效應。當光照部分吸收入射光子的能量產生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產生光電動勢。基于該效應的光電器件如半導體光電位置敏感器件。五、光電傳感器的應用5.1光電傳感器的優點光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件3部分組成，有

29、以下優點：檢測距離長。對檢測物體的限制少。響應時間短。分辨率高。能通過高級設計使投光光束集中在小光點，或通過構成特殊的受光光學系統，來實現高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。可實現非接觸的檢測。可無機械接觸地檢測物體，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。可實現顏色判別。通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質，可對檢測物體的顏色進行檢測。便于調整。在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調整。5.2光電傳感器的具體應用舉例（1）測量工件表面的缺陷用光電傳感器測量工件表面缺陷的工作原理如圖1 所示，激光管1 發出的光束經過透鏡2 和3 變為平行光束，再由透鏡4 把平行光束聚焦在工件7的表面上，形成寬約0.1mm 的細長光帶。光欄5 用于控制光通量。如果工件表面有缺陷( 粗糙、裂紋等) ，則會引起光束偏轉或散射，這些光被硅光電池6 接收，即可轉換成電信號輸出。（2）測量轉速在電動機的旋轉軸上 涂上黑白兩種顏色，當電動機轉動時，反射光與不反射光交替出現，光電元件1相應地間斷接收光的反射信號，并輸出間斷的電信號，再經放大器及整形電路2放大整形輸出方波信號，最后由電子數字顯示器輸出電機的轉速。