优秀毕业设计（论文）：光电传感器的发展趋势及应用

1、河南工业职业技术学院tfetian乎©lytecrnicinstitute毕 业 设 计题 系 专 班 姓 学目别业级名号指导教师光电传感器的发展趋势及应用光电工程系精密机械制造精密1003方光辉1501100312贺军峰2012.10. 15指导教师（签名）:光屯传感器是利用光屯效应制成的一类传感器的总称，它能将光学量转变为屯 学量，广泛应用于检测和自动化系统。光电传感器包括光电池和光电阻传感器。木 文将以下儿个方面：1.什么是光电池和光电阻传感器；2光电池和光电阻传感器的 比较；3光电传感器的实际应用；4光电传感器在未来的发展方向，详细地介绍光 电传感器，并提出本人对光电传感器在

2、未來的预测。传感器技术作为信息技术的三 大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术是进入21世纪以來优先发展的十 大顶尖技术之一。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来 越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大 动力，i佃现代科学技术突飞猛进则捉供了坚强的后盾。传感器是信息系统的源头，在 某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。本文回顾了传感器技术的发展 历史，综述了近几年高端前沿的光屯传感器技术和生物传感器技术的主要研究应用 状况，并通过简述当前的应用实例，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。关键字：光学量，电学量，光电池，光电阻传

3、感器，信息技术等。目 录3弓丨言4第一章.光电传感器的发展现状51传感器技术的发展历史51.2传感器的分类51.3.基于光电与生物传感器技术的国内外研究应用现状61.4当代光电传感器技术的研究应用现状61.5当代牛物传感器技术的研究现状71.6我国传感器发展应采取的措丿施8第二章.光电传感器的结构及工作原理112.1工作原理及工作示意图112.2光敏电阻142.3光敏二极管152.4光敏三极管172.5硅光电池19第三章.光电传感器的检测方法213对射式213.2反射板式223.3偏振反射板式243.4直反式243.5宽光束直反式253.6聚焦式253.7定区域式和定区域式263.8超声波接近

4、模式26第四章.光电传感器的应用28引言传感器技术作为信息技术的三大基础z-,是当前各发达国家竞相发展的高技 术是进入21世纪以來优先发展的十大顶尖技术z-o传感器在科学技术领域、工农 业生产以及常生活中发挥着越來越重要的作用。人类社会对传感器提岀的越來越 高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的 后盾。传感器是信息系统的源头，在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键 部件。本文凹顾了传感器技术的发展丿力史，综述了近几年高端前沿的光电传感器技 术和生物传感器技术的主要研究应用状况，并通过简述当而的应用实例，展望了现 代传感器技术的发展和应用前景。传感器是将物理

5、、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的 非电信号转换成电信号的换能器。当今社会的发展是信息化社会的发展，在信息时 代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理，而传感器是 获取门然领域中信息的主耍途径与手段，是现代科学的中枢神经系统，它是指那些 对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检岀功能，并使之按照一定规律 转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控 系统的接口位置一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易 传输和处理的电信号。如杲把计算机比喻为处理和识别信息的大脑，把通信系统比 喻为传递信息的神经系统，那

6、么传感器就是感知和获取信息的感觉器官。传感器技 术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技 术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的 位置现代传感器技术具有巨大的应用潜力拥有广泛的开发空间，发展前景十分广 阔。第一章.光电传感器的发展现状传感器技术的发展历史传感器技术是20世纪的屮期才刚刚问世的，在那吋与计算机技术和数字控制技 术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段并 没冇投入到实际生产与广泛应用传化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国 不断发展与提高的工业化浪潮卜诞生的，并在早期多用于国家级项冃

7、的科研研发以 及各国军事科技航空航天领域的试验研究。然而，随着各国机械工业、屯子、计算 自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日木和欧美等西方国家为代表的传感器研 发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五” 的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进，并在数控机床攻关中 取得了一批可喜的为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体 上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器信号处理和识别 系统仍然依赖进口。阿同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成产品的 改进与革

8、新速度慢生产与应用系统的创新与改进少。1.2传感器的分类传感器可从不同角度分类。从被测量不同，分为几何机械量（例如尺寸、角度、 表面参数、位移、速度、加速度、角位移、角速度等），热工量（例如温度、压力、 流量、密度、黏度、质量等），光学量（强度、功率、波长、频率、相位、速度、 脉宽、延迟、折射率、束散角等），声学量，生物参数，医学量（生理参数）等。 从传感器的输岀不同，可分为模拟信号（连续波和脉冲波），数字信号，电压和电 流等传感器。1.3.基于光电与生物传感器技术的国内外研究应用现状21世纪是迈向信息化社会的崭新阶段。其中，光电信息学与生物学的迅猛发展 已成为这一时期科学技术发展的重要标志。

9、并最有机会寻求更大的突破与飞跃传感 器技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科，在人类边向新世纪，步入信息化 社会的关键阶段想要寻求空前迅速的发展，很大程度上取决于传感器在这两个前沿 领域中的深入研究与广泛应用。1. 4当代光电传感器技术的研究应用现状光电式传感器(photoelectric sensor)是以光为测量媒介，以光电器件为转 换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。近年来，随着各 种新型光电器件的不断涌现，特别是激光技术和图像技术的迅猛发展，光电传感器 已成为各种光屯检测系统中实现光屯转换的关键元件。在传感器领域的扮演着重要 角色，在非接触测量领域占据绝对统治地

10、位。口前，光电式传感器已在国民经济和 科学技术各个领域得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用。其中，光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，并负责把光信号、红外、 可见及紫外光辐射，转变成为电信号、光电器件响应快结构简单，使用方便 而且有 较高的可靠性，因此在自动检测、计算机和控制系统中应用广泛。光屯式传感器既 可以测量光信号，也可以测量其他非光信号，它可以实现对直接引起光源变化的被 测量进行测量，也可以对使光路产生变化的被测量进行测量，量电路对光电器件输 出的电信号进行放大或传换。光电传感器在当而科研领域的运用范围很广，影响力巨大，尤其是基于光电传 感器技术原理研发和制造岀的新型光屯传感

11、器已成为当今传感器市场的主流，在国 外，光电传感器技术已广泛地运用到各国军事技术、航空航天、检测技术以及车辆 工程等诸多领域。例如，军事上，国外激光制导技术迅猛发展，使导弹发射的精度 和射屮目标的准确性大幅度捉高，美国在航空航天领域，研制出了新型高精度高耐 性红外测温传感器，使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分 温度。国外的城市交通管理也人多运用屯子红外光屯传感器进行路段事故检测和故 障排解的指挥。同时，国外现有汽车屮常装载有新型光电传感器如激光防撞雷达、 红外夜视装置、测量发动机燃料特性、压力变化并用于导航的光纤陀螺等。目前我国的光电式传感器在现代研究实力和影响范围上虽不及

12、h本和欧美一些 国。但却在研究的种类和样式上取得重大的突破，总体上可分为光电式数字转速表、 光屯式物位传感器、视觉传感器以及细丝类物件的在线检测。同时，基于光屯传感 器技术的科技设备已在我国被广泛地应用于多种军事领域，其屮较为广泛的应属紫 外告警系统，它为探测来袭导弹提供了一个极其有效的手段。1. 5当代生物传感器技术的研究现状生物传感器技术是指用生物活性材料作为感受器，通过其生化效应来检测被测量 的传感器。牛物传感器的原理主要由两大部分组成，牛物功能物质的分子识别部分 和转换部分。前者的作用是识别被测物质，当牛物传感器的敏感膜与被测物接触时, 敏感膜上的某种生化活性物质就会从众多化合物中挑选

13、适合丁自己的分子并与z产 生作用，使其具有选择识别的能力，转换部分是由于细胞膜受体与外界发生了共价 结合，通过细胞膜的通透性改变 诱发了一系列的屯化学过程 而这种变换得以把生 物功能物质的分子识别转换为电信号 形成了牛物传感器。生物传感器的研制和开发在全球学术界都具有巨大的影响力。在国外，现代生物 传感器已被详细划分为酶传感器、细胞传感器、免疫传感器、基因传感器等。酶传 感器方面，由于酶的纯化困难，加z固化技术影响酶的活性现代生物传感技术中采 用多酶体系，利用即对不同化合物采用不同类型的酶进行最人活性的催化反应，并 运用多晦的反馈调节可大大节省原材料并提高工作效率固定化底物电极，即使玻璃 电极

14、附近的，变化与酶的活性在一定范围内呈线性关系酶的电化学固定化即制作厚 度小，酶含量可控的酶层细胞传感器以活细胞作为探测单元能定性定量地测量和分 析未知物质的信息，并可连续检测和分析细胞在外界刺激卜的生理功能免疫传感器 是利用抗体对抗原的识别并能与抗原结合的功能构成的生物传感器。根据生物敏感 膜产生电位的不同，可分为标记和非标记免疫传感器。现代基因传感器技术主要应用于基因固定的载体表面修饰和基因探针固定化技 术、界面杂交技术、杂交信号转换和检测技术等。在我国，生物传感器技术还处在 大规模的研究阶段。然而，结合国内外相关技术研制的生物传感器在我国当前的工 业、农业、环境监测及生物医学等众多领域述是

15、冇着广泛和重要的应用。在生物医 学方面，一些有临床诊断意义的基质如血糖、乳酸、谷氨酰胺等可借助于生物传感 器來检测在环境监测领域，生物传感器在测定环境污染指标即水质受冇机物污染的 程度方面起到了重要的作用。为保证地区的淡水、饮用水质量，有效治理被污染水 源等做出了贡献，微主物传感器用于测定空气和水中的含量和浓度，在发酵工业、 整治大气污染等方而发挥功效。生物传感器述可探测除草剂含量应用于植物学研究 和整治农约污染。在食品工业中，生物传感器用于食品鲜度滋味和熟度的测定，在 食品生产和加工过程中起到重要作用，同时，还可测定食品中的细菌和毒索含量， 及吋避免人们误食此类食品危害健康。1.6我国传感器

16、发展应釆取的措施当前，我国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现 了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋 势。我国在传感器生产产业化过程屮，应该兼顾引进国外技术和自主创新两方面。 在引进国外先进技术中，可以提高口己的技术，同时也满足了国内市场的需求，形 成了传感器生产产业规模。今后国内传感器产业发展应采取以下措施：(1) 加大科技投入，保证传感器技术及其产业的可持续发展。从战略发展考虑， 国家应加大科技投入力度同时，国家在执行投资倾斜政策时，要注意支持传感器行 业的骨干企业和特色企业，通过技术改造提高档次、扩大规模；重点支持具有发展 潜力的

17、地区形成生产基地，培育出传感器产业新的经济增长点。(2) 加大自主创新，捉升自主知识产权比例。21世纪传感器发展的总趋势是微型化、集成化、多功能化、智能化、网络化， 传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，尤其是微机械加工与微米 /纳米技术。我国应在现有技术基础上，在广泛吸收、消化、跟踪国外先进技术的同 时，加大技术创新，努力发展专用技术、特色技术、自主知识产权技术要以提高企 业自身的创新与开发能力为突破口，采取以企业为主体、高等院校和科研院所广泛参 与，利益共享、风险共担的产、学、研联合的机制，组织协同攻关，占领技术制高点, 增强企业核心竟争力，并逐步实现自主开发、自我发展的良性循

18、环，创造出具冇自 主知识产权的名牌产品。(3) 加快科技人才开发。传感器产业要生存、要发展、要振兴、要参与国内外市场竞争并立于不败之地, 从某种意义上说是人，或者说是高科技人才在起决定性作用。在此情况下，应大力 开展人力资源开发，加快培养与造就科技人才，培养新一代的传感器专家。(4) 建立有利干传感器技术快速转化的高效运行机制。以抓改革、抓创新、抓 质量、抓市场、抓管理为主要任务，以传感器产业发展上规模、上档次、争份倾、 创利润为主要口标，建立有利于传感器技术与经济紧密结合、促进其科技成果快速 转化的高效运行机制，基本形成传感器产学研科技经济一体化的发展模式，努力实 现传感器产业从速度数量型向

19、质量效益型传变，以达到技术经济双升级，创新创业 双赢的成效。现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间。传感器是信息系 统的源头。在客观对象的测量、测试、检测、监测、分析、定位、跟踪、导航、制 导、控制及健康管理等系统中，传感器是不可缺少的且在一定程度上是决定系统性 能的重要部件。因此,无论是材料、元器件和部件，述是系统研发者对传感器进展高 度关注。传感器是科学和工程结合产物，既依赖于科学的新现象和新规律，又依赖于 新技术和工艺。口前，我国传感器产品及其产业化水平与国外发达国家相比还有很大的差距， 而传感器技术的发展正处于由传统向新型传感器发展的关键阶段，传感器更新换代 快、需求量大

20、、需求增长速度快，由于国内传感器的发展落后丁需求的增加，国内 大片市场被国外产品所占领面对国际市场的竞争，我国传感器行业处于非常不利的 地位，英至在某些领城出现生存危机。为此，国内传感器的研究开发工作应重视基 础性研究，针对屮试规模的新产品，在攻克制造工艺技术的前提下，进行工艺稳定性 研究及市场应用研究，在确定产品性能稳定可靠工艺易于批量化生产，市场应用前 景广阔的基础上，开展产业化技术及产业化配套技术研究、可靠性技术等方面研究, 以市场需求为导向，积极调动各方面力量，以促进我国传感器行业的产业化进程。因 此，要抓住机遇，立意创新，迎接挑战，坚持走科技与产业相结合的道路，加强具 有口主知识产权

21、的新型传感器的开发，加速现有科研成果的转化和产业化，辿速提 高国产传感器的市场占冇率，这才是我国传感器产业自身发展的当务之急，也是我 国传感器发展的必由之路。第二章.光电传感器的结构及工作原理2.1工作原理及工作示意图光电传感器是指能够将可见光转换成某种屯量的传感器。光敏二极管是最 常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有 一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，pn结的面积做得较 大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光 照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（vaa）,称为光敏二极管的喑电流; 当有光照吋，载流子被激发，产

22、生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作 用下，光电载流了参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称 为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光 照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光頌二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有 对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三 极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便 光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区 吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流 1= （1+b） i （很小），比一般三极管的穿

23、透电流还小；当有光照时，激发大量 的电子-空穴对,使得基极产生的电流i增大,此刻流过管子的屯流称为光屯流, 集电极电流i二（1+b ） i,可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。 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。光电传 感器在一般情况下，有三部分构成光源一电参星被测星量图2-1光电传感器的基本结构它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一 般來源于半导体光源，发光二极管(led)、激光二极管及红外发射二极管。光朿不间 断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前而，装有光学元件如透镜和光

24、圈等。在其后而是检测电路，它能滤出 有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三 角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束 准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角, 使光束儿乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。分类和工作方 式槽型光电传感器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

25、形开关的检测距离因为受整体结 构的限制一般只有儿厘米。对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可 使检测距离加人。曲一个发光器和一个收光器组成的光屯开关就称为对射分离式光 电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用吋把发光 器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻扌肖光路，收光器就动 作输出一个开关控制信号。反光板型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來被 收光器收到；一旦光路被检测物扌当住，收光器收不到光吋

26、，光电开关就动作，输出 一个开关控制信号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岀的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并 把光部分反射回來，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。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，它的基木 结构如图2-1,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

27、传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，來达到测量目的 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屮。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磚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

28、。光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以 配以放大电路，如图2-1所示。2.2光敏电阻1）光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还冇硒、硫化铝、硫 化铅和硫化祕等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小 的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动, 电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。2）光嫩电阻的伏安特性测量图2-2光敏电阻的伏安特性（1）按原理图2-2连接好实验线路，将光源用的标准钩丝灯和光敏电阻板置测 试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由di1-vc3直流

29、恒压源提供。（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强， 每次在一定的光照条件下,测出加在光敏电阻上电压u为+2v、+4v、+6v、+8v、+10v 时5个光电流数据，即口 =-，同时算出此时光嫩电阻的阻值心=匕二冬。” 1.ook0卩 iph以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行56次不同光强实验数据测量。邂辔来樹数据画出光嫩电阻的一组伏安特性曲线。u(v46.8315. 710992688. 95436. 720. 0560. 2030. 4040.6140.81040. 1130.4120. 8301. 2511.64360. 1740. 6211.2451.8

30、742. 45780. 2320. 8311.6702. 5053. 281100. 2901.0402. 0883. 1394. 103表2-1光敏电阻伏安特性曲线- 46. 8lx t-317. 5lx1099lx t 2688. 9lx 6436. 7lxu(v)图2-3由图可知，在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电 压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。2.3光敏二极管光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导休二极管在结构上是类似 的，其管芯是一个具冇光敏特征的pn结，具有单向导电性，因此工作时需加上 反向电压。无光照吋，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此吋

31、光敏二极管截 止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的 变化而变化。当光线照射pn结时，可以使pn结中产生电子一空穴对，使少数 载流了的密度增加。这些载流了在反向电压卜漂移，使反向电流增加。因此可 以利用光照强弱來改变电路中的电流。光敏二极管的伏安特性测量图2-3光敏二极管特性测试屯路（1）按原理图2-3接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九 孔插板中，电源由dh-vc3直流恒压源提供，光源电压012v （可调）。（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测岀 加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其屮光电流：（

32、l.ookq为取样电阻r）,以后逐步调大相对光强（56次）,重复 冋 1.00kg上述实验。（3）根据实验数据画出光敏二极管的一组伏安特性曲线。u(v16.2109.4380.8931. 71883. 820. 0090. 0270. 0580. 1020. 16140. 0090. 0280. 0590. 1040. 16560. 0090. 0290. 0600. 1070. 17080. 0090. 0300. 0610. 1100. 174100. 0091.0310. 0620. 1130. 179120. 0091.0320. 0630. 1170. 183表2-20.20. 15

33、 o 3 o. 1 1 0. 05光敏二极管伏安特性曲线f-162lx -»-109. 4lx380.8lx2681012931. 7lx米一1883. 8lx0u(v)图2-4光敏二极管伏安特性曲线由图可知,得增大而增大。光电二极管的在一定光强下，其光电流保持一定值，并不随光电压2.4光敏三极管光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是 受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三 极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具冇光敏特性的pn结受到 光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极

34、回 路中得到一个放人了相当于b倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具冇不同 的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。光敏三极管的伏安特性测量u(v)16.2109.4380.8931.71883. 820. 1010. 2050.8142.2484. 56040. 1140.3111. 1022.8255. 46960. 1250. 4261. 3673.4036. 73380. 1380. 5401.5044.0177.965100. 1500. 6501. 7404. 6059. 236120. 1610. 7531.9765.21310. 514表2-3

35、图2-5光敏三极管特性测试实验（1）按原理图2-4接好实验线路，将光敏三极管板置测试架屮、电阻盒置于九 孔插板中，电源由dh-vc3直流恒压源提供，光源电压012v （可调）。（2）先将可调光源调至和对光强为“弱光”位置，每次在一定光照条件下，测 出加在光皱三极管的偏置电压与产生的光电流ic的关系数据。其中光电流ic = ur （1.00kq为取样电阻r） oc 1.00kq（3）根据实验数据画出光敏三极管的一组伏安特性曲线。1210864202410 12-16. 2lx109.4lx380. 8lx-x- 931. 7lx 1883. 8lx6 8u(v)图2-6光墩三极管伏安特性曲线曲图

36、2-5可知，在较弱光强下，光明三极管的光屯流并不随光屯压变化，随着光 强的增大，其光电流在一定范围内随着电压的增大二增大，而后保持一定值不变。2.5硅光电池硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心 部分是一个大面积的pn结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接 成闭合冋路，当二极管的管芯（pn结）受到光照时，你就会看到微安表的表针发主偏 转，显示出回路里有电流，这个现彖称为光生伏特效应。硅光电池的pn结而积要比 二极管的pn结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。1）硅光屯池的伏安特性测量图2-7硅光电池特性测试电路（1）实验线路见图2-6,

37、电阻箱调到0q。（2）先将可调光源调至和对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出 硅光电池的开路电压u和短路电流is,其屮短路电流为is=-（取样电阻r为10.00q10. 00q）,以后逐步调大相对光强（56次），重复上述实验。（3）根据实验数据画出硅光电池的光照特性曲线。光强 566. llxr(q)471414701000use (v)0. 1730. 1360. 1030. 052ur(v)0. 0240. 1070. 4300.913表2-4u(v)图2-8硅光电池伏安特性曲线由图可知，在光强一定时，硅光电池的光电流随着光电压的增大先保持不变，后逐渐减小，月.减小速度越来越快。

38、第三章.光电传感器的检测方法3.1对射式对射式检测方式的发射器和接收器相互对射安装，发射器的光直接对准接收器。 当被测物挡住光束时，传感器输岀产生变化以指示被测物被检测到。对射式是最早使用的一种光电检测模式。在调制光出现之前，发射器和接收器 的对准是一个很大的难题。今天，对于使用高能调制光的光电传感器，将发射器和 接收器对准已非常容易。（1）光路对准一对射式光路对准可使最人数量的发射光到达接收器，发射光要位于接收区域的中央位当发射器为可见光时，为使光路对准方便，在接收器镜头的正前方放一浅色的标 定物，通过观察照在标定物上的光斑来调整发射器位置。将标定物移开，观察传感 器上的过量增益指示灯，细调

39、发射器和接收器的位置以达到最佳的对准位置。（2）检测距离一对射式检测距离是传感器一个很重要的参数。对于对射式传感器，此参数是指传感器 的发射器与接收器之间的最大距离。有效光束是指发射的所有光束中起作用的那部 分，为可靠检测物体，此部分光必须要被全部遮挡。对射式检测模式的有效光束， 我们可以将其比喻为连接发射器镜头（或超声波变送器）与接收器镜头（或变送器）的一个杆，如果发射器和 接收器的镜头大小不一样，则此杆会变成锥形。有效光束与发射器发射的光束或接 收器的可接收区域是不一样的。对丁对射式光电传感器，在检测小的部件或进行精确定位时，其有效光束可能 会太大以致不能进行可靠检测。在这种情况卜：可以给

40、传感器加装光缝來减小有效 光束的尺寸。（注意：在选择光缝材料时，要注意有些非金属材料可能会被高能的 调制光穿透）。安装光缝会减小通过镜头的光的能量（光缝越小，通过的光就越少）。例如: 直径20mm的镜头安装上带一 5mm孔的光缝后，则通过此孔的光的能量仅为原来 的（1/4）2或l/16th,如果发射器和接收器都安装了光缝，则光的能量会损失双 倍。矩形光缝与同尺寸的圆孔形光缝相比，其镜头接收光的区域较大。因此，如果 被测物通过光束的方向是一定的，则优先选用矩形光缝（如边沿检测）。如果小的 被测物通过光束的方向不是固定的，则优先选用圆形光缝。如呆被测物在通过时总是非常靠近发射器或接收器，则仅需安装

41、一个光缝即可。 其有效光束尺寸在有光缝的一端为光缝上孔的尺寸，在未安装光缝的一端为镜头的 尺寸，成为锥形。在使用对射式传感器检测小物体时，在使用对射式传感器检测小物体时，一方 面要保证有效光束的尺寸必须小于被测物的最小尺寸，同时要使镜头保留尽可能大 的可视区域，以保证足够的检测距离。一种简便的方法就是使用光纤，这种光纤检 测头的出光孔有多种形状和尺寸，以适用于不同的被测物。冇些高能的经过调制的对射式传感器，在近距离使用时，冇时会在被测物周围产 生光能激增现象，致使传感器产生误动作。这也是为什么要求被测物尺寸一定要大 于有效光束尺寸的原因之一。对于对射式的超声波传感器，通过使用声波引导器件可以确

42、定英波形图。此器件 安装在接收器的变送器（有时也安装在发射器上），安装此器件后，接收器对从侧 面过來的声波反应就会很弱，因而可以比较可靠的检测小的物体。3.2反射板式反射板式的检测模式中，一个传感器本身既有发射器又有接收器。发射器发射 光照到反射板上，反射光再返回接收器上。当物体挡住光束时，被测物就被检测到 to反射板式传感器的检测距离为从传感器到反射板的距离。其冇效光束通常为锥 形，从镜头边沿到反射板边沿。特殊情况下与此不同，如：当传感器离反射板太近 时，光束不能全部覆盖整个反射板；或者发射光为激光光束时。在这些情况下，有 效光束的尺寸扩展不到反射板的整个而积。反射板通常是由多个几何棱镜组成

43、的矩阵，每个棱镜有三个互相垂直的平面和 一个斜面。光束从斜面射入，经其他三个面反射后从这个斜面上平行的返回。这样 反射板就将入射光反冋到了接收器。多数棱镜式反射板由透明丙烯酸塑料压铸而成，具有多种尺寸和外形。棱镜或 反射板经常作为汽车安全反射板用，当汽车前灯照在反射板上时，反射板会反射凹 很强的光使司机能及时观察到。高速公路上的警示标志可以用反射带來制作，反射带表面涂有一层薄的带几何 棱镜的反光材料或玻璃细沙。（光滑的玻璃表面也可把光反射冋去，但是涂玻璃细 沙的表面其反光率低于带儿何棱镜的表面）非常光亮的表面也可以做反射板用，但 入射光会以等同的角度朝相反方向反射凹去。为了使传感器能接收到反射

44、光，发射 光必须垂直于镜面。但对于反射板來说，它能将入射光以偏离垂直线最大20°的角 度反射回來，这样就使对准非常容易。好的反射板的反光率是一张白纸的3, 000倍，所以反射板式传感器很容易接收 到从反射板反射冋来的光。但是对于反光率很强的被测物，当扌肖住光束时，也能将 很强的光反射凹传感器而使其误认为被测物并未出现。对这种问题，我们也有相应 的解决办法。如果一个表面很平很亮的物体总是沿固定的方向经过检测区域，那么我们可以 将传感器和反射板倾斜安装，以使被测物表面反射冋来的光冋不到传感器，倾斜角 度通常为1015。o但是如果光亮被测物表而是圆形或被测物是以不确定的角度进入检测区域，则

45、 问题就会比较复杂。此时我们可以将传感器和反射板水平及垂直方向均旋转一定角 度，这样通常情况下可以解决问题。如问题仍不能解决，则考虑使用偏振反射板式 或对射式检测模式。3.3 偏振反射板式偏振镜头与可见光的反射板式传感器配合使用，能很好解决光亮物体的检测问 题。两个偏振镜头分别安装在发射器和接收器镜头的而面，偏振方向互相垂直。发 射光经发射器垂直偏振镜头偏振后，变成垂直振动的光波，此光波经反射板反射（去 偏振）后，变为水平方向振动的光波，这种光波可通过接收器的水平偏振镜头被接 收器接收。偏振镜头虽然解决了传感器检测光亮物体时的误动作问题，但同时也大 大减弱了有效光束的能量，这一点对丁检测环境灰

46、尘较大或需要较长检测距离的应 用场合尤为重要。偏振反射板式传感器仅能与带几何棱镜的反射板配合使用。光路对准一反射板式，近年來，随着led技术的不断提高，使用可见光光源的发 射器逐步增多。当使用可见光光源时，反射板式传感器的对准就很容易了。当我们 在反射板上看到可见光时，光路基本就对准了。光电传感器屮，直反式传感器是一种常用的检测模式。在这种方式屮，发射器 发出的光以多种角度照到被测物表面上，被测物表面同样以多种角度对入射光进行 反射，其中只有很小的一部分被反射凹接收器。直反式检测模式对光能的利用率相 对较低，因为其接收器只能接收到很小一部分的反射光。同其他接近检测模式一样, 直反式也受被测物表

47、面反光率的影响。对于具冇亮白表面的被测物，传感器的检测 距离就要比暗黑表面的物体要远。多数直反式传感器都加装镜头来校准发射光，使其更加集中，以便获得更多的 反射光。虽然加装镜头可以扩展检测距离，但在检测非常光亮的表而时比较困难， 此时传感器的安装角度就变得非常重要。因为非常光亮的表面就象镜面一样，安装 角度稍微一偏，多数的反射光就都反射走了，只有很小的一部分反射回接收器。如 果被测物表面平行于传感器的检测头，则多数的直反式传感器能接收到反射冋来的 光。但是如果被测物是圆形表面（如金属桶）或被检测的金属薄片/薄膜经常发牛颤动，则检测起来就会很不可靠。3.5宽光束直反式了避免检测光亮物体时光的损失

48、对检测性能的影响，尤其是近距离检测时，w 以使用宽光束-直反式传感器，没有聚光镜头，检测距离就会缩短，但同时也不必严 格要求传感器镜头必须与光亮的被测平面平行。这是其优点所在。对于任何接近检测模式的传感器，其检测距离受被测物大小及外形的影响。尺 寸大的被测物反射ihi来的光的能量要比小的被测物多。在2. 5mm检测距离之内，宽光束直反式传感器的检测性能要比一般直反式的要 好。因此如果传感器镜头能够贴近被测物检测，则宽光束宜反式传感器能可靠检测 细沙或电线这样的小物体。3.6聚焦式外一种可以检测小物体的检测模式为聚焦式。多数聚焦式传感器是给发射器加 装一个镜头，使发射光聚焦在镜头前面的某一点，同

49、时接收器镜头的焦点也在此处。 这样就在固定距离处形成了一个小的能量集中的检测区域。聚焦式传感器对反射光的利用率很高，它能可靠检测一般直反式或宽光束直反 式传感器所不能检测到的小物体和反光率非常低的物体。检测距离一聚焦式聚焦式传感器的检测距离是固定的，就是其焦距。这就要求传感器距离被测物 非常近。聚焦式传感器在焦点附近能可靠检测被测物，这一以焦点为中心的区域称为景 深。景深的大小取决于传感器的设计和被测物的反光率。精密聚焦式传感器的景深 是很小的，所以可以用來进行精确定位或外观的检测。有时在检测某些物体时，需要忽略背景屮静止或运动的物体。聚焦式传感器的 一个特点就是能忽略景深以外的物体。请注意：

50、景深的近点和远点也受被测物反光 率的影响。(传感器冇时检测不到反光率弱的被测物，但可能会检测到被测物后面 反光率较强的背景。)色标检测是聚焦式传感器的一个特殊应用，使用精密聚焦式传感器来检测色标, 以对产品进行定位。在色标检测中，传感器光源的颜色非常重要，其中蓝绿色光源 被证明具有更宽的使用范围，它甚至可以检测口纸上20%的黄色。激光聚焦式传感器可以产生一个能量集中，尺寸非常小的光斑，直径约0. 25mm, 非常适合于检测小的物体或做为机械手的定位传感器。由于其光束能量很强，所以 常用来检测反光率很低的其他传感器不能可靠检测的物体。3.7定区域式和定区域式(1)定区域式区域式传感器是一种光电接

51、近式传感器，它具有很明确的检测范围，能忽略此 范围以外的物体而不受此物体表面反光率的影响。定区域式传感器是通过比较落在两个接收器上的反射光的多少來判断被测物是 否出现。如果落在接收器r2上的反射光等于或多于落在r1上的反射光，则传感器 检测到被测物。(2)定区域式就象定区域式一样，可调区域式传感器可以区分位于不同距离处的物体，在这 种情况下，检测距离是可调的。可调区域式传感器的接收器能产生两个电流ii和12, 这两个电流的比值随反射光落在接收器上位置的不同而会有所变化。传感器关断点 的位置与这个比值有直接的关系，此关断点的位置可通过电位器來调整，即使位于 关断点以外的物体具有很强的反光率，传感

52、器依然会将其忽略。3.8超声波接近模式交流电压供电后，超声波发生器产生震动。这种震动交替压缩和撞击空气分子 使其不断地向外传送超声波，同时超声波发牛器也能接收超声波的冋波。超声波传感器根据其发生器的不同分为：静屯式和压屯式，静屯式传感器用來 进行长距离检测，通常能达到6-7米。这种长距离的传感器常用来检测大容器的液 位等。压电式传感器通常只有较短的检测距离，一般在1米左右，但密封较好，能 用在恶劣的环境下。通常与直反式光电传感器相比，超芦波传感器较少受被测物表面特性的影响。 但是，超声波发生器的表面与光滑平整的被测物表面之间的平行度要保持在3°之内 （对于表面粗糙的物体，这个角度不太

53、重要）。对于表面吸声的材料，如衣服或泡 沫，使用超声波传感器很难检测。同时，较小的物体反射凹的波的能量很弱，所以选择传感器时，被测物的尺寸 是非常重要的需要考虑的因素。当被测物沿垂直于传感器检测平面运动时，超芦波 传感器具冇很高的重复精度，因而它们被广泛用來测量距离。一些传感器具有可调整的检测窗口或模拟量输出，可输出一个与被测物距离成 比例的电压/电流值。数字滤波器可使传感器具有抗电磁或其他声波干扰的能力，模 拟量输出具有很高的线性度，带温度补偿的传感器适用于环境温度变化较大的场合。在超声波接近式传感器中，也有超声波发生器与控制器分离的产品。这些小的 超声波发生器可以安装在狭小的空间内，曲控制

54、器进行检测和输岀控制。对射式的 超声波传感器具有独立的发射器和接收器，是检测透明物体的理想产品。第四章.光电传感器的应用光敏电阻可用于进行光的测量和光的控制，测量方面主要是用于测量光强，控 制方面最常见的就是路灯控制和楼道感应灯的控制，在电路接通的状态下，路灯会 随着周围光强的变化而变化，楼道中的灯白天不亮晚上亮也利用了光敏电阻的对光 的感应特点。光敏电阻还被应用于海上导航，通常海上的浮标用的就是光敏电阻作 为航道灯的开关，到晚上光墩电阻阻值变小，接通控制电路，将灯打开；口天光墩 电阻增大将控制屯路断开，关掉屯灯。光敏管大体有开关作用，环境光检测作用，各种光线接收作用。在太阳能口动 跟踪控制中，做光电检测用，接受太阳光，校正方位。光敏二级管被应用于收音机、 电视、电脑等设备中，比如