光电传感器的制作

发信人: death (44death), 信区: Robocon
标 题: 光电传感器的制作（转自中科大bbs）
发信站: 北京科大幻想空间站 (Wed Oct 13 01:06:50 2004)


光电传感器探头的制作

光电传感器探头由发光二极管和接收管组成。

一.元件介绍

1.发光二极管（LED）的介绍。

做传感器的LED要求亮度高，颜色合适，光斑形状合适。

为了防止LED损坏,应该注意:1.LED的伏安特性曲线很陡,测试和使用时一定要串联电阻

限制电流或使用内阻很大的废旧电池. 2.氮化镓材料的高亮度LED容易被反向电压,静
电或电源尖峰击穿损坏,电源电压较高时不可反接.

不同的管子允许的工作电流不同。红外的平均电流最大可以用到100毫安，用作调制时

几十微秒的窄脉冲峰值甚至可以接近1安。3毫米的白色高亮度管子是最大电流20毫安
（不记得是平均值还是峰值）。5毫米的允许电流要大一些，但一般也不超过50毫安。

一般低亮度的管子要小一些。工作电流的限制一是发热限制平均电流，二是高电流下
亮度饱和限制峰值电流。有些管子电流大了之后还会变色。

常用的LED有红外，红，橙，黄，黄绿，纯绿，蓝，紫，紫外，白等颜色。作为成品销

售的“变色LED”是在一个管壳（通常是乳白色的，用于使光线混合均匀）里封装了多

个不同颜色的LED，如果有红，绿，蓝三色则非常适合作颜色传感器的照明。

红外线LED配合红外接收管抗干扰能力强，但是不适合用于识别颜色，因为物体在可见

光下的颜色不能很好的代表它对于红外线的反射率。验钞用的管子发光含有紫色光和
紫外线，点亮时不要正对着眼睛，也不要靠近观看或长时间观看。

管壳无色透明的管子透光性能好一些，散射小，更适合做传感器。（变色管除外，乳
白色管壳比无色透明管壳好。）管壳有色的管子适合做指示灯。

直径5毫米的管子品种较多，亮度较高，发出的光束比直径3毫米的管子要集中（顶角
小），照在物体上光斑小，适合用来识别白线。直径3毫米或者贴片的管子适合用来做

电路板上的指示灯。

红外对管的发射管和接收管是平行的，容易引起镜面反射，只适用于接近开关。

LED的伏安特性曲线很陡,可以作稳压用,给电路提供基准电压.红色的大约1.8V,蓝色的

可以超过3V.

购买的时候一般到城隍庙的“临江”，这里品种比较多。
天香家具城里面的一家电子商店有超高亮度橙红的管子。

2.接收管的介绍。
常用的接收管有硅光电二极管，硅光电三极管，光敏电阻三种。

光电二极管产生的电流小（微安级），需要高倍放大，但是速度很高，可以高频调

制。

识别：在遮光状态下的特性类似普通二极管。
使用：加反向电压或不加电压，输出与光照强度近似成正比的光电流。

光电三极管一般基极不引出，只有两根管脚，购买的时候叫做光敏管。
光电三极管产生的电流较大（几百微安以上），无需前置高倍放大，但是速度较低，
调制频率低于100KHz。

识别：遮光状态下正反向电阻都很大，用强光（比如台灯）照射，可以测出一个方向
的电阻明显变小，这个方向是正向。
使用：加正向电压>1V，输出与光照强度近似成正比的光电流。

这些光电接收管的外壳有无色透明和黑色两种，黑色管壳几乎只透过红外光，与红外
发光管配套使用。

光敏电阻的电特性是电阻而不是恒流，受到光照后电阻值大幅度减小，输出电流也较
大，数量级类似光电三极管。工作频率一般较低，但也有高的。在使用上最重要的区
别在于光敏电阻接受光照的是一个平面，没有管壳聚光，方向性差。一般用在不区分
光照方向或者要降低成本的电路里。

3.接收管与发射管外观上的区分。

无色透明的接收管看管芯：
从管头看进去，管芯是黑色的，上面有一个白点。管芯面积非常大，几乎占满了整个
视野，而且管芯周围没有反光碗。

LED管芯周围一般有面积比较大的金属反光碗，中间正方形的小东西是管芯。黑色管壳

的管子大部分都是红外接收管。也有红外发射管，但这种管子颜色一般不是全黑。

4.高级篇--材料与光谱特性。
（1）各种LED的材料，颜色与亮度。
LED发光的原理是半导体PN结中的电子与空穴复合时产生光子。不同的材料由于能带宽

度不同,导致发光颜色和导通电压不同。另外，不同材料的发光效率（一般以量子效率

衡量，量子效率=发射的光子数/流过的电子数）也有极大的差别。

材料 发光颜色 量子效率(与工艺有关，这里是典型值)

砷化镓GaAs 红外 高，30%
磷砷化镓GaAsP 红 中，10% （购买时称为普通）
橙，黄 随含磷量增加，波长变短，效率递减
磷化镓掺杂氮GaP:N 黄绿 低，不到1%（购买时称为普通）
磷化镓掺杂氧化锌GaP:ZnO 红到黄 中低（购买时称为普通）
铝砷化镓AlGaAs 鲜红 中高（购买时称为高亮度）
铝镓铟磷AlGaInP 橙红 高，30%（购买时称为超高亮度）
氮化镓GaN (含In) 从纯绿到紫外 高，20%（购买时称为高或超高亮度）
GaN，管芯外涂荧光粉 紫+黄=白 高（购买时称为高或超高亮度）

不同材料和发光颜色的管子管芯未通电时的颜色也不同，可以用来认管子。

材料/发光颜色 管芯本身颜色
GaAs/红外，GaAsP/红，AlGaAs/鲜红 黑
GaP/绿，GaP-Z

nO/黄、红，AlGaInP/超高亮度橙红 浅棕
GaN/从纯绿到紫外 白，芯片上有两根金属引线
GaN管芯外涂荧光粉/白 一大片黄白，看不见芯片，有两根金属引线

（2）接收管的光谱特性。
光电二极管，光电三极管都是半导体PN结光电元件，靠内光电效应接收光线，因此入
射光子能量超过材料能带宽度才能被接收，表现在它的光谱-灵敏度特性在长波方向有

一个陡的截止。在短波方向如果波长太短，灵敏度也会下降。

一般的硅管最适合用在红外到红黄光范围内，但是可以一直用到近紫外。
另类的应用：用发光二极管当光电二极管，它的材料能带较宽，只接收短波的可见
光。理论上可以用于识别颜色，但是没有实际使用过。

某些光敏电阻对于可见光中间部分的灵敏度较高。

加装滤色片（可以用玻璃纸）可以方便的改变管子的光谱特性以制造各种颜色传感
器。


二.传感器探头的实际制作

1.识别白线：
白色管子肯定没错。如果背景是绿色，红光比较好用，红外也行。但是场地上可能有
红色或者蓝色的出发区。这次我们校队就因为没有注意这个问题而吃了大亏。在这种
情况下可以用蓝色，红色或紫色（验钞用，含紫外线）的管子。

几何形状是发射管和接收管一个直立一个倾斜，指向同一个位置以消除镜面反射光。
(见第一届校队的技术报告,在各队发放的2002文档汇编上有)

这些管子可以焊在一小块电路板上,在前端套上热缩套管减小光线发散,这样做成探
头,但是这样既不坚固准确又不抗干扰,最麻烦的是多个探头作成阵列使用时性能不一
致。

较好的做法是在一个铝块或木块上打孔后把管子插在里面，周围围上黑胶布遮光。
探头的光斑要小，这样识别白线才准确。相邻的探头距离要合适。（想想看）

探头的布置是出于控制方便的考虑，一般是中间放一排探头跟踪白线，两边各一个数
横线。中间的这一排探头要放在驱动轮前面，距离尽量的远，数量尽量的多。因为车
身偏离白线的时候是先有角度偏差再累积（积分）为横向偏差，两个相加后构成探头
与白线的偏差。

探头越靠前，角度偏差占的比例越大，反馈的相位滞后越小，环路越容易稳定，振荡
小。相反的，探头靠后了就会振荡的比较大甚至发散。

探头在最前面，驱动轮在最后面，用2个探头就能用了。考虑到转弯时可能产生比较大

的横向偏差，最好放3个。

我们今年在比赛失败的直接原因就是清障的小机器人跟踪白线的探头只有两个，而且
有两个万向轮，驱动轮打滑严重。在自己搭的场地上从来没出问题，但是一到北京

就
出问题不可收拾，结果障碍物无法清除，把冲顶机器人挡住了。

探头靠后了就要多放几个.如果放在两个驱动轮之间就要放一长排,用PID算法.或者用
两排同时识别横向位置和方位角.

2.识别各种颜色：
如果要识别各种颜色，可以用带不同滤色片的接收管，或者几个不同颜色的发射管轮
流点亮（包括全部熄灭的状态）用一个接收管接收，再作A/D转换后由单片机处理。
几个管子必须是识别同一个地方的颜色，并且相对距离不能变动。否则会把黑白认成
彩色。

3.接近开关：
识别有物体靠近，可以用红外对管+调制，或者直接购买成品。
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纵使物转星移，
世事有所改变，
人类的所作所为，
仍不会有半点变化。 ----杨威利
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标 题: Re: 光电传感器的制作（转自中科大bbs）
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（以下讨论的都是分辨颜色的反射式传感器）

回头补充几个问题，光纤传感器的原理其实就是光电发射与接受，只不过是中间通过了光
纤传播而已，为什么要用光纤，主要是为了抗干扰，有些光纤传感器是用了渗入其他某些
元素（具体忘记了），而使得光纤本身具有滤波的作用，从而滤掉其他的杂光，但传感器
光源的波长（也就是颜色）就必须慎重选择。而且一旦利用光纤作为光媒，由于光纤的小
巧性，可以把光纤头做得很小，装入很有限的空间，而且发射光纤可以和接受光纤并靠在
一起，这对于寻线的准确性有重要的影响，有的高级传感器把二极管光源的发射光还经过
聚焦才入射进光纤，光纤头也有透镜，这就可以得到近似的直线光。

最后一个方法是最过瘾的，一般最好最准的光纤颜色传感器都采用这种形式。就是以3个L
ED灯轮流提供红绿篮3种颜色的光（即RGB三原色），其后把接收管的信号依次处理成RGB的
色度，组合起来就是所测的颜色（如某次测量，满光强满值256算，量得红光光强255，绿
光255，蓝光100，则所测的颜色为黄色，（我最喜欢的东西）），但是这种方法要求LED管
与接收管的反应速度要很快，需要高档的光电元件，而且处理数据也不容易，要很快的DS
P来搞，而一套DSP开发系统是极为昂贵的，所以说，一分钱一分货。

如果只要分辨白色和深绿色两种颜色，用浅红色的光就最合适了，因为红照白线反射红色
，红照绿底反射暗紫，强烈赞成自己搞自己的传感器！因为技术是买不来的，开发所付出
的劳动是会留传给

下一届的。


建议参赛小组多拿其他公司的产品目录，里面有很多有用的知识的，最好拿又厚又全的那
种目录，只要打出北京科技大学的名字，口气好一点，还是很容易拿得到的，不过一般是
国外的公司多，国内的目录很简单的。
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