光电传感器的应用及其发展趋势

光电传感器的应用及其发展趋势摘要：光电传感器是把被测量的变化转换成光信号的变化，然后，借助光电元件把光信号转换成电信号来实现控制。

如光电开关、光感电阻、光感二极管、光电池、光纤等。

光电式传感器在检测和控制领域中应用非常广泛，它是采用光电元件作为检测元件的传感器，具有反应快、精度高、非接触等优点，而且可测参数多，结构简单，形式灵活多样。

本文列举了光电传感器技术在一些领域里的应用。

并阐述了当前传感器技术的发展现状以及发展趋势。

关键词：光电效应；光电器件；常见故障；检测控制；发展趋势光电传感器，一般由光源、光学通路和光电元件等3部分组成，是通过将光电信号转换为电信号检测被测目标的一种装置。

近年来，新的光电器件不断涌现，光电传感器的应用范围更加广泛。

一、光电传感器的原理光电传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。

光电传感器的工作基础是光电效应。

由光通量对光电元件作用的不同原理所制成光学测控系统是多种多样的，按光电元件输出量性质可分为两类，即模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器，前者是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量问呈单值关系。

按被测量方法可分为透射式、漫反射式、遮光式三类：①透射式。

被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部分被吸收后，透射光投射到光电元件上；②漫反射式。

恒光源发出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上；③遮光式。

当光源发出的光通量经被测物遮挡其中一部分，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置相关。

光敏二极管是最常见的光传感器，不同于一般二极管的是其管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，为增加射入光线的受光面积，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，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成的比暗电流大得多的反向电流，称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，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敏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，通常只引出两个极-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，cbo ceo I I )1(β+=(很小)，比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流b I 增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流公式为b c I I )1(β+=，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

二、光电传感器的特点1. 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、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，但受温度影响比较大、受光面小、方向性强、抗干扰能力弱。

不同型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1) 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(磁性、超声波等)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。

3) 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。

4) 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，可进行微小物体的检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。

7) 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。

三、光电传感器可用来测量什么量及作用光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

如自动门传感、色标检出等。

四、光电传感器测量具体过程以及分类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，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。

模拟式光电传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关系。

模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。

所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上。

所谓漫反射式是指恒光源发出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份，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。

五、光电传感器的应用实例1. 电影发声系统拍摄电影时的配音是把声音信号转换为光信号，用明暗不同的条纹记录在胶片边缘的声带上。

放映电影时，光源发出的光通过移动声带后发生了强弱的变化，并被光电管所接收，光电管把强弱变化的光相应地转变为强弱变化的电流，经放大器放大后，由扬声器放出声音。

2. 光控大门干簧继电器由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，为了易于识别电路，通常在电路图中把线圈和干簧管分开来画。

当线圈内有电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，在磁力作用下由原来的分离状态变成连接状态，线圈内没有电流时，磁场消失，磁片在弹力的作用下，回复到分离状态。

把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，带动大门的电动机接在干簧管的电路中。

夜间，当汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，干簧继电器接通电动机电路，带动大门打开。

3.天亮叫醒服务蜂鸣器内装有发声电路，外边有负极和正极两极引线。

使用时正极接电池正极。

负极揍电池负极。

当有电流通过时，能自动发出蜂鸣声。

4. 包装充填物高度检测用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量。

当充填高度偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。

5. 转速测量将转速变换成光通量的变化，再经过光电元件转换成电量的变化即可得到转速。

被测转轴上装有调制盘(带孔或带齿的圆盘)，其一边设置光源，另一边设置光电元件。

调制盘随轴转动，当光线通过小孔或齿缝时，光电元件就产生一个电脉冲。

转轴连续转动，光电元件就输出一列与转速及调制盘上的孔(或齿)数成正比的电脉冲数。

在孔(或齿)数一定时，脉冲数就和转速成正比。

电脉冲输入测量电路后经放大整形，再送入频率计的计数显示。

6. 其他方面的应用利用光电开关不仅可以进行产品产量统计，在传感器的后端加上计数器就能准确统计出生产产品的总数，而且还可对装配件是否到位及装配质量进行检测，当发现生产过程或检测过程中的废品时，通过移位寄存器的记录位置将废品挑出，例如灌装时瓶盖没有压上、商标漏贴，以及送料机构断料等等，都可以利用光电传感器进行检测，应用十分广泛。

7. 光电传感器在变电站通信控制系统中的应用光电传感器作为一种新型的电压电流测量装置，与传统电磁式互感器相比较，具有绝缘强度高、动态范围、大频带宽、抗干扰能力强、不会产生磁饱和及铁磁谐振、体积小、重量轻、造价低等一系列优点。

自20世纪60年代以来，光电传感器经历了原理性研究、试验样机和现场挂网运行等阶段。

目前国外已经有部分实用化产品投入市场，但真正得到大规模的应用还有一个过程，而且国内变电站自动化系统的应用水平不一，如何让光电传感器在变电站自动化系统中得到应用并提高变电站自动化系统的水平，成为光电传感器研究的重点。

变电站通信控制系统是变电站自动化系统的重要组成部分，其技术水平直接关系到变电站自动化系统的性能。

随着电子技术和通信技术的飞速发展，变电站通信系统也经历了集中式、功能分布式和分散分布式等阶段。

而通信系统的发展变化总是与变电站的测控、保护装置的发展变化相适应的。

随着光电传感器在变电站中的应用，将对变电站通信控制系统产生深远的影响，并提高其自动化应用水平。

六、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越来越重要的作用，人们对传感器提出越来越高的要求。

21世纪初期(2010前后)。

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。

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、新材料、新工艺及新功能等。

1. 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1) 开发新型传感器，包括①采用新原理；②填补传感器空白；③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：①从单晶体到多晶体、非晶体；②从单一型材料到复合材料；③原子(分子)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、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、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。

4) 新工艺的采用。

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。

5) 集成化、多功能化与智能化。

3. 我国目前的发展状况我国的优势有：①已经形成了研究、生产和应用体系、人材队伍和部分传感技术的优势，是进一步发展的基础；②有一批先进的成果，如刀具／砂轮监控仪系列成果，石油油井用高温、高压传感检测系统、高精度热敏检测传感等等；③有一个量大面广的用户市场。

不足之处有：①研究开发战略在系统性上的不足，如：传感器与传感系统未能统一布置，形成两套并列，相互脱节的攻关；②对传统传感器的革新改进不足，微小型化步子慢，在国内与国际市场上形不成竞争力；③加紧特殊环境和工程项目传感技术的研究开发；④集成化、智能化和纳米技术与国外差距大。