基于光电式传感器的实际应用讲解.docx

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基于光电式传感器的实际应用讲解

金肯职业技术学院

毕业设计（论文）

（2010级）

题目基于光电式传感器的实际应用

系别机械与汽车工程系专业机电一体化技术

学生姓名陆祉祥学号**********

指导老师许凌

顾问老师

二〇年月

第一章传感器的概述.....................................................5

1.1传感器的组成和分类..............................................5

1.2传感器的基本特性................................................6

第二章光电传感器的发展状况及趋势.......................................12

2.1光电传感器的发展状况............................................12

2.2光电传感器的发展趋势............................................14

第三章基于光电传感器的实际应用.........................................18

3.1光电传感器在生活中的应用........................................18

3.2光电传感器在其它方面中的应用....................................21

参考文献.................................................................23

【摘要】

在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。

由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。

这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。

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。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

关键字：

光电元件传感器分类传感器应用

ABSTRACT

Thephotoelectrictransduceradoptsthephotoelectriccomponentasthetransducermeasuringthecomponent.Itchangesthechangemeasuredintoachangeoftheopticalsignalatfirst,thenfurtherchangetheopticalsignalintoanelectricsignalthroughthephotoelectriccomponent.Thephotoelectrictransducerisgenerallymadeupoflightsource,opticalthoroughfareandphotoelectriccomponentthreeparts.Thephotoelectricdetectionmethodhasprecisionhigh,reactsfast,advantageofexposedtoingetc.s,andcanexaminetheparametermore,thetransducerisofsimplestructure,theformisflexible,so,itisveryextensivethatthephotoelectricitytypetransducerisemployedinmeasuringandcontrolling.Thephotoelectrictransducerrealizesthekeycomponentthatthephotoelectricitychangesinvariousphotoelectricdetectionsystems,itchangeintoelectricdeviceofsignalopticalsignal（infraredcanseeingandpurpleotherrayradiation）.Thephotoelectricitytypetransducerisregardedphotoelectricdeviceasandchangedthetransducerofthecomponent.Itwasnotelectricconsumptionthatitcausedthelightquantitytochangedirectlythatitcanbeusedformeasuring,onlystrong,illuminance,radiationexaminewarmly,thegascompositionisanalyzedetc.;Otheronesthatcanalsobeusedandmeasuredandcanchangeintoalightquantityandchangearenottheelectricconsumptionsuchaspartdiameter,surfaceroughness,meetsanemergency,thedisplacement,vibration,pace,acceleration,andtheformofobject,discernmentofworkingstate,etc..Thephotoelectricitytypetransducerisnotexposedto,respondthefast,reliablecharacteristicofperformance,sowonextensiveapplicationintheindustrialautomationdeviceandmachinephiltrum.Inrecentyears,newDevicesphotoelectricconstantlyemerge,especiallyCCDpicturethebirthsoftransducer,transducersphotoelectricthefurthertolastchapterinnovatedtoturnon.

Keywords:

PhotoelectriccomponentTransducerclassificationApplicationoftransducer

第一章传感器的概述

1.1、传感器的组成和分类

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。

这些不同提法,反映了在不同的技术领域中,只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。

如在电子技术领域,常把能感受信号的电子元件称为敏感元件,如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等,在超声波技术中则强调的是能量的转换,如压电式换能器。

这些提法在含义上有些狭窄,而传感器一词是使用最为广泛而概括的用语。

传感器的输出信号通常是电量,它便于传输、转换、处理、显示等。

电量有很多形式,如电压、电流、电容、电阻等,输出信号的形式由传感器的原理确定。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

其中,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

由于传感器的输出信号一般都很微弱,因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。

此外,信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源,因此,信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。

传感器组成框图如图1-1所示。

图1-1传感器组成框图

传感器技术是一门知识密集型技术,它与许多学科有关。

传感器的原理各种各样，其种类十分繁多,分类方法也很多,但目前一般采用两种分类方法:

一是按被测参数分类,如温度压力、位移、速度等;二是按传感器的工作原理分类,如应变式、电容式、压电式、磁电式等。

本书是按后一种分类方法来介绍各种传感器的,而传感器的工程应用则是根据工程参数进行叙述的。

对于初学者和应用传感器的工程技术人来说,应先从工作原理出发,了解各种各样传感器,而对工程上的被测参数应着重于如何合理选择和使用传感器。

1.2、传感器的基本特性

在生产过程和科学实验中,要对各种各样的参数进行检测和控制,就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量,这取决于传感器的基本特性,即输出—输入特性。

如果把传感器看作二端口网络,即有两个输入端和两个输出端,那么传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。

传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。

一、传感器的静态特性

传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。

只考虑传感器的静态特性时,输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。

衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度,迟滞和重复性等。

1.线性度

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。

输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。

从传感器的性能看,希望具有线性关系,即具有理想的输出输入关系。

但实际遇到的传感器大多为非线性,如果不考虑迟滞和蠕变等因素,传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

式中:

a0——输入量x为零时的输出量;

a1,a2,…,an——非线性项系数。

各项系数不同,决定了特性曲线的具体形式各不相同。

静态特性曲线可通过实际测试获得。

在实际使用中,为了标定和数据处理的方便,希望得到线性关系,因此引入各种非线性补偿环节。

如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理,从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。

但如果传感器非线性的方次不高,输入量变化范围较小时,可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段,如图1-2所示,使传感器输出—输入特性线性化。

所采用的直线称为拟合直线。

.

图1-2几种直线拟合方法

（a）理论拟合；（b）过零旋转拟合；（c）端点连线拟合；（d）端点平移拟合

理论拟合:

拟合直线为传感器的理论特性,与测试值无关.

过零旋转拟合:

常用于校正曲线过零的传感器.

端点拟合:

把校正曲线两端点的连线作为拟合直线.

端点平移拟合:

端点拟合的直线进行平移,最大误差减半.

实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差

（或线性度）,通常用相对误差γL表示,即

式中:

ΔLmax——最大非线性绝对误差;

YFS——满量程输出。

从图1-2中可见,即使是同类传感器,拟合直线不同,其线性度也是不同的。

选取拟合直线的方法很多,用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。

2．灵敏度

灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx的比值,即

S=Δy/Δx

对于线性传感器,它的灵敏度就是它的静态特性的斜率,即S=Δy/Δx为常数,

而非线性传感器的灵敏度为一变量,用S=dy/dx表示。

传感器的灵敏度如图1-3所示。

图1-3

3.迟滞

传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞,

如图1-4所示。

也就是说,对于同一大小的输入信号,传感器的正反行程输出信号大小不相等。

产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的,例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。

迟滞大小通常由实验确定。

迟滞误差γH可由下式计算:

式中:

ΔHmax——正反行程输出值间的最大差值。

图1-4

4.重复性

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。

重复性误差属于随机误差,可用正反行程中的最大偏差表示（或标准偏差表示）,即

5.分辨率与阈值

分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量.有些传感器，如电位器式传感器，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨率就是输出量的每’一个“阶梯”所代表的输入量的大小。

分辨率可用绝对值表示，也可用与满量程的百分比表示在传感器输入零点附近的分辨率称为阈值。

6.稳定性

稳定性是指传感器在长时间工作情况下输出量发生的变化。

有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。

前后两次输出之差即为稳定性误差。

稳定性误差可用相对误差表示，也可以用绝对误差来表示。

二、传感器的动态特性

传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。

当被测量随时间变化,是时间的函数时,则传感器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特性来表示。

一个动态特性好的传感器,其输出将再现输入量的变化规律,即具有相同的时间函数。

实际上除了具有理想的比例特性外,输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。

为了说明传感器的动态特性,下面简要介绍动态测温的问题。

在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下,都存在动态测温问题。

如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计）,这时热电偶测量的介质温度从t0℃突然上升到t,而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t℃需要经历一段时间,即有一段过渡过程,如图1-6所示。

热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。

图1-6

造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因,是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻,使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。

如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。

这种热惯性是热电偶固有的,这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。

影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有,只不过它们的表现形式和作用程度不同已。

第二章光电传感器的发展状况及趋势

2.1、光电传感器的发展

1873年W.史密斯和Ch.梅伊发现硒的光电导效应。

1887年H.R.赫兹发现外光电效应。

基于外光电效应的光电管和光电倍增管属真空电子管或离子管器件，曾在50～60年代广泛应用，直到目前仍在某些场合继续使用。

虽然早在1919年T.W.凯斯就已取得硫化铊光导探测器的专利权，但半导体光敏元件却是在60年代以后随着半导体技术的发展而开始迅速发展的。

在此期间各种光电材料都得到了全面的研究和广泛的应用。

它们的结构有单晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它们的成分有元素半导体的和化合物半导体的，也有多元混晶的。

其中最重要的两种是硅和碲镉汞。

硅的原料丰富,工艺成熟,是制造从近红外到紫外波段光电器件的优良材料。

碲镉汞是碲化汞和碲化镉的混晶，是优良的红外光敏材料。

通过对光电效应和器件原理的研究已发展了多种光电器件（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等），适用于不同的场合。

光电传感器的制造工艺也随薄膜工艺、平面工艺和大规模集成电路技术的发展而达到很高的水平，并使产品的成本大为降低。

被称为新一代摄像器件的聚焦平面集成光敏阵列正在取代传统的扫描摄像系统。

光电传感器的最新发展方向是采用有机化学汽相沉积、分子束外延、单分子膜生长等新技术和异质结等新工艺。

光电传感器的应用领域已扩大到纺织、造纸、印刷、医疗、环境保护等领域。

在红外探测、辐射测量、光纤通信，自动控制等传统应用领域的研究也有新发展。

例如，硅光电二极管自校准技术的提出为光辐射的绝对测量提供了一种很有前途的新方。

传感技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器，其测量技术、方法和特点的发展历程见表1。

表1传感器的发展阶段

40～50年代

60年代

70年代

80年代～至今

测量变量

温度、压力、流量、物位、电压、电流、功率

重力、位移、尺寸、速度、加速度、湿度、气候、离子等

振动、位移等机械运转状态；设备异常状态如过热、泄漏、绝缘等；产品在线检测如表面质量、形状等；

五官感觉—指人的五官感觉

测量技术

模拟测量法

数字测量法

模拟、数字混合测量法

测量技术与信息处理技术相结合

测量方法

单参数测量

复参数扫描测量

图形测量（二维）

多层扫描、数据处理、物体识别（三维）

测量特点

静态或工作参数

动态、不接触式、质量指标

传感器特点

结构型传感器

物性型传感器（直接变换）

物性型传感器、智能型传感器（带微处理器）

1、结构型传感器以其结构部分变化或结构部分变化后而引起某种场的变化来反映被测量的大小及变化。

2、物性型传感器利用构成传感器的某些材料本身的物理特性在被测量的作用下发生变化,从而将被测量转换为电信号或其他信号输出。

3、智能型传感器把传感器与微处理器有机地结合成一个高度集成化的新型传感器。

它与结构型、物性型传感器相比,能瞬时获取大量信息,对所获得的信息还具有信号处理的功能,使信息的质量大大提高,其功能也扩展了。

以网络化智能传感器为例,它以嵌入式微处理器为核心,集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元,使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展;从被动检测向主动进行信息处理方向发展;从孤立元件向系统化、网络化发展;从就地测量向远距离实时在线测控发展,已成为传感器技术发展的主要方向之一。

而光电传感器作为新型传感器更是得到了广阔应用。

2.2、光电传感器的发展趋势

光电传感器及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，同时光电传感器重要性不断提高。

目前，光电传感器发展的主要方向是：

（1）多用途,一种光电传感器不仅能这对一种物理量，而且能够对多种物理量进行同时测量；

（2）新型传感材料、传感技术等的开发；（3）在恶劣条件下，如高温、高压条件，低成本传感器的开发和应用；（4）光电传感器与其他微光学技术的发展。

随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好。

而且具备一定得数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。

传统的光电传感器已不能满足这样的要求了。

目前各国科学家正在按下列技术途径开发研究。

新材料的开发主要有一下几个方面：

一、光电子基础材料、生长源和关键设备

目标：

突破新型生长源关键制备技术，掌握相关的检测技术：

突破半导体光电子器件的基础材料制备技术，实现产业化。

研究内容及主要指标：

高纯四氯化硅（4N）的纯化技术和规模化生产技术；高纯（6N）三甲基铟规模化生产技术；可协变（Compliant）对底关键技术；衬底材料制备与加工技术；用于平板显示的光电子基础材料与关键设备技术。

二、人工晶体和全固态激光器技术

目标：

研究探索新型人工晶体材料与应用技术，突破人工晶体的产业化关键技术，研制大功率全固态激光器，解决产业化关键技术问题。

研究内容及主要指标：

新型深紫外非线性光学晶体材料和全固态激光器；面向光子／声子应用的人工微结构晶体材料与器件；研究开发瓦级红、蓝全固态激光器产业化技术，高损伤闽值光学镀膜关键技术（B类），基于全固态激光器的全色显示技术；研究开发大功率半导体激光器阵列光纤耦合模块产业化技术；Yb系列激光晶体技术。

三、新型半导体材料与光电子器件技术

目标：

重点研究白组装半导体量子点、ZnO晶体和低维量子结构、窄禁带氮化物等新型半导体材料及光电子器件技术。

研究内容及主要指标：

研究ZnO晶体、低维量子结构材料技术，研制短波长光电子器件；自组装量子点激光器技术；／II—V族窄禁带氮化物材抖及器件技术；光泵浦外腔式面发射半导体激光器。

四、光电子材料与器件产业化质量控制技术

目标：

发展人工晶体与全固态激光器、GaN基材料及器件表征评价技术，解决产：

业化质量控制关键技术。

研究内容：

重点研究人工晶体与同态激光器、GaN基材料及器件质量监测新方法与新技术，相关产．测试条件与数据标准化研究。

五、超高亮度全色显示材料与器件应用技术

目标：

研究开发用j场致电子发射平板显示器（FED）材料和器件结构，以及超高亮度冷阴极发光管制作和应用的关键技术。

说明：

等离子体平板示器和高亮度、长寿命有机发光器件（OLED）和FED的产、化关键技术将于“平板显示专项”中考虑。

研究内容：

①超高亮度冷阴极发光管制作和应用的关键技术；②研制FED用的、能够在低电压下工作的新型冷阴极电子源结构、新型冷阴极电子发射材料。

六、超高密度光存储材料与器件技术

目标：

发展具有自主知识产权的超高密度、大容量、高速度光存储材料和技术，达到国际先进水平，为发展超高密度光存储产业打下基础。

研究内容：

①DVD光头用光源和非球面透镜等产业化关键技术：

②新型近场光存储材料和器件。

七、光传感材料与器件技术

目标：

以特殊环境应用为目的，实现传感元器件的产业化技术开发，研究开发新型光电传感器。

研究内容：

①光纤光栅温度、压力、振动传感器的产业化技术；②锑化物半导体材料及室温无制冷红外焦平面探测器技术；③大气监测用高灵敏红外探测器及其列阵；④基于新概念、新原理的光电探测技术。

八、新型有机光电子材料及器件

目标：

研究开发新型有机半导体材料及其在光显示等领域的应用。

研究内容：

①有机非线性光学材料及其在全光光开关中的应用：

②有机半导体薄膜晶体管材料与器件技术。

九、利用新的测量原理和方法

谐振式传感器输出的数字量，可以直接和微机及接口总线连接，不用A／D转换器。

另外，光纤传感器、化学传感器、生物传感器等新型传感器，为智能传感器提供了新的信息来源。

光电传感器的智能化发展

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