许军-光电传感器的新发展及其应用

单位代码：单位代码： 005005 分分 类类 号：号： TNTN 延安大学西安创新学院 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 题题 目目： 光电传感器的新发展及应用光电传感器的新发展及应用 专专 业：业： 电子息工程电子息工程 姓姓 名名： 许军许军 学学 号：号： 09030241490903024149 指导教师：指导教师： 杨延宁杨延宁 职职 称：称： 教授教授 毕业时间：毕业时间： 二零一三年六月二零一三年六月 光电传感器的新发展及其应用 摘要：光电传感器作为传感器的一种，近年来发展很快。本文主要介绍了光电传感器 的新发展和应用。光电式传感器具有检测距离长、对检测物体的限制少、响应时间短、 分辨率高、可实现非接触的检测、可实现颜色判别、便于调整等特点。可主要分为槽 型光电传感器、扩散反射型光电开关、反光板型光电开关、对射型光电传感器四种。 本文通过对光电式烟雾报警器、条形码扫描笔等新型光电传感器的介绍，光电式边缘 位置传感器的工作原理的研究，让我们更好的掌握了光电传感器的结构以及原理。 关键词：光电传感器 光电传感器的应用 光电传感器的发展 The new development and application of photoelectric Abstract: Photoelectric sensor is a sensor, development is very rapid in recent years. This paper mainly introduces the new development and application of photoelectric sensor. Photoelectric sensor can detect long distance, detection limit, short response time, high resolution, can realize the detection, non-contact characteristics of color discrimination, easy adjustment. Can be mainly divided into the groove photoelectric sensor, the diffuse reflection type photoelectric switch, photoelectric switch, reflecting plate thru-beam sensor four. Based on the photoelectric smoke alarm, bar code scanning pen new photoelectric sensor is introduced, study the working principle of photoelectric edge position sensor, allowing us to better grasp the structure and principle of photoelectric sensor. Keywords: photosensor；Application of photoelectric sensor；The development of photoelectric sens 目 录 1 引言 .1 2.光电传感器.4 2.1 工作原理.4 2.2.光电传感器的分类5 2.3.光电传感器的特点6 3.光电传感器的新发展7 3.1 烟尘浊度监测仪.7 3.2 条形码扫描笔条.7 3.3 产品计数器.8 3.4 光电式烟雾报警器.8 3.5 测量转速9 3.6 光电池在光电检测和自动控制方面的应用.10 4光电传感器的应用10 5 总结与展望14 5.1 总结14 5.2 展望15 参考文献.16 致 谢17 1引言 传感器就是能感受外界信号刺激，将被测量信息传出的装置，一般由敏感元件和 转换元件组成。随着社会日益进步，机械制造类传感器行业也有了很大发展，随着各 行各业发展传感器行业也迎来了新的机遇。 传感器产品的门类品种繁多，用于流程 工业的主要有温度传感器、压力传感器、重量传感器、流量传感器、液位传感器、 氧敏传感器,各种力敏传感器、气敏传感器、分析仪表等，用于机械工业的还有开 关类的接近/定位传感器、安全门开关等安全传感器、旋转编码器、视觉传感器、速 度传感器、加速度传感器等。 目前国内传感器共分 10 大类，24 小类，6000 个品种。 而国内品种更多，如美国约有 17000 种传感器，所以我国发展传感器品种的领域很宽 广。 中国传感器的市场近几年一直持续增长，增长速度超过 15%，2003 年销售额为 186 亿元，同比增长 32.9%；而世界非军用传感器市场 1998 年为 325 亿美元，平均增 长率为 9%，预计 2008 年将增加到 506 亿美元。2003 年中国传感器应用四大领域为工 业及汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品专用设备，其中工业和汽车电子产 品占市场份额的 33.5%。由于改革开放，我国巨大的市场，引来了各国厂商如西门子、 横河、霍尼韦尔、欧姆龙、邦纳等公司，这为最终用户和工业设备制造厂带来了很大 的便利，而国内传感器和检测仪表生产虽有发展，但这远不能跟上形势的要求。各国 传感器生产和研发的规模在不断扩大，美国约有 1300 家生产和开发传感器的厂家， 100 多个研究院所和院校，日本有 800 家厂商。我国近年建立了传感器技术国家重点 实验室、微米/纳米国家重点实验室等研发基地，初步建立了敏感元件和传感器产业， 2000 年总产量超过 13 亿只,目前我国已有 1688 家从事传感器的生产和研发的企业， 其中从事 MEMS 研制生产的已有 50 多家，到“十五”末期，敏感元件和传感器年总产 量已达到 20 亿只。 我国在参与国际传感器市场竞争方面也走出了新路子，如沈阳 仪表科学研究院的“传感器国家研究中心” ，已向美国出口力敏传感器芯片 40 万只。 传感器技术包括敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术四个方面，约有 30 多种 技术。随着微电子技术的发展，传感器技术发展很快，我国研发的力量尚需大量投入， 特别要加强具有自主知识产权的传感器的开发、科研成果的转化及传感器生产产业化 问题，在我国更是迫在眉睫的问题，在批量生产情况下，控制传感器产品性能(主要 是稳定性、可靠性)，使之合格率很高，就需要有先进的制造工艺和自动化水平很高 的工艺设备，我国应在开发专用工艺设备上下功夫，解决传感器生产产业化的“瓶颈” 问题在传感器的应用上，特别是新型传感器的应用上，还没大力推广，改革开放创 造了有利条件，各种工业设备应用了先进的传感器，这扩大了传感器市场，也使我国 新型传感器生产产业化有了动力。我国在传感器生产产业化过程中，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，可以提高自己的技术，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。如横河公司最近发布的 EJX 多变 量变送器，就是个可以考虑引进技术的例子，它精度高(0.025%)、智能化程度高，采 用现场总线技术，由于能把质量流量、介质压力及导管堵塞、诊断、蒸气伴热诊断和 孔板磨损情况等多种变量和信息经现场总线传输给中央控制室对保证生产和提供设 备维护信息、保证安全运行都很有利，这种新型变送器的发展，配合了自动化系统管 控一体化的变革，只有信息源头能力强了，信息丰富了，才能使信息化更好促进生产 力发展。 另外，它有广阔的市场，因为它在石油化工、冶金、电力等多个行业均用。 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 4050 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） 2.光电传感器 2.1 工作原理 光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。 光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大 是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性， 这种现象成为外光电效应 根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为 hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具 有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子 能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。 根据能量守恒定律： (2.1) 式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,A 微电子所做的功。 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是 hA。由于不同材料具有不 同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频 率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限” 。 相应的波长为 (2.2) 式中，c 为光速，A 为逸出功。 当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。它属 于内光电效应。当光照在半导体上是，若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度，则 电子从价带跃迁到导带，形成电子，同时，价带留下相应的空穴。电子、空穴仍留在 半导体内，并参与导电在外电场作用下形成的电流。 除金属外，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著，根据光导效应 制造的光电元件有固有入射光频率，当光照在光电阻上，其导电性增强，电阻值下降。 光强度愈强，其阻值愈小，若停止光照，其阻值恢复到原阻值。 半导体受光照射产生电动势的现象称为光生伏特效应，据此效应制造的光电器件 A-hm 2 1 2 A hc K 有光电池，光电二极管，管控晶闸管和光耦合器等。 2.2.光电传感器的分类 槽型光电传感器 把一个接收器以及一个光发射器面对面的装在一个槽的两边构成槽形光电。发光 器可以发出可见光或红外光，在无阻的条件下光接收器可以收到光。当被检测的物体 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。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只 有几厘米。 对射型光电传感器 若把收光器和发光器分开，就能让检测距离变大，一个发光器和一个收光器组成 的对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。对射式光电开关的检测距离可达到几 米甚至几十米。使用对射式光电开关时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的 两边，检测物通过时阻挡光路，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在同一个装置