光电传感（通用9篇）
光电传感 篇1
1 光电传感器的原理
光电传感器最根本的原理是光电效应, 用光照射某一物体, 可以看作物体受到一连串能量为hf的光子的轰击, 组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。光电效应通常可分为3类:1) 外光电效应:在光线的作用下能使电子逸出物体表面的光电效应。基于外光电效应的光电元件:光电管、光电倍增管、光电摄像管等 (玻璃真空管元件) ;2) 内光电效应:在光线的作用下能使物体的电阻率改变的光电效应基于内光电效应光电元件:光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等;3) 光生伏特效应:在光线的作用下, 物体产生一定方向电动势的光电效应。基于光生伏特效应的光电元件:光电池等。常用的光电传感器有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等。利用这些传感器各自的特点加上巧妙的设计, 光电传感器几乎被应用于生活的各个方面。
2 光电传感器的特点
光电传感器特点有:1) 检测距离长。如果在对射型中保留10m以上的检测距离等, 便能实现其他检测手段 (磁性、超声波等) 无法离检测;2) 对检测物体的限制很少。由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理, 所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属, 它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测;3) 响应时间短。光本身为高速, 并且传感器的电路都由电子零件构成, 所以不包含机械性工作时间, 响应时间非常短;4) 分辨率高。能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点, 或通过构成特殊的受光光学系统, 来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测;5) 可实现非接触的检测。可以无须机械性地接触检测物体实现检测, 因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此, 传感器能长期使用;6) 可实现颜色判别。通过检测物体形成的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而有所差异。利用这种性质, 可对检测物体的颜色进行检测;7) 便于调整。在投射可视光的类型中, 投光光束是眼睛可见的, 便于对检测物体的位置进行调整。
3 光电传感器的应用
3.1 烟尘浊度监测仪
防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染, 首先要知道烟尘排放量, 因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加, 光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加, 到达光检测器的光减少, 因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。
3.2 感烟传感器 (火灾报警器的一部分)
由红外发光二极管及光电三极管组成, 但二者不在同一平面上 (有一定角度) .在无烟状态时, 光电三极管接收不到红外线;当发生火灾时, 产生大量烟雾, 烟雾粒子进入感烟传感器时, 由于红外线受烟雾粒于折射作用, 光电三极管接收到红外线, 给出烟雾报警信号。
3.3 火焰探测报警器
硫化铅光敏电阻的暗电阻为1 MΩ, 亮电阻为0.2 MΩ, 峰值响应波长为2.2μm。硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路, 其偏置电压约为6 V, 电流约为6μΑ。V2管集电极电阻两端并联68μF的电容, 可以抑制100 Hz以上的高频, 使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器, 火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后, 器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度, 确保火焰报警器能长期稳定地工作。
3.4 光控大门
我们都有这样的苦恼每次开车到了小区大门都要等门卫来开门或者等其按动电动门的开关, 既费时又费人力, 如果巧妙地利用光电传感器就可以实现光控大门。这里要用到一种电子元件——干簧继电器, 它由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成。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, 两个簧片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, 瓷片在弹力的作用下, 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, 把带动大门的电动机接在干簧管的电路中, 那么夜间汽车开到大门前, 灯光照射光敏电阻时, 干簧继电器接通电动机电路, 电动机带动大门打开。
3.5 液位检测
在液体未升到发光二极管及光电三极管平面时, 红外发光二极管发出的红外线不会被光电三极管接收;当液位上升到发光二极管及光电三极管平面时, 出于液体的折射, 光电三极管接收到红外信号由此获得液位信号。
4 结论
以上介绍了光电传感器的基本原理和其特点, 并列举了一些在实际的应用实例。从这些实例中我们可窥见光电传感器无限的发展应用前景。光电式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要求越来越高是其发展的强大动力, 突飞猛进现代科学技术的则为其提供了坚强的后盾, 我们相信在不懈地探索中, 光电传感器的应用定会有新的飞跃。
参考文献
[1]唐守锋, 童敏.检测与转换技术[M].中国矿业大学出版社.
光电传感 篇2
光电传感器原理及应用的探讨论文
摘 要在科学技术高度发展的现代社会中，我们主要依靠检测技术获取、筛选和传输信息来实现自动控制。光电传感器本身具有反应快、精度高、可靠性高等优点，而且其在测量速度方面较快，所以在自动测量领域中得到了广泛的应用。本文主要针对光电传感器的原理以及其应用等相关问题进行简要探讨。
关键词光电效应;外光电效应;内光电效应;光电子
在社会和经济快速发展的背景下，信息技术获得了广泛的应用，并在现代社会中发挥着重要的作用。很多人在得到资料后通过一系列科学的分析，加工，处理，才能正确认识和把握规律，促进科技工艺的发展。通过对信息的自动采集和过滤，获取有效的控制信息，可以提升企业的竞争力。
光电子和微电子技术的有效结合，形成了新的光电传感信息技术，这一技术的应用，使精度更高，响应速度更快，是具有高可靠性和高精确度的光电传感器，并且能对表格进行更灵活的测量，在自动检测技术当中得到了非常广泛的应用。光电传感器的应用可以实现对光学部件的有效检测。
1 光电效应理论基础
光电效应分为外部和内部光电效应光电效应。外部光电效应指的是表面电子的某些对象的光照射发生逃逸的现象，也称为电光效应以外光电子效应。基于在光电元件上具有光电管，光电倍增管等光学效应的外部光电效应是指光对下一个对象造成影响时，原子的内部电子被释放，但这些电子不会发生表面的逃逸现象，而是仍保持在所述主体的内部，从而使所述被摄体的变化的电阻率或产生电动势。主要包括光敏电阻器，光电二极管，光电池等光电元件。在光电材料的光，电子材料吸收能量，如果电子的表面能吸收足够的，电子将克服逃逸的`束缚到空间，这是光电效应以外的外表面。
因此，如果光电子逃逸面中，w不同的材料具有不同的功函数，入射光具有一定的频率限制，并且仅当入射光的频率大于该频率的限制，将已光电子，否则力度不大，也不会有光电子，这个频率所具有的上限我们一般把它称为“红色极限”。而光在电效应当中，价带与正常情况下的那些半导体材料之间所具有的带隙能量间隔在导带之间，价带电子不会自发如果通过转换到导带，使得导电半导体材料少得多的导电，但是，以某种方式与价带电子提供能量，它可以被激发到导带，形成一个载体，增加的方式的导电性时，光对于入射光的能量的激励。例如，价带电子将吸收这些具有很高能量的光子，并将其过渡到导带之中，从而留下一个介质孔当中的价带，这样也可以形成一对可以用来导电的电子――空穴对。虽然没有相关的逃逸电子或光电子形成，但是显然有电气效应是由于被光电效应中所产生的光。
用于价带到导带的电子跃迁，是有一定限度的入射光的能量，即ey=hv0=eg(v0是低频率)或频率小时石克事件的光比V比波长大于或更小。同时会发生与入射光的能量之间的电子跃迁是比较小的，不能使从价带的光子转变为导带，该带也可以是在子级结构跃迁内的
房间。
2 应用
光电传感器可以检测已被广泛应用于光的变化量而引起的检测技术，工业自动化和智能控制等领域。在这里，我们来说明这种传感器中的应用生产和生活。
2.1 光隔离器
所谓光隔离器一般是由一个发光的二极管或者光电晶体管在同一封套的组合物进行安装而成的。发光二极管的光敏电阻器，发光二极管光电晶体管。其中发光二极管的光电晶体管是被最广泛使用的，经常在隔离一般信号中使用;发光的光敏可控硅电源隔离的驾驶情况下使用二极管;发光二极管或在直接驱动低功率负荷的场合中使用的达林顿复合管。
2.2 文具计量电路
2.3 条码扫描笔
当扫描条形码笔尖上移动，如果遇到黑线，所述发光二极管的光就会由黑线被吸收，光电晶体管不接收反射的光，高阻抗电流干旱，在横截面中比状态由于当由发光二极管发出的光，被反射到光电晶体管的基极的颜色空间满足，光电晶体管导通，整个条码扫描之后，条形码到光电晶体管的电脉冲信号，将信号放大，脉冲列的形成后成形，然后通过计算机处理，以完成的条形码信息的识别。
2.4 光电探纬器
光电探测器在纬纱织机用检测器，以确定是否断裂时在喷射纬纱效果的进步，红外发射红外光，经纬线反射的接收到的光电池，如果没有接收到电池中的光的反射信号，则纬纱已破裂，因此光电池的输出信号，经过随后的电路放大，脉冲整形，并控制机器的正常操作是打开还是关闭报警。
因为纬纱非常薄，并向前摆动，漫射光的生成，减弱了反射光的强度，并伴有背景的杂散光，因此要求塞具有高的灵敏度和分辨率，为此，利用红外线LED高电流小电源脉冲占空比，它将确保发光管的寿命，而且在瞬间射的光，以提高检测灵敏度。
3 结论
一些广泛运用的光电传感器仍等着我们去研究，去探索，如在太阳下，还不能很好看清手机和电脑的显示，那么我们就可以用它来更改手机的感光器件和屏幕亮度，同样的，空调调节，可以红外线检测自动调整到舒适的温度的身体，当温度过高或过低时，打开空调即可调整到人的舒适范围温度，由此可见，光电传感器将会使我们的生活更方便。
参考文献
[1]张梦欣.自动检测与传感器应用[M].中国劳动社会保障出版社.
光电传感器在自动控制中的应用 篇3
【关键词】传感器；光电传感器；自动控制
传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC)定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。[1]
信息时代在用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是在检测和自动控制系统中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。自动化程度愈高，系统对传感器的依赖性越大，传感器对系统的功能起着决定性作用。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。因此，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面具有重要作用。
光电传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，它是把光信号转变成为电信号的器件。一般由三部分组成发射器、接受器和检测电路。可用于检测直接引起光量变化的如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等非电量，也可用来检测能转换成光量变化的如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等其他非电量。[2]因光电式传感器精度高、反应快、非接触、可测参数多，而且结构简单，形式灵活多样，在检测和自动控制中应用非常的广泛。
一、光电式传感器分类[1]
1.槽形光电传感器
又叫做U型光电开关，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽，阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。因为槽形光电开关比较安全可靠，适合检测高速变化、分辨透明与半透明的物体。
2.对射式光电传感器
对射式光电传感器就是发射器和接受器分开放置，发射器发送红外光给一定距离外的接受器接受形成通路。检测物通过时阻挡光路，接收器就动作，输出一个开关控制信号，因为发射器发出的光束只跨越感应距离一次，所以可以可靠地用于野外或粉尘污染较为严重的环境中。
3.反射式光电传感器
把发射器和接受器装入同一个装置内，在装置一定距离放置一个反光板，将发射器的光线反射回接受器，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式光电开关。正常情况下，发射器发出的光被反光板反射回来被接受器接收；当光路被检测物挡住，接受器收不到光时，传感器产生输出，开关动作。这种光电传感器可以辨别不透明的物体，借助反射部件形成较大的有效距离范围，可以用于野外或粉尘污染较为严重的环境中。
4.漫反射式光电传感器
它的检测头里也装有一个发射器和一个接受器，没有反光板。正常情况下发射器发出的光接受器是收不到的；只有当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，接受器才收到光信号，然后输出一个开关控制信号。多见于公共厕所自动冲水系统，自动水龙头。
5.光纤式光电传感器
把来自光源的光用光纤引导到检测点，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质发生变化再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。
二、光电传感器的特长[2]
1)检测距离长：如对射型保留>10m的检测距离，能够实现其他检测手段(磁性、超声波等)不能检测的对象。
2)检测物体种类多，对检测物体的限制少：利用被检测物对光束的遮挡或反射，因此物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测如玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体都能进行检测。
3)响应时间很短：传感器的电路都由电子元件构成，不包含机械性工作时间，加上光本身就高速，所以响应时间非常短。
4)分辨率高：能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，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)非机械性接触检测：可以非机械性接触对物体进行检测，不会对检测物体和传感器造成损伤，因此传感器能够长期使用。
6)可实现颜色判别：通过检测物体形成的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，投光的光束是可见光，易于对检测物体的位置进行调整。
三、光电式传感器的应用
光电传感器除了安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中还常常用它来记数机械臂的运动次数。在照明技术中也是覆盖面最广，作用比较全，主要包括led照明、智能照明、光纤照明、灯光设计，道路照明等，此外光电传感器还在许多方面得到了应用，例如在行程控制、自动门传感、色标检出、以及安全防护、转速检测、气流量控制等方面。
1.光电色质检测
最早最成熟的应用主要是在粮食加工、分选领域的应用，主要是用于各类谷物、杂粮分选的色选机。色选机是根据物料光学特性的差异，利用光电技术将颗粒物料中的异色颗粒自动分拣出来的设备，按照待分选物料种类的不同，色选机可分为大米色选机、杂粮色选机和茶叶色选机等。在产品包装前先由光电检测色质，物品颜色有偏差时就有比较电压差输出，接通电磁阀，由压缩空气将差异物品吹出。
2.光电转速传感器
在待测定的转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘的一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当中间没有物体时则输出为高电平，形成一个脉冲。系统在光电传感器接受器后加接电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。在这个转盘的边沿处设计出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。根据脉冲计算出轮子即时的转速。
3.自动门传感
在地铁自动门或电梯自动门中加以运用。把1个发射器和1个接受器将它们分别装在对射距离内，发射器和接受器的镜头应该正对，且在同一高度。可以检测位于光轴上，且直径大于30mm的不透明物体。对屏蔽门（或安全门）与列车车体之间，一旦乘客或大件物品有意、无意被夹在屏蔽门和列车车体之间的空隙，就会遮挡红外光线，判断出有障碍物，并及时输出声光报警信号，同时通知列车司机或车站管理人员。为了防止两对传感器相互干扰，发射器1和接受器1的频率都调整为频率A。发射器2和接受器2的频率都调整为频率B。为了防止外部环境光（如太阳光）直射产生的干扰，或者灰尘落在镜头上以及长期积灰产生的影响，在发射器和接受器的镜头前加装长圆形套筒。
4.在印刷中的应用
卷筒纸印刷机断纸检测可采用反射式的光电开关。当纸带正常运行时，检测器可以检测到经纸带表面反射回来的光信号；当有断纸发生时，纸带表面无法反射回信号则系统立即发生一系列的动作，即印刷装置离压，并快速停机以防止断纸缠绕在印刷滚筒表面有些单张纸胶印机纸张检测采用的是透射式光电传感器，根据印刷用纸一张时、两张以及两张以上时对光路光线的遮盖程度的不同进行纸张的检测。当两张及两张以上的纸经过传感器时电路接通，切断给纸，互锁，自动离压、离水、离墨，机器从定速降到运转速度。从而实现单张纸胶印。
我们相信光电传感器会做得越来越先进，它的应用也会越来越广泛。
参考文献
[1]张正伟.传感器原理与应用[M].北京:中央广播电视大学出版社,1991.
[2]彭军.传感器与检测技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.
[3]张燕,曾光宇.光电式传感器的应用与发展[J].科技情报开发与经济,2006(13).
[4]颜晓河,董玲娇,苏绍兴.光电传感器的发展及其应用[J].电子工业专用设备,2006(01).
[5]谢望.光电传感器技术的新发展及应用[J].仪器仪表用户,2005(05).
[6]王家骧.轻工业机械设计[M].北京:中国轻工业出版社,1996.
光电传感 篇4
关键词：光电检测技术,CCD,图像传感器
0光电检测技术
光电传感器又称图像传感器或影像传感器,是利用调制光实现对物体的检测,其作用是将接收到的光信号转变为模拟电信号[1]。光电传感器由发射器和接收器组成,通过接收器接收到的光强变化产生检测输出实现检测功能。传感器种类繁多,模式多样,主要用于切换机器动作、控制生产线运行,为零件或产品计数、检验产品、保护操作人员等等。作为生产线上的控制部件,光电传感器参与制造了成千上万种产品。光电传感器非接触地探测物体,广泛用于许多自动化领域,如管理系统、机械制造、包装工业等。光电传感器可提供高质量的探测、识别与成像以及高分辨率的静止图像等。随着科学技术的飞速发展和工业生产自动化程度的提高,高精度、高效率、非接触在线检测已成为检测行业的发展方向。它可以大大地解放劳动力,达到提高生产效率和产品质量、降低成本的目的。
所谓光电检测系统是指对待测光学广量或由非光学待测物理量转换成的光学量,通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统,如图一所示。光电检测为非接触检测,具有无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、灵敏度高、电路简单、价格低廉、测量精度高等优越性,因而应用十分广泛,尤其在高速自动化生产、生产过程的在线检测、安全运行保护等方面起到重要作用。特别是近年来,各种新型光电探测器件的出现,以及电子技术和微电脑技术的发展,使光电检测系统的内容愈加丰富,应用越来越广,目前已渗透到几乎所有工业和科研部门,是当今检测技术发展的主要方向。
1 CCD工作原理及介绍
1.1 CCD工作原理
CCD (Charge Couple Devices)即为电荷耦合器件,是固态图像传感器的敏感器件,与普通的MOS、TTL等电路一样,属于一种集成电路,但CCD具有光电转换、信号储存、转移(传输)、输出、处理以及电子快门等多种独特功能。自1969年美国贝尔实验室研制成功第一只光电荷耦合器件(Charge Coupled Device,简称CCD)以来,CCD伴随着计算机技术的迅速发展,在国防及民用工业等部门引起人们的极大关注,尤其CCD所具有的体积小、重量轻、结构简单、功耗低、便于数字化等一系列优点,更使其在检测方面的应用越来越广泛,是未来探测技术的发展方向[2]。
电荷耦合器件CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金属电极上,加以适当的脉冲电压,排斥掉半导体衬底内的多数载流子,形成“势阱”的运动,进而达到信号电荷(少数载流子)的转移。如果所转移的信号电荷是由光像照射产生的,则CCD具备图像传感器的功能;若所转移的电荷通过外界注入方式得到的,则CCD还可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。
CCD主要由信号输入、转移和输出三部分组成,其核心部分为电荷转移。当入射光到达光敏元件,使得光敏元件产生电子-空穴对,空穴在表面电场作用下进入衬底,电子则进入输入栅形成的势阱中存储起来。图二为CCD器件的结构原理图[3,4]。
图三展示了三相驱动CCD传感器电荷转移过程。根据能量定理电荷总是从能量高向能量低的方向运动,电极Φ2电压比电极Φ1高,在电极Φ2处形成的势阱高于电极Φ1处,电荷从电极Φ1向电极Φ2转移。只要下一时刻电极Φ3电压比电极Φ2高,电荷又将从电极Φ2向电极Φ3转移。
1.2 CCD图像传感器的介绍
电荷耦合器件CCD的基本原理与金属——氧化物——硅(MOS)电容器的物理机理密切相关。CCD的电荷(少数载流子)的产生有两种方式:电压信号注入和光信号注入。作为图像传感器,CCD接收的是光信号,即光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片上时,在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子—空穴对。这时在栅极电压的作用下,多数载流子(空穴)将流入衬底,而少数载流子(电子)则被收集在势阱中,形成信号电荷存储起来。这样高于半导体禁带宽度的那些光子,就能建立起正比于光强的存储电荷。
由许多个MOS电容器排列而成的CCD,在光像照射下产生光生载流子的信号电荷,再使其具备转移信号电荷的自扫描功能,即构成固态图像传感器。
图四所示光电摄像管中,当入射光像信号照射到摄像管中间电极表面时,其上将产生与各点照射光量成比例的电位分布,若用电子束扫描中间电极,负载RL上会产生变化的放电电流。由于光量不同而使负载电流发生变化,这恰是所需的输出电信号。所用电子束的偏转或集束,是由磁场或电场控制实现的[5]。
在图五的固态图像传感器中,输出信号的产生,不需外加扫描电子束,它可以直接由自扫描半导体衬底上诸像素而获得。这样的输出电信号与其相应的像素的位置对应,无疑是更准确些,且再生图像失真度极小[5]。
通过图四和图五光导摄像管与固态图像传感器的基本原理的比较,可以看出:光导摄像管等图像传感器,由于扫描电子束偏转畸变或聚焦变化等原因所引起的再生图像的失真,往往是很难避免的。失真度极小的固态图像传感器,非常适合测试技术及图像识别技术。此外,固态图像传感器与摄像管相比,还有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点,并且固态图像传感器的成本也较低。
2 CCD图像传感器的发展趋势
CCD图像传感器经过30多年的发展,从最初简单的8像素移位寄存器发展至今,已经具有数百万至上千万像素。由于CCD图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景,因此,近年来国际上在这方面的研究工作进行的相当活跃,很多国家均投入大量的人力、物力和财力,在CCD图像传感器研究和应用方面取得瞩目的成果。从目前CCD技术的发展趋势来看,主要有以下几个方向[6]:①高分辨率:②高速度;③微型、超小型化;④新型器件结构;⑤微光CCD;⑥多光谱CCD器件;⑦超级(Super)CCD。
随着社会各行各业的先进技术的不断发展,CCD因其独有的性能和功能,在很多领域得到了广泛应用,已显示出潜在的巨大优势。
参考文献
[1]高稚允，高岳．光电检测技术[M]．北京：国防工业出版，1995．
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[3]谭朝文．超级蜂窝，CCD[J]．世界电子元器件，2000，(2)：11．
[4]董永贵．传感技术与系统[M]．北京：清华大学出版社，2006．
[5]蔡文贵．CCD技术及应用[J]．北京：电子工业出版社，1999：1．
光电传感器检测劣化绝缘子 篇5
根据我国的实际情况, 国家对输变电设备的绝缘及检测作了严格的要求。但是, 目前世界上还没有一种能够在线地、准确而简便地检测出超高压输电线上含有缺陷的复合绝缘子的方法或仪器。
绝缘子串周围空间电场分布特征可用来检测线路中的劣化绝缘子, 在众多的绝缘子劣化检测方法中相对具有操作简便、检测时间短、试验结果可靠的特点。
采用一种新型劣化绝缘子监测方法, 即采用“光电场传感器”对绝缘子串的电场分布进行检测, 通过对绝缘子串电场分布的分析, 进而找出劣化绝缘子。
1 试验概况
1.1 光电传感器应用原理及优势
通过光纤作为数据传输通道, 绝缘杆作为传感头运动载体, 使电场传感器的传感头在绝缘子表面以各种不同距离沿悬挂方向做直线运动, 通过绝缘子劣化检测仪记录绝缘子表面沿线电场强度分布, 通过分布曲线本身以及其与绝缘子电场分布仿真结果对比, 判断绝缘子的劣化情况。
绝缘子电场测试仪的传感头是其核心器件, 基于Pockels效应的光学电场传感器。绝缘子电场测试仪的传感头是其核心器件, 基于Pockels效应的光学电场传感器。
电光晶体作为电场传感器或者电压互感器的核心器件, 其绝缘优势使其可以轻易的承受高电压和强电场。通过简单地放置在绝缘外壳中增加合适的爬距就可以完成安装。不但节省了造价, 也节省了占地面积。
响应频率特性是测量高频电场变化的核心问题, 即雷电流波形和侵入波波形探测的核心问题。也是除了其绝缘性能好之外, 相比传统电磁式电压电流互感器最大的优势所在。
将高压侧采用绝缘性能好的电光晶体作为传感元件, 以及通过绝缘强度极高的光纤作为信号传输通道, 使其绝缘结构大大简化, 同时没有铁心和线圈, 不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。消除了磁饱和及铁磁谐振现象而使互感器运行的暂态响应好, 稳定性高, 保证了系统运行的高可靠性。
1.2 劣化绝缘子电场法判断依据
根据电磁场理论, 由于高压输电线路上传输的是50Hz的高压电, 因此, 它在周围环境将产生一个时变电磁场。把绝缘子看成形状不规则的非均匀填充电介质, 在高压作用下, 它有微弱的泄漏电流, 由于电流很小, 不会对电场强度产生较大影响, 故可以忽略。上述问题归结起来, 就是求解形状不规则的非均匀填充电介质在时变电磁场中的电场分布情况。
基本理论:
曲线A是根据电磁场理论计算出的电场强度沿绝缘子轴向的变化曲线。正常情况下该曲线是光滑的, 呈“U”形。当绝缘子存在导通性缺陷时 (见图中黑点) , 此处的电位变为一常数, 由于电场强度是电位沿长度的变化率, 因此此处的电场强度将突然降低, 作出的电场分布曲线也不再光滑, 而是在相应的位置上有畸变 (中间下陷, 两端上升) , 见图1中曲线B。
由此可见, 通过测量绝缘子串的轴向电场分布, 可以找出绝缘子的绝缘导通性故障。
1.3 基础实验
(1) 两种不同的调制方式
以大型平板电极作为高电位, 试验台面为地, 分别以不同高度的绝缘柱做支撑, 使平板电极和桌面平行。平板电极1m x1m, 厚度2mm, 不锈钢材料。桌面不锈钢材料, 长方形, 尺寸略大于上极板。晶体通光方向长度d=5cm, 折射率n0=2, 介电常数ε=16, 有效电光系数记为γ约1pm/V。
试验的2种方式调制为:
1) 直接放在地极板表面, 极板间隔23cm
2) 横向放置于塑料杯顶部, 高度约为23cm, 极板间隔43cm。
实验数据:如表格1
试验数据分析:
由电光效应导致的偏振态附加相位差的测量值
Δδ测=U/U0, Δδ1=0.050, Δδ2=0.022
电场强度测量值由下式计算:
Δδ1= (2π/λ) n03γE1d= (2π/1.55um) x23γE1x5cm得E1=30.8k V/m
Δδ2= (2π/λ) n03γE2d= (2π/1.5 5 u m) x23γE2x5cm得E2=13.6k V/m
由于晶体本身介电常数为16, 理想情况下, 如果晶体和空气之间界面为无限大, 则其感应电场应为临近空气中电场的1/16=0.0625, 但实际上, 晶体本身的尺寸是有限的, 而且其形状也会影响附近的空间电场分布, 而相关研究表明, 晶体尺寸越小, 其内电场感应强度越接近于空气中的实际电场。
标度因数F定义为:电场强度测量值/电场强度实际值, 标度因数的大小反映了改调制方式晶体对空间电场的感应能力, 也就是该调制方式的灵敏度, 标度因数根据传感头尺寸和形状以及调制方式相关
F1=30.8/196=0.157
F2=13.6/116=0.117
试验结果分析:
1) 晶体悬空和晶体贴近地电极的感应电场灵敏度有较大区别, 原因是由于平板电极形成的空间电场在靠近上下极板的位置有较大的畸变, 因此需要以悬空测量的数据作为标定量。
2) 由于条件限制, 传感头是固定在塑料杯的顶部, 杯子虽然有很小的介电常数, 但在高电压, 表面的感应电荷也会对测量结果造成影响。
(2) 线性度和重复性的试验
试验方法:
不改变调制方式, 将传感头放在平板电极中部高度处固定好, 将电压从0升高到50k V, 再从50k V降低到0, 记录电压在上升和下降时读数变化的同步过程。
实验数据:如表格2
根据数据拟合函数观察线性度:如图2
试验结果分析:
0~2.5k V/cm的电场强度内, 测量结果线性度高, 重复性好, 上升和下降过程中有完全相同的系数。
2 220k V复合绝缘子劣化仿真对比分析
为了查找复合绝缘子和瓷绝缘子串中, 以及含有零值绝缘子的瓷绝缘子串的故障定位, 通过相关仿真计算查看理想状态下的劣化定位和实际劣化的关系。通过仿真将高压试验大厅操作环境完整再现, 将试验结果和仿真结果进行对比, 查看基于该检测方法的实际应用效果。
试验中使用15片瓷绝缘子, 导线离地高度为5m。绝缘子上端为高压端, 下端接地为低压端。根据试验布置的实际参数建立220k V瓷绝缘子串电场分布研究试验的三维静电场模型, 包括导线、瓷绝缘子串、联接金具、均压环等。所有实体被两个空气体包围, 第一层空气体为长8.4m, 宽1m, 高5m的长方体;第二层空气体为长45m, 宽30m, 高25m的长方体模拟试验大厅。对于良好瓷绝缘子串, 根据试验情况对最上端绝缘子铁帽、导线、联接金具和均压环加载高电位Um=220/=127.017 k V, 对最下端绝缘子钢脚和试验大厅的六个面加载0电位。对绝缘子串上下相扣的铁帽和钢脚进行电位耦合, 瓷绝缘子伞裙的介电常数取6。
仿真结果:如图3所示
3 结论
本文通过对光电传感器对绝缘子串周围电场强度进行检测, 并根据实验大厅的实际情况进行仿真并通过试验数据进行了分析, 得出以下结论:
(1) 良好绝缘子整体表面轴向电场分布呈现U型, 高压端最高, 低压端其次, 中间最低, 和点位分布规律近似, 在出现缺陷的位置, 电场强度出现下降, 在曲线上表现为谷值。
(2) 瓷绝缘子外表面最大场强值出现在靠近伞裙表面附近的空气中, 劣化时电场值减小;测量距离越远, 劣化绝缘子引起空间电场的变化率越小。
(3) 在空间三维电场中, 绝缘子劣化对绝缘子串空间轴向电场分量的影响最明显, 且其影响与劣化绝缘子位置有关, 高压端和横担端较为明显, 中部影响较小。
(4) 连续劣化对其空间电场变化率的影响大于间断劣化, 且劣化绝缘子对空间电场的影响互不干扰。
综合上述分析, 可以得出结论:通过光电传感器对绝缘子劣化检测能够得到很好的实验效果, 可以有效地解决以往传统检测方式的不足之处。
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提高光电传感器精度的关键技术 篇6
1.1 光电传感器的工作原理
光电传感器是通过使用一般为红外线的光发射器和光电接收器来检测物体的距离或存在的设备。它们主要用于工业生产中, 有三种不同的类型:相对 (通过光束) , 回射和接近感测 (漫射) 。通过波束装置包括位于发射器的视线内的接收器, 当光束被阻挡而从发射器到无法达接收器时, 可以检测到物体。回射装置将发射器和接收器放置在相同的位置, 并使用反射器将光束从发射器弹回到接收器。当光束被中断并且未能到达接收器时, 感测到物体。
接近感测 (漫射) 装置中透射的辐射必须从物体反射以到达接收器的位置, 在这种模式下, 当接收器接收到发送源信号时可检测到对象。与反射传感器中一样, 漫射传感器发射器和接收器位于同一壳体中。将检测目标光线射入反射器, 使得光的检测信号从干扰对象反射, 发射器发出在所有方向上扩散的光束 (最常见的是脉冲红外光、可见红光或激光) , 填充检测区域。然后光线进入该区域并且将光束的一部分偏转回到接收器, 当足够的光落在接收器上时, 发生检测并打开或关闭输出。许多光敏部件对红外线敏感, 适宜于红外线光谱区工作。光电传感器的检测范围是其视线或者传感器可以检索信息的最大距离减去最小距离, 最小可检测对象是光电头可以检测的最小范围, 更精确的传感器通常可以具有检测的极小尺寸物体的能力。
1.2 光电传感器的发展
独立的光电传感器包含光学元件以及电子元件, 它只需要一个电源。传感器执行其本身的调制, 解调, 放大和输出切换功能。光传感器的一个特征是其测量来自一个或多个光束的变化的能力, 光电传感器可以在单点法或通过点的分布工作, 使用单点方法, 需要单独的相变来激活传感器, 在分布概念方面, 传感器沿着长串传感器或单光纤阵列是反应性的。一些独立的传感器提供诸如内置控制计时器或计数器的功能, 由于技术进步, 光电传感器变得越来越小, 用于遥感的远程光电传感器仅包含传感器的光学部件测量范围很宽, 缺点是光电传感器的稳定性和精度较B型或S型差, 用于电源输入, 放大和输出开关的电路位于其他地方, 通常位于控制面板中, 使得这类传感器本身非常小。此外, 传感器的控制更容易进行, 因为控制功能可能更强大。当空间受到限制或者环境对于远程传感器来说不容易运行时, 可以使用光纤, 光纤是无源机械感测部件, 它们可以与远程或自带传感器一起使用, 没有电路和没有移动部件, 并且可以安全地将光进入和离开恶劣环境。
2 光电传感器的精度分析
2.1 光电传感器的精度概述
光电传感器精度的概念是指测量的可重复性的程度, 换句话说, 如果完全相同的值被测量多次, 则理想的传感器将每次输出完全相同的值。但是真实的传感器输出相对于实际正确值以某种方式分布的一定范围的值。例如, 假设对传感器施加恰好为150mm Hg的压力, 即使施加的压力从不改变, 来自传感器的输出值也将显着变化, 当真实值和传感器的平均值不在彼此的一定距离内时, 在精度问题中出现一些微妙的问题, 传感器的精度是实际值 (必须由主要或良好的二次标准测量) 和传感器输出端的指示值之间存在的最大差值。同样, 精度可以表示为满量程的百分比或绝对值。提高精度实际就是在减小某些特定条件下实际输出值和指定输出值之间的差, 如果特性曲线具有与理想相同的灵敏度斜率但不是零与Y轴相交, 理想曲线将仅在一个温度 (通常为25℃) 下存在, 而实际曲线将在最小温度和最大温度极限取决于样品和电极的温度。
2.2 光电传感器的精度影响因素
2.2.1 光谱特性
根据光电传感器对不同波长的光特性曲线。由相关数据可知, 其灵敏度是不同的, 根据硅光电传感器和硒光电传感器的光谱, 不同材料的光电传感器适用的入射光波长范围也不相同。硅光电传感器的适用范围宽, 对应的人射光波长可在0.45-1.1μm之间, 而硒光电传感器只能测量0.34-0.57μm的波长。影响光电传感器的光谱图波峰的因素主要有光电传感器的材料和制造技术, 会受到温度系数和线性膨胀系数的干涉, 在实际的应用中应当根据具体光源的类别来进行选用。
2.2.2 光电特性
光生电动势和光电流会随着光照度的改变而进行相应的变化, 但有一定的滞后性, 光电传感器的光电特性转换图线的绘制条件较为苛刻, 需要在负载电阻无穷大时进行开路, 在内阻较小时进行短路来绘制并优化光电特性曲线。开路的电压和实际光照并不是线性关系, 而且在光照达到3000勒克斯的时候就达到上界, 短路电流则与之情况相反, 线性度良好。并且负载电阻在最小值的时候, 线性关系达到最佳拟合状态。因此连续进行光照度检测, 获取最佳状态效果较好, 但是成本昂贵、设备复杂。光电传感器数字地产生和控制电流源信号以消除谐波, 使用这种技术可以获得一些其他好处, 但都需要大量的成本。把光电传感器作为电流源来光信号连续变化的场合, 也可以把光电传感器作为电压源使用。
2.2.3 温度特性
光电传感器的开路电压和短路电流随着温度变化较为明显, 光电传感器的温度漂移影响到了设备的稳定性, 对测量和控制精度的改变等都有着较大的作用, 所以成为了光电传感器的一个极为重要的特性。从有关文献可以得出结论, 光电传感器的开路电压在温度每上升1度时, 降低3m V, 短路电流则变化较缓慢。在使用光电传感器进行检测时, 需要对温漂进行补偿来减小误差。
2.2.4 频率特性
光电传感器的入射光调节频率是由输出电流决定的, 因为光电子空穴对的产生与移动都需要一定的时间, 因此会产生一定的延迟性, 入射光的工作频率上限超出了几万Hz, 传感器的频率调制特性较差, 在需要调制频带较宽的情况时, 应尽量采用硅光电传感器, 并选择面积较小的硅光电传感器和较小的负载电阻, 可进一步减小响应时间, 改善响应频率。
2.3 提高光电传感器精度的方案
在光电视觉这样复杂的领域中很难描述状态, 问题本质上是多方面的。识别任务的成功在很大程度上取决于集成的技术数量, 因此它更多地是关于适当组件的正确集成, 而不是使用单一的一体化解决方案。光电识别的一些重要组成部分是:光线定位和环境鲁棒性, 光电识别, 用户光电适应, 以及最后的电信号处理, 每个域都有自己的工具和解决方案, 实际上更加重要的是合理地组合它们。首先, 光电定位帮助滤除噪声和从多个光源分离。在这里, 可以使用大量的技术从视觉到简单的运动检测, 以更好地检测扬声器位置。Open CV是最好的计算机视觉库, 但你也可以使用激光雷达或其他传感器, 将能够更好地本地化光线数据, 更准确的识别将是了解物体的位置, 环境排布, 可以更有效地取消光线干扰。对于波束成形, 可以推荐两个开源包:Manyears和Hark。然后光电识别本身将要求有一个体面和有效的光电识别工具包像CMU Sphinx-光电识别工具包, 这是最好的选择, 由于它的便携性和功能集合。在这里你需要一个光电生物识别工具包。ALIZE是一个不错的选择。一旦确定了光源, 实际上很重要的是实现适应, 以更好地识别物体的光度。适应CMUSphinx可以显着提高识别的准确性, 并结合光电生物识别, 它可以显著提高传感器能力。最后, 不应将识别结果直接作为有效数据, 最好的系统必须包括一组技术, 这是一个相当有挑战性的创建这样的系统, 可以用开源组件进行科学有效的实现。
3 总结
高精度光电传感器凭借着精密的检测硬件与高效的算法, 在故障处理、设备检查、管道探伤等方面都有着较为客观的发展, 这其中综合运用了高精度加工技术和自动控制技术。许多接入到分配网的光电传感器的转换和管理将更加复杂, 如果设计的光电传感系统的规划不符合规格, 它将对探测精密度产生很大的影响。高精度光电传感器是广大科研平台顺利建设和正常运作的一项极为关键的组成部分, 在确保且提升光电科研平台的运作效果与工作效能方面, 具备极为重要的推动作用。
摘要：光电传感器是用于通过使用通常为红外线的光发射器和光电接收器来检测物体的距离, 它们广泛用于工业制造中, 光电传感器使用光束来检测物体是否存在, 此技术用于识别对象的大小和对比度。通常集成光源, 测量装置和光电传感器系统的一部分, 一般连接到电触发器使得其对光传感器内的信号的变化作出反应。本文通过介绍影响光电传感器精度的因素来探究提高光电传感器精度的策略, 通过算法与硬件两方面的综合优化来提升传感器的工作效能, 提高其精度对于光电科研能力的提高有着长远的意义。
关键词：光电识别,精度优化,集成光源
参考文献
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光电传感 篇7
关键词：单片机,PWM,光电传感,检测系统
光电传感器一般由光发射、接收和检测电路3部分组成。光发射部分可以是特定波长的发光器或普通发光二极管;接收部分是光传感技术的中间环节, 主要负责光电转换, 将光信号转换为电信号以便进一步处理;检测电路则主要是进行电信号的处理, 最终分析出有用信号[1,2]。
在控制和检测系统中, 光电传感技术被大量的用于检测物体有无或物体定位, 例如自动化设备中机械运动的位置检测, 流水线上的物体通过检测等[3]。针对物体检测这一问题, 较流行的解决方案有3种:最普遍的方法是设计光电发射管和接收管硬件电路, 结合实际应用环境, 设计不同的电路方案, 达到不同的检测需求, 其设计灵活, 成本低, 但性能一般;第二种是使用具有一定集成度的传感器部件, 此类部件主要有对射式和反射式两种, 且集成了驱动电路与检测电路, 只需提供合适的电源, 便可获得检测结果, 其成本较低使用方便, 但性能一般;另一类是在发射部分或接收部分引入光栅、光纤或激光等技术, 达到特定效果的光学传感器, 该类传感器通常在检测精度、检测距离、检测速度或检测范围等方面均具有较高水平, 但由于其成本过高, 仅被应用于对检测有特殊要求的环境下。
本文基于第一种方案, 采用红外发光二极管和红外光电三极管相结合的方式, 并在发射部分设计了特殊的控制电路, 提高了检测性能。此物体检测系统使用的检测方案灵活易用, 制作成本低, 配合现有的单片机技术, 适合于小体积物体检测且对检测性能有较高要求的应用场合, 其均具有较高地实用价值。
1 系统整体设计
设计的物体检测系统用于进行小型物体检测, 所需完成的功能为:外界给检测系统一个特定信号, 检测系统开始工作, 最终检测是否有物体通过检测区域。其检测流程如图1所示。
单片机在获得外界的一个“开始检测”信号后, 首先针对工作环境调整发光管的发光强度, 将发光强度调整到能使接收管接收到光信号的最小强度, 若调整成功, 记录此时的发光强度, 并开始检测。若调整失败, 返回“异常”信号。出现“异常”情况, 需对检测部位进行查看, 若引起异常的原因是粉尘或异物遮挡, 进行擦除后便可重新检测, 若擦除无效则需更换传感部件。
开始检测后, 根据具体检测结果, 可能返回两种信号, 一种是“未检测到”信号, 另一种是“检测到”信号。在设定时间内若有物体经过该区域, 则返回“检测到”信号, 否则返回“未检测到”信号。根据该检测系统返回的两种信号, 检测结果将用不同的LED灯进行指示。
2 电路设计与分析
硬件电路主要包括发射部分和接收部分, 如图2所示。发射部分主要由5个元件组成, 其中的红外发光二极管D1中心波长约为900 nm, 其主要由PNP型三极管的集电极电流驱动。单片机控制的PWM波输入到R1的一侧, 经电容C1稳压滤波后, 在三极管基极上形成与占空比有关的直流电压。三极管基极电流同样随占空比变化而变化, 且成正比关系
其中, Ic为集电极电流;Ib为基极电流;d为占空比。
R1为22 kΩ, 其作用是限制三极管基极电流不至于过大, 保证三极管工作在放大状态。三极管在放大状态下集电极电流与基极电流成比例, 从而可通过改变占空比来调节发光二极管的电流。
接收部分使用的是光电三极管, 波长与发射管相匹配。光电三极管接收的光越强, 基极的光生电流越大。由图2可知, 三极管集电极接5 V电压, 当基极的光生电流增大时, 集电极电流也随之增大, 集电极电压越高, 输入到芯片引脚PA.15上的电压则越高。根据文献[4], 当NUC130LE3CN芯片IO口输入电压为TTL电平输入时, 低电平输入范围在-0.3~0.8 V, 高电平输入范围在2 V~Vdd+0.2 V。发射管在不同的发光强度下, 芯片IO口会有不同的输入电平, 或当有物体遮挡发射管时, IO口输入为低电平。
3 软件设计
系统中, NUC130LE3CN单片机使用的开发环境为MDK集成开发环境, 编程语言为C语言。单片机软件主要包括初始化、电平检测、传感器测试、物体检测等多个部分[5,6,7,8,9,10]。
在接收到外界的一个“开始检测”信号后, 单片机首先进行传感器初始化, 主要是PWM模块的初始化, 函数名为ini_sensor () , 无参数无返回值。将电平检测打包为函数result () , 返回值为int型, 根据光电三极管输入到单片机IO口上的状态, 可能检测返回的结果为“0”或“1”, 分别代表低电平和高电平。传感器测试函数为sensor_test () 。
根据该函数可测试传感器是否正常, 若函数最终返回值为0, 则代表传感器异常, 单片机发出对应信号。否则, 返回当前环境下, 接收管能输出高电平的最小占空比。
若传感器测试函数返回正常, 则开始执行检测函数detect () , 检测函数流程如下:
在执行检测函数前, 打开计时器, 当计时器到时后, 全局变量time清零, 若在time清零之前函数未检测到低电平, 则认为超时, 返回“0”, 否则检测到, 将返回“1”。最终通过检测函数返回值, 确定返回“超时”信号或“检测到”信号。
4 性能测试
针对本次设计的检测系统, 将设备中光电检测部分与传统光电检测方式进行对比试验, 分为测试组和对比组。测试在不同条件下, 两组检测设备的物体检测准确度的优劣, 测试方法与过程如下:
实际检测区域为10 mm×10 mm大小的平面, 物体会从距离该平面垂直高度30 cm的上空落下并通过该检测平面, 定义“每次物体通过并检测”为一次实验, 每次实验的测试结果会出现正确和错误两种结果。一组试验包括1 000次连续实验, 将测试组和对比组在4种环境光强下进行多组对比试验, 测试过程为:测试人员按下“开始检测”按钮, 检测系统开始检测且物体落下, 检测结果若返回检测到, 则记一次正确;若返回超时, 则记一次错误。最终的测试结果如表1~表3所示。
针对3种不同环境光强下, 测试组和对比组各做3组 (3 000次) 测试, 测试结果如表中所示。3种环境下, 测试组的性能均高于对比组, 且在强光下, 由于传统光电检测方式无法进行光强调整, 导致光强过强, 灵敏度下降, 并多次出现漏检。
由实验数据可得出, 使用本次设计的物体检测系统, 针对直径为5 mm的不透明小球, 可得到较好地检测效果, 并在不同环境光下, 检测的正确率远高于传统光电开关方式的检测性能。
5 结束语
所设计的系统通过简单的外围电路, 在软件上使用PWM波形的占空比控制发射管发光强度, 利用这种方式, 使系统每次检测前均可获得最佳的发光强度, 保证了灵敏度, 且加上传感器错误检测, 从而提高了系统可靠性。实际使用中, 与传统光电开关相比, 其可靠性与灵敏度均大幅提高, 在恶劣的照度环境下, 对于直径5 mm的小球体, 传统光电开关漏检率接近10%, 而使用所涉及的系统则≤1%。该系统最大的优点是使用低成本实现高性能的物体通过检测, 且具有较高地实用性。此外, 系统还可进行扩展延伸, 因此适应更多的实际应用场合。
所长徐建平中国电子科技集团公司第十研究所 (以下简称十所) 1955年成立于北京, 1957年迀址成都, 是新中国成立后组建的第一个综合性电子技术研究所、国家一类科研事业单位, 具备武器装备生产一级保密资格。全所占地面积1000余亩, 员工2300余人, 年产值20多亿元。十所共获得国家、省、部级科技成果奖287‘责, 其中:国家发明奖1项;国家科技进步特等奖8项, 一等奖4项:项, 学大会重大成果奖9项。获翻家质量金jj纖十所还荣获"全国五-劳动
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光电传感 篇8
1 应用必要
第一, 光电传感器获取信息的过程实际是一个多对一的对应抽样过程, 在将客观世界空间的信息传输至传感器这一过程中信息丢失的问题难以避免;第二, 军事领域中光电传感器的数量庞大, 急需处理的信息量也繁多冗杂, 这些都会给人工处理带来一定困扰, 而光电传感器信息融合技术的应用巧妙地解决了这一信息综合处理的难题;第三, 应用环境决定了光电传感器性能发挥的好坏, 但截至目前尚未有一个国家可以开发出适用于任何环境下且性能优于其他类型的光电传感器。
2 概念优点
光电传感器信息融合的过程正是为了完成目标分类、识别及跟踪等任务而进行信息自动分析综合处理的过程。军事领域中的目标识别及跟踪可以实现光电传感器目标属性中的监视功能, 有利于精确定位与预估判决。我国航天技术的高速发展离不开当前最热门的技术之一——航天技术上光电传感器信息融合技术, 它能够有效提高空间的分辨率和系统的可靠性, 无疑成为我国GDP增长的“助推器”。
3 工作原理
光电传感器能够有效检测到光强度变化的情况并将光强度的变化转换为电信号的变化。通常情况下, 光电传感器这种小型电子设备由三部分组成:发送器、接收器与检测电路。发送器负责向目标发射来源于发光二极管、激光二极管及红外射二极管等的光束, 不间断发射出的光束经过像光圈、透镜这种光学元件后达到由光电二极管、光电三极管及光电池构成的接收器中, 接收器接收到光束后会将其传输至能够过滤该信号是否有效并决定是否应用的检测电路。详细流程见下图所示。
需要强调的一点是发射板和光导纤维作为光电传感器结构元件的一种也独具特色。众所周知, 三角形的结构最为稳定, 因此由极细小的三角锥体反射材料组成的三角反射板是一种能保证光束可以准确无误地从反射板返回的发射装置, 其结构极其稳固且具有极强的实用性。
4 应用领域
4.1 研制抄表系统
为及时结算用户的电费, 一般由电力部门派专门的抄表人员到有关用户处定期走家串户地查看、抄写设置在现场的电能表, 通过人工读取、记录、计算和收费。这不仅浪费人力, 而且还会因人工读取造成不必要的误差, 给用户带来不必要的麻烦和损失, 甚至会发生不法分子假冒抄表人员入室作案而影响社会治安。因此, 无论是电力部门还是用户们均迫切要求改变当前的落后状态。随着微电子技术、传感器技术、计算机技术及现代通讯技术的发展, 可以利用光电传感器来研制自动抄表系统。
电能表的铝盘受电涡流和磁场的作用下产生的转矩驱动而旋转, 采用光电传感器则可将铝盘的转数转换成脉冲数。如在旋转的光亮的铝盘上局部涂黑, 再配以反射式光电发射接收对管, 则当铝盘旋转时在局部涂黑处便产生脉冲, 并可将铝盘的转数采样转换为相应的脉冲数, 并经光电耦合隔离电路, 送至CPU的T0端口进行计数处理。采用光电耦合隔离器可以有效地防止干扰信号进入微机, 再结合其它传输方式便可形成自动抄表系统。目前自动抄表系统没有大规模使用与当前的技术有莫大关系, 这套技术还有很多需要改进之处, 相信在未来几年随着技术的发展, 自动抄表将在全国范围内实现。
4.2 节能灯具设计
光敏传感器、红外传感器、颜色传感器已进入各种自控节能LED照明系统的设计方案之中, 它们的自主控制、方便应用使得不少公共照明LED灯具和居家照明灯具实现智能化。光电传感器可以协助公共照明的LED灯具实现灯光的自动开启关闭, 可以智能的感应人和车辆进出而自动开关灯光, 可以智慧的控制LED灯光开启的时间和控制亮度, 甚至按人类的意愿自动调整光线的色温, 营造人类想要的光氛围。
4.2.1 光敏传感器应用
光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻, 它能感应光线的明暗变化, 输出微弱的电信号, 通过简单电子线路放大处理, 可以控制LED灯具的自动开关。对于远程的照明灯具, 如街灯、庭院灯、草坪灯等都可经济而简单的实现节能自动控制。太阳能路灯本身是利用太阳光发电、储能的LED照明灯具, 无需电网供电也就无需架设成本不菲的输电线路, 因此使用光敏传感器可以实现极低成本、自动开启关闭的节能管理。
4.2.2 红外传感器应用
红外热释电传感器 (PIR) 在LED照明中的应用已有近十年的历史。红外传感器的视角有限, 需要搭配菲涅尔透镜才能扩大探测区, 才能监视移动的热源 (人或车) 。菲涅尔透镜有两个作用:一是聚焦作用, 将热释红外信号折射在PIR上;二是将探测区内分为若干个明区和暗区, 使进入探测区的人能以温度变化的形式在PIR上产生变化的热释红外信号。
4.3 航天技术应用
我国神舟十号发射成功后到与天宫一号的自动交会对接, 2000多项航天技术成果移植国民经济成为经济发展“倍增器”, 其中光电传感器技术发挥了重要作用。神舟十号和天宫一号对接机构十分复杂, 由上百个传感器、上千轴承组合而成。对接任务要求严丝合缝且不能漏气。另外考虑到飞行器在太空环境中失重要经历高低温的变化, 因此必须保证对接时不出现故障。手控交会对接时要有精确的传感器测量设备, 不断测量两个飞行器之间的距离、相对速度和姿态等, 稍有差池后果不堪设想。最后对接时, 要求轴向误差≤18cm。这些对航天员的身心都是极大的挑战, 要求他们具有极高的眼手协调性、操作精细性和过硬的心理素质等。在交会对接的过程中, 航天员需要紧盯电视图像, 根据实时传输的数据让两个航天器一点点逼近, 根据仔细计算决定速度变化方案完成交会对接, 其中传感器起到决定性作用, 为实现航天梦奠定最强基础。
4.4 工业自动化装置
光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点, 在工业上常用于非接触测量物位、距离和条码等信息, 因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。随着现代检测技术的发展出现了很多新型的光电传感器, 特别是CCD图像传感器的诞生, 为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。相关应用行业的系列产品如下:
1) 光电式烟雾报警器。没有烟雾时, 发光二极管发出的光线直线传播, 光电三极管没有接收信号, 没有输出;有烟雾时, 发光二极管发出的光线被烟雾颗粒折射, 使三极管接受到光线, 有信号输出, 发出报警。如今频遭吐槽的雾霾天气说明环境污染问题严重, 而光电式烟雾报警器则可通过光在烟道里传输过程的变化检测到烟道中的烟尘浊度;2) 点钞机的计数传感器。具有结构微型化、操作简便化、使用耐用型等特点的点钞机在我们的日常生活中应用频繁, 其不光在金融机构中被大量使用, 也逐渐成为一些大型企事业单位必备的办公用品, 成就其的正是结构简单、响应速度快、精确度高的光电传感器。点钞机的技术传感器采用两组由一个红外发光二极管和一个接收红外光的光敏三极管组成的红外光电传感器, 没有钞票时, 接收管受光照导通而输出为0;有钞票时, 接收管光通量不足而输出为1且产生一个脉冲信号, 经检测电路输入至负责计数和显示的单片机。只有不断提升光电传感器的性能, 才能满足商业经济和财务自动化日新月异变化而产生的高要求。
摘要：在数据信息理论与计算机技术二者相互融合的作用下, 光电传感器对目标分类及识别的能力也随之加强, 课题研究方向也开始从理论方法转移到实际应用这一方面。本文就光电传感器信息融合技术的应用必要、概念优点、工作原理及应用领域等方面进行简单论述。
关键词：光电传感器,信息融合技术,实际应用研究
参考文献
[1]黄斌.基于多传感器信息融合的节能控制系统.测控技术, 2013 (4) .
[2]赵娟妮.多传感器数据融合技术及其在光伏电站监控系统中的应用.科技信息, 2013 (7) .
[3]魏宏飞, 赵慧.多传感器信息融合技术在火灾报警系统的应用[J].现代电子技术, 2013 (6) .
光电传感 篇9
金属材料杨氏模量的测量是综合大学和工科院校物理实验中必做的实验之一。金属丝杨氏弹性模量测量的关键在于对金属丝的微小长度量的精确测量,国内一些院校的实验室仍采用的是光杠杆法测量金属丝的微小长度变量,而这种测量方法对于光路的调整有着严格的要求,测量难度大且不易掌握,操作比较繁琐,且读数过程中容易出错,耗时较长。而应国内大学物理实验的发展现状及发展要求,应用高科技不断改善物理实验设备,实现实验设备的自动化检测及控制成为主要趋势,因而我们需要另辟新的测量方法来改进实验仪器。
1 系统总体设计
我们首先用测量杨氏模量的装置产生微小位移,再用均匀光束照在硅光电池上,用与金属丝相连的挡板放在光源与硅光电池之间进行挡光,如图1所示,当移动挡板时,输出电流发生变化,且因为挡板挡光变化多少,输出电流有相应的变化量(线性变化),再将电信号经过放大及模数转化后送入单片机,由于事先编写的程序已输入单片机,则可由单片机实现实时自动测量、数据处理和显示,从而达到杨氏模量测量的自动化和高精度化。操作者只需要熟悉操作说明后,通过键盘上的按键来达到实验要求,最后的结果可以在与单片机相连的LED显示器上显示出来。
2 硬件部分
硬件部分主要有以下几个模块:由光源与硅光电池组成的光电转换模块;由TL084芯片及其外围元件组成的电流-电压转换及其放大、滤波模块;AD转换模块;最后是由单片机和LCD组成的数据处理及输出模块,如图2所示。下面简述一下前两个模块。
2.1 光电转换模块
硅光电池是一个大面积的光电二极管,它用于把入射到其表面的光能转化为电能,而我们知道,硅光电池将光能转化为电能时,其转化的电流信号的变化与入射光强的变化成线性关系。而为了验证硅光电池这一特性,我们也进行了相关的测量,并将测量的数据用MATLAB软件进行了拟合,得出符合最小二乘法的函数,其不同级次拟合得出的函数如下:
一次拟合:r=-0.04433 x+86.4396
二次拟合:r=2.323e-005 x^2-0.048232 x+86.5482
三次拟合:r=-3.2246e-007x^3+0.00010449x^2-0.053677x+86.6233
由上式可知,随着拟合次数增加,高次项系数数量级越变越小,且变化幅度很大,从实验可行性及精度要求综合考虑可将r-x的关系以一次处理。因而我们可以通过使用硅光电池将挡光板位移的变化转为电流的变化,从而进行测量,其物理图如图1所示。
2.2 电流-电压转换及其放大、滤波模块
硬件部分最关键的是对硅光电池转换后的电流信号的处理。由于要进行模数转换就必须把电流信号转换成电压信号,因转换得到的信号很小且含有噪音信号,故我们要将其进行放大和滤波。在此用TL084集成放大器实现电流-电压转换及放大,利用RC电路进行滤波,其电路图如图3所示。转换后的电压信号直接输入AD转换电路的输入端,再将AD转换后的输出信号送入单片机进行处理及显示。其中AD转换采用的是12位转换器AD574。
3 软件部分
为了方便程序调试和提高可靠性,程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设计方法。本设计按任务模块划分的程序主要有初始化程序、主程序、A/D转换子程序、数据处理子程序(包括调零、判断操作是否错误、位移值及杨氏模量值)、LCD显示子程序、键盘扫描子程序。系统主程序流程图如图4所示,其中操作检测是帮助提醒操作者,若无误,LCD显示会显示功能按键相应的数据值,若操作有误,LCD显示会显示EOF字样。
4 数据记录及处理
经过实验记录及数据处理,我们取位移值与经转换放大后的电压值的比例系数为44,在数据处理子程序中直接使用,用此系统去检测金属丝的伸长量,测得数据如表1所示。用千分尺测得钢丝的直径的数据如表2所示。
其中L=100.00cm,m=3000g,g=979.4cm/s2。uE只取一位有效数字,由“末位对齐”原则写出结果表达式:
E=E±uE=(1.8±0.3)×1011(N/m2)
5 结束语
本方法可以大大简化原来的实验装置,提高了实验的效率和准确率,成本也比原来低。改进后不仅保留了原有实验的教学内容,还有利于学生对光电传感器的结构、原理、特性及使用方法的了解,将先进科技成果应用到教学实验中,扩大了学生的知识面,所以本仪器也将是经典实验教学现代化的一个实例。
摘要：文章介绍了一种通过使用光电传感器来对金属丝杨氏模量测量的新方法。该测量的关键在于对金属丝的微小长度变化量的精确测量。首先由光电传感器将位移变化转换为电流量的变化,电信号经过I-V转换、放大及模数转化后,最后送入单片机进行数据处理,同时通过键盘来实现人机对话,并在显示器上显示出结果,实现杨氏模量测量的智能化。
关键词：光电传感器,金属丝杨氏模量,I-V转换,放大,模数转化,单片机
参考文献
[1]李铁平,王希成,罗中杰.大学物理实验.武汉:华中科技大学出版社,2010.9
[2]张洪润,张亚凡,邓洪敏.传感器原理及应用.北京:清华大学出版社,2008.7
[3]刘恩科等.光电池及其应用.北京:科学出版社,1989.3.