光电传感技术

2024-07-12

光电传感技术（共9篇）

光电传感技术篇1

摘要：本文主要介绍了光电检测系统的组成及各部分的内容，并结合光电传感器技术，介绍了CCD传感器的组成和工作原理。最后举出了两种不同结构的CCD传感器．并简述了CCO传感器的发展趋势。

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．

[2]汤定元．光电器件概论[M]．上海：上海科学技术文献出版社，1989．

[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．

[6]程开富．新颖CCD图像传感器最新发展及应用[J]．集成电路通讯，2006，(03)．

光电传感技术篇2

光电传感器应用广泛

大陆目前处于工业产业结构升级的重要发展阶段，未来工业制造业将逐渐向高端发展，这使得传感器等自动化相关产品迎来良好的发展机会。光电传感器作为最基础也是应用最为广泛的传感器，也同样迎来了光辉的未来。光电传感器在食品饮料生产线、包装机械、机床、电子半导体、立体仓库、安检设施等多个领域都有广泛的应用。

据捷孚联合（JFUnited）机构公布的数据显示，2010年大陆光电传感器市场容量约为

8.4亿元，2011年大陆光电传感器市场容量约为10.4亿元。机械、消费品生产线、电子半导体为应用最多的三个领域，约占据整体的64%。

光电传感器市场集中度明显

大陆光电传感器的供应商超过百家，其中总体数量上占据20%-30%的外资企业拥有着整体市场90%的销售份额，2011年，光电传感器行业中主营业务收入超过5000万元以上的企业6家，占行业统计企业数的6%，销售额占整体光电传感器市场的60%，其主要原因是上述企业进入大陆市场较早，技术比较成熟，在客户中的知名度也相对较高。各供应商2011年比2010年的销售额均有不同程度增加，增幅普遍在10%-20%之间，2012年大多数供应商同比持平，少数略有增长或略有下降。因欧债危机外向型企业表现乏力，加上国家的宏观调控制约了大陆光电传感器市场，预计2012年大陆光电传感器市场容量约为10.7亿元。

光电传感器未来竞争日益加剧

大陆市场中，外资企业在重工行业拥有较大优势，内资品牌因其价格限制大多数集中在轻工行业，外资品牌的产品价格普遍比较高，而内资品牌的产品价格普遍比较低。但随着更多品牌进入大陆市场，市场竞争日益激，加上外资企业中大多数在中国均有设厂，大陆光电传感器市场的平均价格将呈下降趋势。

提高光电传感器精度的关键技术篇3

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

[1]叶必卿.干涉光路进行液体折射率变化测量[J].浙江工业大学学报, 2009 (03) .

[2]李宇航, 童利民.微纳光纤马赫-泽德干涉仪[J].激光与光电子学进展, 2009.

[3]刘盛春.基于拍频解调技术的光纤激光传感技术研究[D].南京:南京大学, 2011.

[4]高学强.潜艇辐射噪声声源级经验公式修正[J].声学与电子工程, 2007 (03) .

[5]胡家艳.光纤光栅传感器的应力及温度增敏封装[J].光电子激光, 2006 (03) .

光电技术专业篇4

光电技术专业

一、专业定位

（一）招生对象：高中毕业生

（二）学制：3年

（三）人才规格：高等职业教育，大专层次

（四）培养目标

培养LED、太阳能电池板等光电产品的生产、应用开发设计、工程应用设计等工程领域，在生产、服务及管理第一线从事产品的生产、测试、应用设计、工程设计、安装调试、销售服务等工作的技术型及部分技能型专门人才。

编辑本段就业位与职业能力

1、主要就业岗位

（1）LED的生产、销售服务；

（2）LED照明灯具等LED产品的开发、生产；

（3）LED照明工程的设计、施工、咨询服务；

（4）光电半导体元件的生产、检测、服务业；

（5）从事太阳能光伏发电系统的设计、施工、维护等工作。

2、主要就业岗位分析

专业分析

行业发展与人才需求分析

温州是中国民营经济的发祥地，“敢为人先，特别能创业”的温州

人谱写了民营经济的辉煌：全市现有个体民营企业30多万户，民营企业数量占全市企业总数的98%以上，民营经济工业产值占全市工业总产值的96%以上。企业调研表明，温州地区对电子类人才的需求十分强烈，包括产品辅助设计、产品生产工艺、产品维修、设备维护等相关技术型和技能型人才。

在创建国家级高新区过程中，科技部从将温州高新区打造成为“中国民营经济创新驱动转型发展示范区”的高度出发，提出在温州市建设国家级激光与光电产业集群构想。充分考虑温州产业规模和基础，最终确定在温州市建设“中国(温州)激光与光电产业集群”，目前主要涵盖激光器件与设备、光电能源(光伏发电)、半导体照明(LED)、光通信等四大领域。该项目已在今年6月份被科技部和省政府列为2011年度部省会商项目。

温州市国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要指出，要推进产业升级，提升发展先进制造业,培育发展现代产业集群，重点培育和发展先进装备制造、新能源、新材料、节能环保、生物和新一代信息技术等六大战略性新兴产业，而新能源产业重点发展光伏设备及器件、风电装备、风电场利用、核电厂建设等。

从市域重大项目布局图上看，第103项“光伏能源产业项目”是4项先进制造业工程之一。2011年6月24日温州高新技术产业园区管委会正式挂牌成立，温州市创建国家高新区进展顺利，预计“十二五”期末，温州市激光产业与光电总产值可超1000亿元。产业发展必将带来巨大的人才需求，作为温州唯一一所国家示范高职院校，我们有

义务为这一即将蓬勃发展的产业提供人才支持。

从企业调研情况来看，企业急需大批基础扎实、能力出众、适应性强、安心生产岗位的一线技术人才，要求培养的光电技术专业的毕业生必须具备以下基本能力和素质：

▲知识结构和层次

电子技术基础知识、计算机操作基础知识、初步的电子产品生产工艺知识、基本的、光学知识。尤其强调电子技术基础和一定的光学基础知识，要求有一定的知识面，具备可持续发展的能力。▲专业技术和能力

基本的电路分析能力、光电器件测试应用能力、综合运用专业知识解决问题的能力、熟练操作电子仪器的能力、一定的专业英语应用能力。光电行业与机械、材料、化学、材料物理、微电子、机电一体化等其他技术行业的联系都非常紧密，这就要求从业人员学习和适应能力强，能够借助其他相关领域的知识和技术解决本专业工作中的问题。

▲综合素质

良好的心理素质、较强的适应能力、敬业精神、团队意识、沟通和协调能力、一定的岗位学习能力。需要在学生阶段培养和锻炼这方面的能力和素质，以便更好地胜任专业团队工作。

课程体系构建

1．典型工作任务、工作过程及能力要求

光电化学传感器的构建应用技术篇5

1 光电化学传感器

光电化学传感器主要包括电流型和电位型。当前, 光电位传感器应用非常广泛, 电流型光电化学传感器主要是利用激发态光电材料和被测物质之间电子传递从而导致光电流发生变化实现测定, 或者结合待测物质材料的光电流, 实现定量分析。光电化学传感器结合了光电化学和传统电化学传感器的优点, 并且也具有光化学和电化学传感器的应用优势, 一方面, 光电化学传感器利用电化学检测方式, 不仅易于微型化, 而且设备价廉、简单;另一方面, 光电化学分析用于检测电信号, 利用光作为激发信号, 并且应用不同形式能量作为检测信号、激发信号, 确保检测信号和激发信号的独立性, 不会发生相互干扰, 因此背景信号比较低, 光电化学传感器的灵敏度较高。光电化学传感器应用优势明显, 在光电化学分析中发展前景广阔, 并且光电化学分析和生物功能分子应用、免疫分析体系建立、纳米材料加工等有效结合起来, 使其应用范围进一步得到扩展。当前, 光电化学传感器在环境分析、细胞分析、免疫分析、酶传感分析、DNA分析、生物活性分析等领域发展前景广阔。

2 光电化学传感器的构建应用技术

2.1 材料选择和设计

2.1.1 有机光电分子

有机光电分子是指在光照条件激发下电子从最低空轨道和最高占据轨道实现电荷转移和产生激发态的有机分子, 这种分子包括有机金属配合物类、蒽醌类、偶氮染料、酞菁类、卟啉类等, 有机金属配合物类是一种重要的有机光电分子, 其由相关金属离子和电子体系配体构成。通常情况下, 有机光电分子的离域电子体系较大, 可快速吸收可见光, 并且其电子转移和电子注入能力较强, 并且结合实际需求有机光电分子可进行基团修饰或者直接合成, 其可修饰性较好。光电化学传感器加工制作时, 如果单独使用这种有机金属配合物作为光电转化层, 在实际应用中, 其光电流产生量较弱, 往往需要复合其它传导材料, 从而提高检测灵敏度和光电流信号。例如将金纳米粒子焊镀在石墨烯表面, 对石墨烯/Au NPs纳米复合物进行修饰, 在氢醌光电化学检测过程中使用电极修饰材料, 其应用效果非常显著。

2.1.2 导电高分子及其复合物

导电高分子是经过电化学或者化学掺杂将包含共轭π键高分子转化为半导体或者导体, 这种导电高分子材料的π电子共轭反键和成键能带之间往往具有较小的能隙, 其和无机半导体的价带和导带能隙比较接近, 所以大多数共轭高分子材料在实际应用中都具有半导体性能。当前, 聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等研究比较成熟, 无机半导体构建和复合过程中利用导电高分子, 利用其特异性可识别分子印迹膜, 并且导电高分子的加工制作比较简单, 可有效识别基团修饰和可控聚合, 可设计性较强, 其研究潜力非常大。

2.2 信号产生和传感模式

2.2.1 电荷氧化还原和转移

光电化学传感器设计时, 主要采用阳极光电流, 考虑到传感模式, 空穴或者电子的氧化还原反应和电荷转移对于光电极反应有着直接影响, 一般情况下不包括酶催化、分子识别等过程, 通过电荷的有效分离可促进信号产生。光电活性物质在光激发条件下发生电子跃迁, 产生空穴—电子对, 待检测物质分子和光电层空穴发生氧化还原反应, 电子逐渐转移到电极表面。通常被检测物具有还原性, 以一定浓度作为电子供体添加在电解质溶液中, 光电层中的空穴—电子对受到被检测物分子影响实现有效分离, 实现光电流快速增加。随着待测物浓度增大, 光电流逐渐增强, 利用被检测物分子和光电流的数量关系, 定量分析待测物。

2.2.2 光电流抑制

光电化学传感器根据光电层空间位阻效应, 结合分子识别, 产生阳极光电流, 电子供体在电解质溶解中捕获电子—空穴对, 实现光电极反应。光电化学池在进行光电检测时, 通常氧化电位较低且没有毒性的抗坏血酸溶于电解质溶液中。若分子复合物嵌入电解质溶液层和光电层之间, 电子供体向光电层的空穴捕获和电子迁移受到阻碍, 造成光电流降低, 结合位阻效应和降低光电流的定量关系, 科学分析目标物。

3 结束语

近年来, 光电化学分析快速发展, 而光电化学传感器的应用发展还存在一些问题, 通过仔细分析和研究光电化学分析理论, 加强技术和设备创新, 进一步拓展高稳定性和高活性材料, 由于大部分光电化学分析检测设备都是自制组装, 检测灵敏度不足, 光信号较弱, 在未来发展过程中应研发高稳定性、灵敏、方便的光电化学分析仪器, 不断提高光电化学传感器构建应用技术水平。

摘要：光电化学分析是一种在光照射条件下, 电极、光电材料和被分析物之间电荷转移发展的重要检测技术, 其基于光电转换和电化学两个过程, 结合被分析物产生的光电压或者光电流变化, 构建被分析物和光电响应变化之间的定量关系, 构建出光电化学传感器, 用于环境、生物等方面的分析研究。简要介绍了光电化学传感器, 分析了光电化学传感器的构建应用技术。

关键词：光电化学传感器,构建应用技术

参考文献

光电传感技术篇6

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

参考文献

[1]ADEL S, KENNETH S.Microelectronic circuits[M].Oxford UK:Oxford University Press, 2007.

[2]江晓军.光电传感与检测技术[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[3]王庆有.光电传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[4]新塘科技.NuMicro Family NUC130规格书[M].台湾:新塘科技股份有限公司, 2011.

[5]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 (1) :59-62.

[6]翁卓, 熊承义, 李丹婷.基于光电传感器的智能车控制系统设计[J].计算机测量与控制, 2010, 18 (8) :1789-1791.

[7]谢望.光电传感器技术的新发展及应用[J].仪器仪表用户, 2005, 12 (5) :1-2.

[8]葛鹏飞, 郑建立, 柳翔飞.基于光电传感器的智能车寻迹方法研究[J].国外电子测量技术, 2007, 26 (8) :40-42.

[9]张先富, 苏丽秋, 赵明富.智能光电传感器的原理与应用[J].磁性材料及器件, 2009, 40 (2) :54-56.

光电传感技术篇7

随着广州地铁客流的不断攀升，设备的工作频率也不断提高，要使我们的设备能经受住客流考验，其中一个重要环节就是要确保我们设备中的传感器处于一个正常的状态。因为传感器如果出现异常情况，将有可能直接导致整台设备的故障或停用。通过对光电传感器的原理结构分析结合现场设备中传感器的使用情况，总结出多种方法来减少外界环境因素对传感器的使用产生的不良干扰，或者说如何保养维护好本专业设备中的传感器。

2 光电传感器简单介绍

2.1 传感器的定义

最广义地来说，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)的定义为：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。

2.2 光电传感器的构造

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电开关(光电传感器)在一般情况下，有三部分构成：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

2.3 光电传感器的工作原理

光电开关是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

2.4 光电传感器的分类

光电传感器可用于检测多种非电量，按其输出量的性质可分为：第一类，模拟量光电传感器检测系统。第二类，开关量光电传感器检测系统。

按照工作方式可分为：第一类，漫反射式光电开关：集发射器和接收器于一体，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和颜色决定。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。这类光电开关其实广州地铁站内的自动售票机上就有安装，用于检测若有乘客靠近便从广告模式转为售票模式。第二类，镜反射式光电开关：亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。特征：辨别不透明的物体;借助反射镜部件，形成高的有效距离范围;不易受干扰，使用在野外或者有灰尘的环境中比较可靠。广州地铁车站内的自动售票机内的纸币机就有用到这种光电传感器，通过镜面反射的原理来测量投入纸币的长度、颜色等参数。第三类，对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。闸机通道传感器便是采用了这种光电开关，当乘客通过时，阻断了发射器发出的光线，于是光电开关产生开关信号。第四类，槽式光电开关：通常采用标准的U字型结构，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型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体，使用安全可靠。自动售票机内部的纸币模块、硬币模块以及单程票模块很多位置均采用了槽式光电开光。第五类，光纤式光电开关：主要对距离远的被检测物体进行检测。

3 如何选择合适的光电传感器

光电传感器主要参数有：尺寸、传感模式、传感范围、安装方式、输出、工作模式、工作电压、连接方式、光源、封装材料。

我们可以采用以下两种方式来缩小范围：首要考虑的是被检测对象和传感器的工作环境。光学性质与物理距离将决定采用何种传感模式与哪种光源最合适。LED虽比较便宜，但由于它是一种散射度较高的光源，因此适合短距离使用。激光可聚焦在一个点上，因此能获得传播距离更远的光束。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。高温、高危、多尘、强磁场、潮湿等环境因素都需要考虑到其中。

4 维护保养方法

针对当前现场设备中光电传感器的使用现状，总结出如下几种维护保养方法，用于减少各种因素对传感器产生的干扰。常用的方法有以下几种：1)周期性的清洁。根据设备经统计得出的大概的灰尘累积速度制定出针对每台设备的传感器做出一个周期性的维护计划。2)减震。一线设备不可避免的要和乘客直接接触，难免会产生一些机械振动或冲击，从而对测量结果产生干扰，甚至导致得不到正确的结果或无法测量。因此对于这些机械类的干扰应当采用减震的措施来解决，例如在适当的位置采用减震软垫、减震弹簧、隔板消震等措施。3)屏蔽与接地。静电屏蔽罩要使之有效，就得在屏蔽内信号源接地处与零信号基准电位相连接。4)保护传输。传感器的输出线及它与测试系统之间的连线最好是用双绞线。双绞线的波阻抗高，抗共模噪声能力强，能使各个小环节的电磁感应干扰相互抵消。另外，长距离传输一般采用差分信号方式，可提高抗干扰能力。5)滤波法。用电容和电感线圈或电容和电阻组成滤波器连接在测量电路输入端、放大器输入端或测量桥路与放大器之间，以防止干扰信号进入放大器，使干扰信号衰减。6)稳压技术。采用稳压电源对防止电网电压波动干扰仪器正常工作十分有效。7)软件补偿技术。外界因素(如关照度、温度、湿度、空气中灰尘含量等)的变化也会引起某些参数的变化，造成信号的偏差。利用相关软件根据外界因素的变化和误差曲线进行修正，去掉部分干扰。

摘要：信息革命的两大重要支柱是信息的采集和处理, 而信息采集的关键是传感器, 传感器技术已成为现代信息技术的重要组成部分。而恰恰在我们的工作当中很多的地铁站级设备都涉及到传感器的使用, 尤其是光电传感器。因此本论文主要介绍光电传感器的工作原理、分类及各类别的适用场合, 选择光电传感器应考虑的因素, 以及一些有针对性的、相对较简单的、可行性较强的维护保养方法。

关键词：传感器,地铁,检测技术,光电开关

参考文献

[1]广州地铁运营事业总部自动售检票系统培训教材, 2009.

[2]一、二号线自动售检票系统车站级设备检修修程, 2008.

[3]余瑞芬.传感器原理[M].北京:航空工业出版社, 1995.

光电传感器的应用篇8

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

光电传感器检测劣化绝缘子篇9

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。

参考文献

[1]王少敏.瓷绝缘子劣化应对措施探讨.电瓷避雷器, 2006, (5) :6-8.

[2]王学跟.电晕放电使复合绝缘子劣化.中国电力2009, (10) :76-76.

[3]张战龙.劣质绝缘子电场问题优化算法.重庆大学学报2009, (11) .