光电传感器的应用与研究学院名称：邵阳学院专业名称：自动化年级班别： 13 姓名：史利东指导教师：罗卲屏2015年5 月摘要：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。

关键词：PSD,效应，原理，光电传感器目录摘要 (1)一、绪论 (3)1.1光电传感器概述 (3)1.2光电传感器发展 (4)二、光电传感器的基本原理 (7)2.1光电效应 (7)2.2光电原件及特性 (8)2.3光电传感器 (11)三、新型的光电传感器 (15)3.1 CCD传感器 (15)3.2光纤传感器 (16)3.3光电位传置感器 (6)四、其他的光电传感器 (20)4.1 高速光电二极管 (20)4.3 光位置传感器 (22)五、光电传感器的应用 (23)5.1光电传感器的优点 (23)5.2光电传感器的具体应用举例 (23)六、我对光电传感器的看法 (26)七、结论 (28)一、绪论1.1光电传感器概述（1）定义光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

（2）光电传感器的分类光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、发光二极管（LED）、光电倍增管、光电池、光电耦合器件等。

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，光电式传感器可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器；模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法又可分为透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻挡）三大类。

1．槽开光电开关把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。

2．对射式光电开光若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。

由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。

3．反光板反射式光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。

4．扩散反射式光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。

正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。

光纤式光电开关把发光器发出的光用光纤引导到检测点，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。

按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。

（3）光电传感器的作用如今，传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

1.2光电传感器发展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。

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。

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。

光电式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。

光电式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。

光电式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。

二、光电传感器的基本原理2.1光电效应光电传感器的物理基础是光电效应。

光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的点效应。

光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。

（1）外光电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。

（2）内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。

1．光电导效应：在光作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。

基于这种效应的光电器件有光敏电阻。

2．光生伏特效应：在光的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。

2.2光电原件及特性根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。

（1）光电管光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光电管的光电特性，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。

（2）光电倍曾管由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。

光电倍增管具有良好的线性关系特点，使它多用于微光测量。

（3）光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。

光敏电阻的特性和参数如下：1．暗电阻光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。

2．亮电阻光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。

3．伏安特性光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如图5所示。

从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。

4．光电特性光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。

光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。

5．光谱特性入射光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。

入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光谱特性。

使用时可根据被测光的波长范围，选择不同材料的光敏电阻。

6．响应时间光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。

同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性。

光敏电阻上升响应时间和下降响应时间约为10-1～10-3s，即频率响应为10Hz～1000Hz，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个主要缺点。

7．温度特性光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降，这也是光敏电阻的另一缺点。

8．频率特性频率特性是指外加电压和入射光强一定是，光电流I与入射光的调制频率f之间的关系，I??（f），光电二极管的频率特性较光电三极管的频率特性好，这是由于光电三极管的基射结存在电容和载流子基区需要时间的缘故。

利用内光电效率原理制造的光电元件的频率特性最差，这是由于俘获载流子和释放电荷都需要一定时间的缘故。

2.3光电传感器光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图6，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.光电传感器一般由三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种：1、发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。

它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。

因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。

2、丝灯泡这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。

如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。

3、激光激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。

三、新型的光电传感器3.1 CCD传感器光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。

它的核心是电荷转移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。

CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面，尤其适用以上领域中的图像识别技术。

（1） CCD的结构和基本原理（2）CCD图像传感器应用1. 工件尺寸检测CCD图像传感器在许多领域内获得了广泛的应用。

前面介绍的电荷耦合器件(CCD)是构成CCD 固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。

CCD图像传感器具有高分辨率和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛应用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。