光耦传感器:光电传感器

2021/11/08 05:05 · 传感器知识资讯 ·  · 光耦传感器:光电传感器已关闭评论
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光电传感器
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光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时,物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。根据光电效应现象的不同将光电效应分为三类:外光电效应、内光电效应及光生伏特效应。光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。分析了光电器件的性能、特性曲线。
[1]
中文名
光电传感器
外文名
photoelectric sensor/micro sensor
学 科
物理
组 成
光源、光学通路和光电元件
目 的
被测量的变化转换成光信号的变化
原 理
光电效应
目录
1
传感器概述
2
原理
3
分类
?
安全类型
?
特长
?
应用
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特性
?
市场领域
?
新技术和应用
4
发展方向
光电传感器传感器概述
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语音
光电传感器一般由处理通路和处理元件2 部分组成。其基本原理是以光电效应为基础,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非电信号转换成电信号。光电效应是指用光照射某一物体,可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上,此时光子能量就传递给电子,并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收,电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化,从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常把光电效应分为3 类:(1 )在光线作用下能使电子溢出物体表面的现象称为外光电效应,如光电管、光电倍增管等;(2 )在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应,如光敏电阻、光敏晶体管等;(3 )在光线作用下,物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应,如光电池等。
[2]
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。
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(可见及紫外镭射光)转变成为电信号的器件。
光电传感器
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电物理量,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。新的光电器件不断涌现,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。
光电传感器原理
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语音
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。模拟式光电传感器是将被测量转换
光电传感器
成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射到光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关。
光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样,当无光照时,它与普通二极管一样,反向电流很小,称为光敏二极管的暗电流;当有光照时,载流子被激发,产生电子-空穴,称为光电
光电传感器
载流子。在外电场的作用下,光电载流子参与导电,形成比暗电流大得多的反向电流,该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比,于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外,还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大,一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极,基极不引出,管壳同样开窗口,以便光线射入。为增大光照,基区面积做得很大,发射区较小,入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏,发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=(1+β)Icbo(很小),比一般三极管的穿透电流还小;当有光照时,激发大量的电子-空穴对,使得基极产生的电流Ib增大,此刻流过管子的电流称为光电流,发射极电流Ie=(1+β)Ib,可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。
工作原理
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。
光电传感器在一般情况下,有三部分构成,它们分为: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。
[3]
分类和工作方式
⑴槽型光电传感器
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组成槽形光电。发光器能发出红外光或可见光,在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时,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。
⑵对射型光电传感器,若把发光器和收光器分离开,就可使检测距离加大,一个发光器和一个收光器组成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几米乃至几十米。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侧,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。
⑶反光板型光电开关
把发光器和收光器装入同一个装置内,在前方装一块反光板,利用反射原理完成光电控制作用,称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下,发光器发出的光源被反光板反射回来再被收光器收到;一旦被检测物挡住光路,收光器收不到光时,光电开关就动作,输出一个开关控制信号。
⑷扩散反射型光电开关
扩散反射型光电开关的检测头里也装有一个发光器和一个收光器,但扩散反射型光电开关前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。在检测时,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,输出一个开关信号。
没有信号输出的原因
首先要考虑的是接线或配置的问题。对于对射型光电传感器必须由投光部和受光部组合使用,两端都需要供电;而回归反射型必须由传感器探头和回归反射板组合使用;同时,用户必须给传感器提供稳定电源,如果是直流供电,必须确认正负极,如若正负极连接错误则会导致输出信号没有。
上述的原因分析是对光电传感器本身的考虑,我们还需要考虑的是检测物体的位置问题,如果检测物体不在检测区域,这样的检测是徒劳的。检测物体必须在传感器可以检测的区域内,也就是光电可以感知的范围内。其次,要考虑传感器光轴有没有对准问题,对射型的投光部和受光部光轴必须对准,对应的回归反射型的探头部分和反光板光轴必须对准。同样还要考虑的是检测物体是否符合标准检测物体或者最小检测物体的标准,检测物体不能小于最小检测物体的标准,从而避免导致对射型、反射型不能很好检测透明物体,像反射型对检测物体的颜色有要求,颜色越深,检测距离就越近。
如果以上情况都可以很明确地做出排除后,我们需要做的事就是检测环境的干扰因素。如光照强度不能超出额定范围;如果现场环境有粉尘,就需要我们定期清理光电传感器探头表面;或者是多个传感器紧密安装,互相产生干扰;还有一种影响比较大的是电气干扰,如果周围有大功率设备,产生干扰时必须要有相应的抗干扰措施。如果做过上述的逐一排查,这些因素都可以明确地排除还是没有信号输出的话,建议退回厂家检测判断。
[3]
结构分析
光电传感器通常由三部分构成,它们分别为:发送器、接收器和检测电路。
发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源,这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。
接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样,只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口,以便于光线射入,为增加受光面积,PN结的面积做得较大,光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下,并与负载电阻相串联,当无光照时,它与普通二极管一样,反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时,载流子被激发,产生电子-空穴,称为光电载流子。
此外,光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。角反射板是结构牢固的发射装置,它由很小的三角锥体反射材料组成,能够使光束准确地从反射板中返回。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角,使光束几乎是从一根发射线,经过反射后,仍从这根反射线返回。
[3]
类型
⑴槽型光电传感器
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。发光器能发出红外光或可见光,在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时,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。
⑵对射型光电传感器
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对射分离式光电开关,简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧,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。
⑶反光板型光电开关
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。正常情况下,发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到;一旦光路被检测物挡住,收光器收不到光时,光电开关就动作,输出一个开关控制信号。
⑷扩散反射型光电开关
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找不到的。当检测物通过时挡住了光,并把光部分反射回来,收光器就收到信号,输出一个开关信号。
[3]
光电传感器分类
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语音
标准类型
1)漫反射型:一般型或能量型 (-8),聚焦式 (-8-H),带背景抑制功能型 (-8-H)
光电传感器
,带背景分析功能型 (-8-HW)
2)反射板型:一般型 (-6),带偏振滤波功能型 (-54, -55),带透明体检测功能型 (-54-G),带前景抑制功能型 (-54-V)
3)对射型
4)槽型
5)光纤传感器:塑料光纤型,玻璃光纤型
6)色标传感器,颜色传感器,荧光传感器
7)光通讯
8)激光测距:三角反射原理型,相位差原理型,时间差原理型
9)光栅
10)防爆/隔爆型
[3]
光电传感器安全类型
1)安全对射光电
2)安全光栅
3)安全光幕
4)安全控制器
门控类型
1)雷达传感器:区域检测型
雷达传感器
2)主动式传感器:单光束型,多光束型,区域检测型
3)被动式传感器:区域检测型
4)电梯光幕
5)通用光电:槽形,对射型等
[3]
光电传感器特长
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) 无法远距离检测。
②对检测物体的限制少
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]
光电传感器应用
用光电元件作敏感元件的光电传感器,其种类繁多,用途广泛。按光电传感器的输出量性质可分为两类:(1 )把被测量转换成连续变化的光电流而制成的光电测量仪器,可用来测量光的强度以及物体的温度、透光能力、位移及表面状态等物理量。例如:测量光强的照度计,光电高温计,光电比色计和浊度计,预防火灾的光电报警器,构成检查被加工零件的直径、长度、椭圆度及表面粗糙度等自动检测装置和仪器,其敏感元件均用光电元件。半导体光电元件不仅在民用工业领域中得到广泛的应用,在军事上更有它重要的地位。例如用硫化铅光敏电阻可做成红外夜视仪、红外线照相仪及红外线导航系统等;(2 )把被测量转换成继续变化的光电流。利用光电元件在受光照或无光照射时" 有" 或"无"电信号输出的特性制成的各种光电自动装置。光电元件用作开关式光电转换元件。例如电子计算机的光电输入器,开关式温度调节装置及转速测量数字式光电测速仪等。
[2]
一、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。
二、条形码扫描笔
当扫描笔头在条形码上移动时,若遇到黑色线条,发光二极管的光线将被黑线吸收,光敏三极管接收不到反射光,呈高阻抗,处于截止状态。当遇到白色间隔时,发光二极管所发出的光线,被反射到光敏三极管的基极,光敏三极管产生光电流而导通。整个条形码被扫描过之后,光敏三极管将条形码变形一个个电脉冲信号,该信号经放大、整形后便形成脉冲列,再经计算机处理,完成对条形码信息的识别。
  三、产品计数器
产品在传送带上运行时,不断地遮挡光源到光电传感器的光路,使光电脉冲电路产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次,光电传感器电路便产生一个脉冲信号,因此,输出的脉冲数即代表产品的数目,该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来。
四、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。
五、测量转速
在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色,转动时,反射光与不反射光交替出现,光电传感器相应地间断接收光的反射信号,并输出间断的电信号,再经放大器及整形电路放大整形输出方波信号,最后由电子数字显示器输出电机的转速。
六、光电池在光电检测和自动控制方面的应用
光电池作为光电探测使用时,其基本原理与光敏二极管相同,但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压;光电转换效率高,光谱范围宽,频率特性好,噪声低等,它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。
应用案例
光电传感器应用于激光武器
由于光电传感器对红外辐射,或可见光,或对二者都特别灵敏,因而就更加容易成为激光攻击的目标。此外,电子系统及传感器本身还极易受到激光产生的热噪声和电磁噪声的干扰而无法正常工作。战场上的激光武器攻击光电传感器的方式主要有以下几种:用适当能量的激光束将传感器“致盲”,使其无法探测或继续跟踪已经探测到的目标。或者,如果传感器正在导引武器飞向目标,则致盲将使其失去目标。综上所述,由于传感器在战场上发挥的作用越来越重要,同时又很容易遭受激光攻击,它们已成为低能激光武器的首选目标。
光电传感器应用于自动抄表系统
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有效地防止干扰信号进入微机。再结合其它传输方式便可以形成自动抄表系统。
光电传感器应用于监控烟尘污染
光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到的光强的变化,通过把光强度的变化转换成电信号的变化实现控制功能。由于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,而我们可以利用光电传感器的特性来检测烟尘的情况,因而光电传感器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。
卫生级防冲洗型光电传感器
防冲洗型传感器,能够提供极高的可靠性和舒适性,并将运行成本降至最低。配合IO-Link接口以及能够大幅延长使用寿命的proTect+密封理念,这两款新型传感器适用于苛刻的应用环境,堪称食品和饮料行业的理想解决方案。
[4]
光电传感器特性
1)暂态响应范围宽,谐波测量能力强
暂态特性的优劣是判断一种互感器能否在电力系统中获得应用的一个重要参数,特别是与继电保护动作时间的配合。传统电磁式互感器由于存在铁芯,对高频信号的响应特性较差,不能正确反映一次侧的暂态过程。而光电互感器传测量的频率范围主要由电子线路部分决定,没有铁芯饱和的问题,因此能够准确反映一次侧的暂态过程。一般可设计到0.1 Hz到1 MHz,特殊的可设计到200 MHz的带通。光电传感器的结构可以测量高压电力线路上的谐波。而电磁感应互感器是难以达到的。
2)数字接口,通信能力强
由于光电传感器下传的就是光数字信号,与通信网络容易接口,且传输过程中没有测量误差。同时随着微机化的保护控制设备的广泛采用,光电互感器可以直接向二次设备提供数字量,这样就能省去原来保护装置中的变换器和A/D采样部分,使二次设备得到大大的简化,推动保护新原理的研究。
3)体积小,重量轻、易升级,满足变电站小型化与紧凑型的要求,由于光电传感器是靠传感头和电子线路进行信号的获取和处理,体积小,重量一般在 1000 kg以下,便于集成在AIS或GIS中,这样将大大减少变电站的占地面积,满足变电站小型化和紧凑化的要求。同时光电互感器通过少量光缆与二次设备连接,可使电缆沟和电缆大为减。
[4]
光电传感器市场领域
光电传感器的主要应用领域:车载娱乐/导航/DVD系统背光控制,以便在所有的环境光条件下都可以显示出理想的背光亮度;后座娱乐用显示器背光控制;仪表组背光控制(速度计/转速计);自动后视镜亮度控制(通常要求两个传感器,一个是前向的,一个是后向的);自动前大灯和雨水感应控制(专用,根据需求进行变化);后视相机控制(专用,根据需求进行变化)。在提供更舒适的显示质量方面已经成为最有效的解决方案之一,它具有与人眼相似的特性,这对于汽车应用而言至关重要,因为这些应用要求在所有环境光条件下都能达到完全的背光效果。例如,在白天,用户需要最大的亮度来实现最佳的可见度,但是这种亮度在对于夜间条件而言则是过亮的,因此带有良好光谱响应 (良好的IR衰减)的光传感器、适当的动态范围和整体的良好输出信号调节可以很容易地自动完成这些应用。终端用户可以设置几个阈值水平(如低、中、亮光),或能够随意地动态地改变传感器的背光亮度。这也适用于汽车后视镜亮度控制,当镜子变暗和/或变亮时需要智能的亮度管理,可以通过环境光传感器来完成。
对于便携式应用,如果用户不改变系统设置(通常是亮度控制),那么一个显示器总是消耗同样多的能量。在室外等特别亮的区域,用户倾向于提高显示器的亮度,这就会增加系统的功耗。而当条件变化时,如进入建筑物,大多数用户都不会去改变设置,因此系统功耗仍然保持很高。但是,通过使用一个光传感器,系统能够自动检测条件变化并调节设置,以保证显示器处于最佳的亮度,进而降低总功耗。在一般的消费类应用中,这也能够延长电池寿命。对于移动电话、笔计本电脑、PAD和数码相机,通过采用环境光传感器反馈,可以自动进行亮度控制,从而延长了电池寿命。
并不是一个新的构想。在数十年前就已经利用光电二极管和光敏电阻来实现这一构想。所谓新构想,是指对环境光感应的同时还能消减无用的红外线和紫外线光,而且在支持汽车规格AECQ-1000严格要求的同时还可以实现小封装,尤其是能够保证在-40度至+105度(2级)温度范围内的操作,以满足其余的规格要求。如何保持工作质量标准并满足AECQ-1000的2级工作要求,这是当今在所有光设计解决方案中所面临的挑战。采用一个光传感器或LED发射器或接收器时,任何的光学解决方案都会面临着暴露在恒定高温下(>+85度)而出现的封装变色问题(会变暗或变成淡黄)。同样值得一提的是,到目前为止,所有环境光传感器的应用都限于车舱内,在发动机舱或户外环境中还没有出现光传感器应用。事实上,即使出现了这样的应用,光封装也不是针对这样的苛刻条件(+125或+150度的条件)而设计,因此,在当前的光学封装技术下,它们很可能还不能够承受这样的条件。
半导体相似传感器和封装开发的最新进展使得终端用户在光传感器上具有了更广泛的选择。小封装、低功耗、高集成和简单易用性是设计者更多地采用光传感器的原因,其应用范围涉及消费类电子、工业应用以及汽车领域。
[4]
光电传感器新技术和应用
1、用于目标跟踪和坐标定位256光电管阵列四象限CMOS光电传感器
将传统的象限传感器与当前迅速发展的CMOS图象传感器相结合,提出了使用有源传感阵列感光的256单元光电管阵列四象限CMOS光电传感器。
该传感器的感光单元采用了CMOS图象传感器中使用的有源像素传感器(Active Pixel Sensor,APS)设计,在感光单元内部由光电信号预处理电路直接将传感产生的光电信号转化为幅度较大的电信号输出,避免了对微弱信号的处理,降低了噪声的影响。传感器应用阵列采集光信号,可以直接确定目标光源的坐标位置并实现一步到位的快速调整。传感器使用标准CMOS工艺制造,将传感阵列与信号处理电路集成在同一芯片上,可以实现传感器的SOC集成和智能化(Smart Sensor)设计。广泛应用于激光的瞄准、制导、跟踪,搜索装置,精密测量,如激光微定位、位移监控、精密机床的光电控制等领域。是一种用于目标跟踪和坐标定位的新型集成阵列四象限CMOS光电传感器。
2、光敏象限阵列与磁敏线阵列兼容CMOS数模混合传感器集成电路
基于硅光电传感的象限传感器广泛应用于激光的跟踪制导、位移监控、精密机床等控制等领域。基于硅的半导体磁敏传感器广泛应用于测量磁场强度的各种磁场计、读出磁介质上信息的各类磁头以及非磁信号的探测器等。
3、应用光电二极管阵列的SPR生物传感器微弱信号检测
以提升表面等离子共振生物医学传感器的检测能力为目标,用高性能光电二极管阵列为光电转换器件,论证并实现一种可高效抑制噪声的检测方法,利用光电二极管阵列器件可输出参考噪声信号的特性,通过相干消噪结合小波软阈值消噪,使SPR传感器输出信噪比从40dB左右提高到52dB以上。用SPR传感器检测人体免疫球蛋白(IgG)分子特异性结合的实验表明,该方法显著提高了SPR传感器的分辨率,使之可精确检测样液中IgG含量10~(-3)mg/mL量级的微弱变化,精度和分辨率提升一个数量级以上。
4、光电检测传感器阵列在运动物体检测中的应用
一个基于覆盖理论和卡尔曼滤波算法的光电检测传感器阵列,该阵列具有采集和处理阵列覆盖区域中所感知对象信息的功能,即检测和描述感知对象的存在、运动及其运动轨迹等情况。
国内外光电传感器的研究现状
由于光电传感器的应用涉及的领域非常广泛,其研究和开发在世界上引起了高度重视,各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。从最初的应用于军事逐渐发展到民事,而且与我们的生活息息相关,应该说现代化的生活离不开光电传感器的参与,如传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等等不胜枚举。
美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一,在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。在军事应用方面,研究和开发主要包括:水下探测、航空监测、核辐射检测等。美国也是最早将光电传感器用于民用领域的国家。如运用光电传感器监测电力系统的电流、温度等重要参数,检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国拥有世界最健全的光电传感器产品线,超过种产品包括自含式或放大器分离型,限位开关外型或小型传感器,精密检测或长距离检测传感器,检测距离长达305m。并且拥有行业内最齐全的标准光纤和定制光纤产品。大部分产品防护等级达到NEMA6P和IP67。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电传感器的研究与开发。20世纪90年代,研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器,日本的电器以价格适中质量好而响誉全球。西欧各国的大型企业和也积极参与了光电传感器的研发和市场竞争。我国对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远。已有上百个单位在这一领域开展工作,主要是在光电温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量的研究,取得了上百项科研成果,有的达到世界先进水平。
但与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要表现在商品化和产业化方面,大多数品种仍处于实验研制阶段,还无法投入批量生产和工程化应用。
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光电传感器发展方向
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生产的发展方向
(1)使光电传感器从理论研究向生产一条龙的产业化模式快速发展,走自主创新和国际合作相结合的跨越式发展道路,使我国成为世界传感器的生产大国;
(2)光电传感器产品结构全面、协调、持续发展。产品品种要向高技术、高附加值倾斜,尤其要填补“空白”品种;
(3)生产格局向专业化发展。即生产传感器门类少而精,且专门生产某一应用领域需要的某一类传感器系列产品,以获得较高的市场占有率,各传感器企业的专业化合作生产;
(4)光电传感器大生产技术向自动化发展。光电传感器的门类、品种繁多,所用的敏感材料各异,决定了传感器制造技术的多样性和复杂性。纵观当前光电传感器工艺线的概况,多数工艺已实现单机自动化,但距离生产过程全自动化尚存在诸多困难,有待今后广泛采用CAD、CAM及先进的自动化装备和工业机器人予以突破;
(5)企业的重点技术改造应加强从依赖引进技术向引进技术的消化吸收与自主创新的方向转移;
(6)企业经营要加快从国内市场为主向国内与国外两个市场相结合的国际化方向跨越发展;
(7)企业结构将向“大、中、小并举”、“集团化、专业化生产共存”的格局发展。
[2]
研究的发展方向
光电传感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,同时光电传感器的重要性不断提高。目前,光电传感器研究的主要方向是:(1)多用途。即一种光电传感器不仅能针对一种物理量,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(高温、高压等)低成本传感器(连接、安装等)的开发和应用;(4)光电传感器与其它微技术结合的微光学技术的发展。
[2]
前景预测
传感器市场报告显示,2008年全球传感器市场容量为506亿美元,预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示,东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场,占第二位的是过程控制市场,看好通讯市场前景。
一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中,无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。
全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
[4]
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。目前国内外学者普遍认为,智能光电传感器是由传统的光电传感器和微处理器( 或微计算机) 相结合而构成的,它充分利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。
智能光电传感器的功能有: 自补偿能力,自校准功能,自诊断功能,数值处理功能,双向通信功能,信息存储和记忆功能,数字量输出功能。随着科学技术的发展,智能传感器的功能将逐步增强,它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等),使传感器具有更高级的智能具有分析、判断、自适应、自学习的功能、可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。
[4]
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参考资料
1.

祝诗平.传感器与检测技术:北京大学出版社,中国林业出版社,2006年:236
2.

颜晓河,董玲娇,苏绍兴 .光电传感器的发展及其应用 :电子工业专用设备 ,2006
3.

任海萍. 光电传感器的应用与发展[J]. 科技风,2011,(01):278.
4.

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):1-2.
光耦传感器:光电传感器  第1张

光耦传感器:光电传感器_1

通用光电传感器
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激光传感器
LR-X 系列
LR-X 系列为反射型数字激光传感器,实现了超小型设计。可安装在非常狭小的空间。能够削减确保安装空间的设计和调整工时,加装也十分简单。通过到工件的距离而非受光量检测工件的存在。300万倍的高清晰动态范围降低了工件颜色和形状的影响,实现了稳定检测。并且,标准检测高度差低至0.5 mm,因此也可以检测薄型工件。还采用了能够准确读取字符的超高清显示屏。从设定到维护,绝大多数人都可以通过说明书显示轻松操作,无需阅读使用说明书。显示语言除了日文外,还可支持切换为中文、英文、德文等全球化语言。
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产品特性
可安装在多种场所“超小型”
虽然是激光传感器,但却可实现 9.4 × 27 × 17 mm 超小型。可以安装在非常狭小的空间。可以削减用于确保安装空间所需的设计及调整工时。后续追加安装亦很简单。
各种目标物均可进行“稳定检测”
标准检测段差 最小 0.5 mm
LR-X 系列检测到目标物的距离,而非受光量。
标准检测高度差低至0.5 mm,也可以检测薄物。并且,凭借高达300万倍的高清晰动态范围,不易受到目标物颜色和形状的影响,实现了稳定检测。
金属
弧面
黑色
颜色不均
倾斜(不稳定)
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放大器内置型TOF 激光传感器
LR-T 系列
反射型激光传感器,检测距离最长可达5米,不受安装限制。距离型检测原理,不受物体表面的影响,可检测各种工件。
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产品特性
优异的检测能力
LR-T 系列具有各种创新特性,可检测之前认为无法检测的目标。这些特性允许用户针对具体应用定制传感器,从而确保优异的检测性能。
易用性
LR-T 系列配有直观的用户友好型界面以及高可见度指示灯,可简化安装和故障排除。
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放大器内置型CMOS激光传感器
LR-Z 系列
反射型传感器,具有对射型的稳定性。不受工件表面颜色、材质、倾斜等影响。316L不锈钢机身外壳,防护等级IP68/69K,可以在各种场合使用。
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产品特性
优秀的检测能力
此创新特性扩展了 LR-ZB250AN/ZB250AP 传感器的检测能力。I-DATUM 融合了基于检测的距离稳定性以及接收光强度的灵敏度。通过使用稳定的背景作为基准面,I-DATUM 可通过识别返回传感器的接收光量的微小变化可靠地检测透明和半透明目标。
坚固 & 长寿命
LR-Z 的 SUS316L 不锈钢机身即使过紧或遭受工具或其他设备的冲击也不会损坏,因此无需额外的防护罩。此外,重型机身采用 NEMA 和 IP 等级外壳,对油、酸和碱性清洁剂高度耐受,可在恶劣环境下使用。
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超小型放大器内置型 光电传感器
PR-M/F 系列
部分超小型光电传感器无法满足“ 再小一点” 的规格。为了解决这一问题,基恩士采用“SUS316L 坚固机身” 和“ 独特的稳定检测算法”,实现了这样小的尺寸。让超小型光电传感器使用更简便。提出光电传感器新提案。
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产品特性
超小型放大器内置型光电传感器
部分超小型光电传感器无法满足“ 再小一点” 的规格。为了解决这一问题,基恩士采用“SUS316L 坚固机身” 和“ 独特的稳定检测算法”,实现了这样小的尺寸。让超小型光电传感器使用更简便。提供光电传感器新提案。
支持各种工件及场景
[设定提案] 检测金属加工零件的有无
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强力光型光电传感器
PZ-G 系列
通用型光电传感器,增加发光功率,检测更加稳定。市面通用的安装孔距(25.4mm),使用以及改善更加方便。
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产品特性
超大功率内置型螺纹传感器
性能显著改善且使用简便
感测头产品阵容
透过型和反射型和回归反射型可供选择
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独立型光电传感器
PZ-V/M 系列
采用距离原理检测的激光传感器,不易受工件颜色和倾斜的影响,进行稳定检测。
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超小型放大器分离型光电传感器
PS-N 系列
高耐环境性和电缆延伸功能提供了安装多样性
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产品特性
一键完成“灵敏度设定”和“显示统一”
简单设定
只要按一次按钮,即可同时进行“灵敏度设定”和“显示统一”。
只需一键,即可轻松准确地设定灵敏度。
另外,即使未经过专业培训,也能掌握相同状态,能够轻松准确地实现预防性维护。
发生异常的传感器一目了然
电缆采用电线,可重新连接
传感器头电缆采用简单的电线,需要延长时可以连接。
通过焊接或金属连接器可延长上限为10 m。
连接光纤传感器时……
光量在连接面会衰减9成左右。
PS-NEO在重新连接后不发生光量衰减。

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耐用的光电传感器
PX 系列
全新的 PX 系列超强工业光电传感器。坚固的工业传感器,专为在苛刻的环境下使用而设计。
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产品特性
耐水、耐油结构 IP68G/IP69K
由于全新的“真空填充”结构,因而对严酷环境具有杰出的耐受能力
不再使用传统产品*中会渗油的密封垫,简化了感测头部分的结构。油和水会从密封垫的部位渗入,PX采用无密封垫的结构,是一款能够确保高防油、高防水性的产品。
* 与本公司PZ 系列产品的比较
出色的穿透力
大功率MEGA模式
检测距离 40 m(光透过型)
它具有大功率的光束,能抵抗碎屑与灰尘的干扰,可以在多粉尘环境中使用。
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检查NC处理器所用工件的底座。
检查清洗流程中的产品通过。
独立型光电传感器
PZ2 系列
PZ2系列设计精巧、内装小型放大器、防水,并能检测透明物体。
聚焦光束光电传感器
PZ-101 系列
独立式、长距离、小光点的光电传感器(采用可见光)
单键校准光电传感器
PS-T 系列
独立放大器光电传感器的传感头种类很多,从超薄紧凑型到抗化学物质型都有。
超小型放大器分离型光电传感器
PS 系列
具备多种传感头的分离式放大器型光电传感器
线内置放大器型光电传感器
PQ 系列
紧凑型、更加节省空间的电缆内放大器光电传感器
光学式通过确认传感器
PG 系列
快速响应传感器可检测直径为 0.5mm 的目标
可扩展区域传感器
PJ 系列
低成本型的可扩展区域传感器
停产系列
内置放大器光电传感器
PM 系列
停产
内置放大器光电传感器
PZ 系列
停产
颜色传感器
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白色光点光电传感器
LR-W 系列
全新白光传感器,可分辨颜色、物体的差异,不易受工件角度、距离的影响。最多可同时检测15种颜色。传统RGB颜色传感器的智能升级版!
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产品特性
创新技术
LR-W系列采用的独特技术使其具备分析全光谱的能力。该系列可检测各种差异,从肉眼难以发现的表面光洁度差异到颜色变化,均可检测。
灵活性
LR-W检测范围可达500 mm,具备可变光点和较高的外壳防护级。这使LR-W能够解决更多应用问题。
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RGB数字光纤传感器
CZ-V20 系列
两种新型传感头再次 拓宽超小RGB传感器的应用范围
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产品特性
仅准确检测想通过“外观”差异检测的对象
RGB数字光纤传感器CZ-V20系列采用与单色光源光电传感器不同的原理。因此,对于高精度的“颜色识别”和单色光源光电传感器无法稳定检测的“有无检测”,也非常稳定。
单色光源光电传感器时
对非红色部分有反应
CZ-V20系列时
仅对红色部分有反应
从“外观”上难以识别的色差也可识别
能进行高精度的颜色识别,可注册的工件上限为8种。
有反应
无反应
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RGB数字光纤传感器
CZ 系列
RGB数字光纤传感器通过2个彩色荧屏和3种感测方式检测部分传感器所不能检测的物体。
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光耦传感器:光电传感器  第2张

光耦传感器:光电式传感器

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光电式传感器
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光电式传感器photoelectric transducer,基于光电效应的传感器,在受到可见光照射后即产生光电效应,将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外,还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量,如尺寸、位移、速度、温度等,因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。光电测量时不与被测对象直接接触,光束的质量又近似为零,在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合,光电式传感器比其他传感器有明显的优越性。其缺点是在某些应用方面,光学器件和电子器件价格较贵,并且对测量的环境条件要求较高。
中文名
光电式传感器
外文名
photoelectric transducer
拼 音
guāng diàn shì chuán gǎn qì
基 于
光电效应
适用条件
受到可见光照射
功 能
测量光强等物理量
目录
1
简介
2
概述
3
类型
4
应用
5
光电效应
?
外光电效应
?
内光电效应
6
光敏电阻
7
光敏管
8
光电池
9
耦合器件
10
CCD
11
分类
12
发展状况
13
构成特点
光电式传感器简介
编辑
语音
photoelectric transducer
光电式传感器概述
编辑
语音
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器,光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。由于光电测量方法灵活多样,可测参数众多,具有非接触,高精度,高可靠性和反应快等特点,使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。
光电式传感器类型
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语音
光电式传感器有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电二极管和光电三极管、光电池、半导体色敏传感器、光电闸流晶体管、热释电传感器、光电耦合器件等光电元件。另外,光电式传感器还可分为模拟式光电式传感器和脉冲式光电式传感器两类。
光电式传感器应用
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语音
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,体积小。近年来,随着光电技术的发展,光电式传感器已成为系列产品其品种及产量日益增加。用户可根据需要选用各种规格的产品它在机电控制、计算机、国防科技等方面。
光电式传感器光电效应
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语音
它是光照射到某些物质上,使该物质的导电特性发生变化的一种物理现象,可分为外光电效应和内光电效应和光生伏特效应三类。外光电效应是指,在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。光子是以量子化“粒子”的形式对可见光波段内电磁波的描述。光子具有能量hv,h为普朗克常数,v为光频。光子通量则相应于光强。外光电效应由爱因斯坦光电效应方程描述:Ek=hν -W其中,h表示普朗克常量,ν表示入射光的频率)。当光子能量等于或大于逸出功时才能产生外光电效应。因此每一种物体都有一个对应于光电效应的光频阈值,称为红限频率。对于红限频率以上的入射光,外生光电流与光强成正比。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两类。光电导效应是指,半导体材料在光照下禁带中的电子受到能量不低于禁带宽度的光子的激发而跃迁到导带,从而增加电导率的现象。能量对应于禁带宽度的光子的波长称光电导效应的临界波长。光生伏打效应是指光线作用能使半导体材料产生一定方向电动势的现象。光生伏打效应又可分为势垒效应(结光电效应)和侧向光电效应。势垒效应的机理是在金属和半导体的接触区(或在PN结)中,电子受光子的激发脱离势垒(或禁带)的束缚而产生电子空穴对,在阻挡层内电场的作用下电子移向 N区外侧,空穴移向 P区外侧,形成光生电动势。侧向光电效应是当光电器件敏感面受光照不均匀时,受光激发而产生的电子空穴对的浓度也不均匀,电子向未被照射部分扩散,引起光照部分带正电、未被光照部分带负电的一种现象。
光电式传感器外光电效应
光子,光子能量;光电子外光电效应是指在光线作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
光电式传感器内光电效应
在光线作用下,物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应光电导效应:光敏电阻、光敏二极管(晶体管)光生伏特效应:光电池
光电式传感器光敏电阻
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语音
无光照时,光敏电阻阻值很大,电路中电流很小;当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值急剧减小,电路中电流迅速增大。
图1
光电式传感器光敏管
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语音
1.光敏二极管光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态
图2
暗电流、光电流(光照越强,光电流?)2.光敏三极管基极无引出线,集电极相对于发射极为正电压当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管的基极电流。因此集电极电流是光生电流的β倍, 所以光敏晶体管有放大作用。
图3
图4
光电式传感器光电池
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语音
一个大面积的PN节,光照下产生的电子-空穴对向两级扩散,形成与光照强度有关的电动势。
图5
光电式传感器耦合器件
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语音
图6
1.光电耦合器2.光电开关
光电式传感器CCD
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语音
结构:MOS电容器→光敏元或像素;MOS阵列→CCD器件
图7
原理:如图7所示
[1]

光电式传感器分类
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语音
基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。基于光电导效应的有光敏电阻。基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管(见半导体光敏元件)。基于侧向光电效应的有反转光敏二极管。光电式传感器还可按信号形式分为模拟式光电传感器(见位移传感器)和数字式光电传感器(见转速传感器、光栅式传感器、数字式传感器)。光电式传感器还有光纤传感器、固体图像传感器等。
光电式传感器发展状况
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语音
1839年A.E.贝可勒尔发现当光线落在浸没于电介液中的两个金属电极上,它们之间就产生电势,后来称这种现象为光生伏特效应。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。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。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法。
光电式传感器构成特点
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语音
图8
[2]
光电传感器的构成光电传感器由光源、光学通路、光电元件构成。光电式传感器应用1、光量变化的非电量;2、能转换成光量变化的其他非电量。光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式,即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。光电式传感器特点非接触、响应快、性能可靠。
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参考资料
1.

陈杰.传感器与检测技术:高等教育出版社,2002.8:75
2.

光电式传感器的工作原理
.汽车电子网[引用日期2013-05-04]

光耦传感器:抗干扰神器光耦的原理及应用

「来源: |strongerHuang ID:strongerHuang」
来源 | 嵌入式客栈
光隔离器,也称光耦。在电路设计中大量应用设计,今天来梳理一下光耦方面的知识。光耦虽简单,但也有些地方需要注意。
何为光隔离器
光隔离器opto-isolator,是用于光在两个隔离电路之间传输电信号的电子元件。也称为光电耦合器,光耦合器。
常见类型的光隔离器由同一不透明封装中的发光二极管LED、光电晶体管组成。通常光隔离器传输数字(开-关)信号,但也有的光耦可以传输模拟信号。
光将源-接收端耦合起来,这就是耦合的含义;
耦合之外还有一层含义是去耦合,有的噪声信号无法通过光信号传递到接收侧,这就是去耦合。
所以一般理解耦合的理解,往往带有一体两面,一方面将设计所关心的有用信号传输到接收侧;另一方面将不需要的杂讯信号,阻挡在源端。
有的光耦可以传输模拟信号
它是怎样工作的
光耦包含一个光源,一般是一个近红外发光二极管 (LED),一个封闭的光通道和一个光电传感器组成。
近红外发光二极管将输入端电信号转换为光信号,经过封闭的光通道,光电传感器检测到LED发出的光信号,并转换为电能或调制从外部电源流出的电流。
光电传感器可以是光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、可控硅整流器 (SCR) 或双向可控硅。由于 LED 除了发射光之外还可以感应光,因此可以构建对称的双向光隔离器。光耦合固态继电器包含一个光电二极管光隔离器,用于驱动电源开关,通常是一对互补的MOSFET。
看下面的动画就比较形象啦:
正常数字信号经由光耦能顺利耦合传输到另一侧,而输入侧各种干扰杂讯信号则无法通过光耦传递到输出侧。
常见的隔离技术有:光电隔离、继电器隔离、变压器隔离等。光介质、磁介质隔离是主要的两种技术手段。
为什么干扰信号大概率无法通过光耦呢?
干扰源的内阻一般都很大,虽然也能输出比较高的干扰电压,但是可输出的能量一般很小,只能在回路中形成很小的干扰电流,这些干扰电流由于很小,则无法激励发光二极管发光,发光二极管需要一定大的电流才能发射出光能,由于没有足够的能量,则无法闯关成功,被阻挡在输入侧了。光耦本身的输入阻抗很低,而干扰源的内阻一般很大,从这个角度讲,干扰源输出信号按照分压原理,施加到LED的干扰电压也很小。光耦输入/输出侧等效电容很小,PF量级,绝缘电阻又非常大,一般可达到光在封闭的光路中进行传输,光路不会受到外接光的干扰。为什么需要隔离
电子产品的信号线或者电源线可能会受到闪电、静电放电、射频传输、开关脉冲和电源扰动引起的电压浪涌的影响。
雷击可引起高达10kV的浪涌电压,比许多电子元件的电压限制高出一千倍。产品电路本身也可能包含高压电路,在这种情况下,就需要安全、可靠的方式将高压电路与数字低压器件连接起来,那么隔离技术就是一个很好的技术手段。
光隔离器的主要功能是阻止这种高电压以及电压瞬变,使系统某一部分的浪涌不会干扰或破坏其他部分。
常见的光耦结构
常见的光耦合器有四种形式,不同之处在于所使用的光敏器件。光电三极管和光电达林顿管通常用于直流电路,光电可控硅和光电双向可控硅用于控制交流电路。在光电三极管光耦合器中,晶体管可以是 PNP 或 NPN。达林顿晶体管是一对双晶体管,其中一个晶体管控制另一个晶体管的基极。达林顿晶体管提供高增益能力。
举个栗子
曾经使用光耦隔离驱动一个DA芯片,该DA量输出需要控制其他设备,该模拟输出需要与数字控制部分做隔离,下面是其中的部分电路:
先大致看看FODM453这款光耦:
其中两个指标稍作说明:这款光耦速度比较快,可以做到1MBit/s。选择光耦的时候,需要考虑光耦的速度是否够用。
这里有个术语CMR,是指Common Mode Rejection的缩写,什么意思呢?
在输入与输出脚之间施加一个瞬变的脉冲电压,在如上测试该指标测试电路中会测得一个输出电压的变化,因此该指标就是定义输出Vo在该测试条件下,上升沿、下降沿的变化速率。
使用光耦个人觉得需要注意的一些要点:
限流电阻选取输入输出侧需要为隔离电源限流电阻
要计算输入限流电阻,需要查询所选取的光耦的前向工作电压的典型值,比如FODM453,输入正向工作电压典型值为1.6V
比如按照规格书中的典型测试值16mA选择电阻,则
因此实际电路中,比如我选择了200Ω,电流为17mA,小于允许的50mA。
事实上电阻再选大一点,比如使正向电流为10mA,电阻大约300Ω,也是可以的。
限流电阻如果选择过大,则正向电流又可能过小,有可能导致无法正确传递信号;如果电阻选择过小,则正向电流有可能过大,则容易损坏光耦。
电源
输入侧与输出侧需要单独供电,两路电源需要没有直接回路,才能真正的实现光隔离,比如如接成下面这样:
两侧虽然电源电压不一样,但是如果是共地的,如果想用光耦做隔离,则光耦就白用了,隔离作用全无。当然这样可以做逻辑电平转换,但是用光耦只做逻辑电平转换,则有点不合算,完全可以用专门的逻辑电平转换芯片。
这样的栗子,也捎带着说明,光耦在隔离的同时,两侧的电压等级设计不一样,还可以实现逻辑电平转换。比如现在很多芯片的IO脚电平是1.8/3.3V,而外部电路可能是5V或者其他电平,如果还需要实现隔离,则可以选择光耦。
总结一下
之前做过些简单硬件相关的工作,硬件很多知识很复杂。光耦在抗干扰方面应用很多,尤其在一些工业设备中,常见的输入、输出接口大概率都会设计成带隔离的接口,你或许会看到Galvanic isolation这样一个需求术语,那么光耦隔离技术就是其中的一种实现手段。
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