光电传感器的应用实例

1.光电传感器的模拟量检测

（1）红外辐射温度计 （光源本身是被测物的应用实例）

任何物体在开氏温度零度以上都能产生热辐射。温度较低时，辐射的是不可见的红外光，随着温度的升高，波长短的光开始丰富起来。温度升高到500℃时，开始辐射一部分暗红色的光。从500℃～1500℃，辐射光颜色逐渐为红色→橙色→黄色→蓝色→白色。也就是说，在1500℃时的热辐射中已包含了从几十微米至0.4μm甚至更短波长的连续光谱。如果温度再升高，比如到达5500℃时，辐射光谱的上限已超过蓝色、紫色，进入紫外线区域。因此测量光的颜色以及辐射强度，可粗略判定物体的温度。特别是在高温（2000℃以上）区域，已无法用常规的温度传感器来测量，例如钨铼5－钨铼26热电偶的测温上限也只有2100℃，所以高温测量多依靠辐射原理的温度计。

辐射温度计可分为高温辐射温度计、高温比色温度计、红外辐射温度计等。其中红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下温度的测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从－30℃～3000℃，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。

图10－10所示为红外辐射温度计的外形和原理框图。

图10－10（a）所示为电动机表面温度测量示意图。测试时，按下手枪形测量仪的按钮开关，枪口即射出两束低功率的红色激光，自动会聚到被测物上 （瞄准用）。被测物发出的红外辐射能量就能准确地聚焦在红外辐射温度计内部的光电池上。红外辐射温度计内部的CPU根据距离、被测物表面黑度辐射系数、水蒸气及粉尘吸收修正系数、环境温度以及被测物辐射出来的红外光强度等诸多参数，计算出被测物体的表面温度。其反应速度只需0.5s，有峰值、平均值显示及保持功能，可与计算机串行通信。它广泛用于铁路机车轴温检测，冶金、化工、高压输变电设备和热加工流水线表温度测量，还可快速测量人体温度。

当被测物不是绝对黑体时，在相同温度下，辐射能量将减小。比如十分光亮的物体只能发射或接收很少一部分光的辐射能量，因此必须根据预先标定过的温度，输入光谱黑度修正系数ελ（或称发射本领系数）。上述测量方法中，必须保证被测物体的热像充满光电池的整个视场。

高温测量还经常使用一种称为光电比色温度计的仪表。其优点是：理论上与被测物表面的辐射系数 （黑体系数）无关；不受视野中灰尘和其他吸光气体的影响；与距离、环境温度无关，不受镜头脏污 （这在现场使用中是不可避免的）程度的影响。光电比色温度计多做成望远镜式，使用前先进行参数设置，然后对准目标调节焦距，从目镜中看到清晰的像后按下锁定开关，被测参数即被记录到内部的微处理器中，经一系列运算后显示出被测温度值。

图10－10 红外辐射温度计

（a）表面温度测量；（b）内部原理框图1—枪形测量仪；2—红色激光瞄准系统；3—滤光片；4—聚焦透镜

（2）光电式烟尘浓度计 （被测物吸收光通量的应用实例）

烟尘的排放是环境污染的重要来源，为了控制和减少烟尘的排放量，对烟尘的监测是必要的。图10－11所示为光电式烟尘浓度计的原理。

图10－11 光电式烟尘浓度计的原理

1—光源；2—聚光透镜；3—半透半反镜；4—反射镜；5—被测烟尘；6，7—光敏三极管；8—运算电路；9—显示器

光源发出的光线经半透半反镜分成两束强度相等的光线，一路光线直接到达光敏三极管7上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号。另一路光线穿过被测烟尘到达光敏三极管6上，其中一部分光线被烟尘吸收或折射，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光敏三极管6的光通量就越小。两路光线均转换成电压信号U1、U2，由运算电路8计算出的值，并进一步算出被测烟尘的浓度。

采用半透半反镜3及光敏三极管7作为参比通道的好处是：当光源的光通量由于种种原因有所变化或因环境温度变化引起光敏三极管灵敏度发生改变时，由于两个通道结构完全一样，所以在最后运算值时，上述误差可自动抵消，减小了测量误差。根据这种测量方法也可以制作烟雾报警器，从而及时发现火灾现场。

（3）光电式边缘位置检测器 （被测物遮挡光通量的应用实例）

光电式边缘位置检测器是用来检测带型材料在生产过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。例如，在冷轧带钢厂中，某些工艺采用连续生产方式，如连续酸洗、退火、镀锡等，带钢在上述运动过程中易产生走偏。带材走偏时，边缘便常与传送机械发生碰撞而出现卷边，造成废品。图10－12（a）所示为光电式边缘位置检测传感器的原理图。

光源1发出的光线经透镜2汇聚为平行光束，投射到透镜3，再被汇聚到光敏电阻4 （R1）上。在平行光束到达透镜3的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，从而使到达光敏电阻的光通量减小。图10－12（b）所示为测量电路，R1、R2是同型号的光敏电阻，R1作为测量元件装在带材下方， R2用遮光罩罩住，起温度补偿作用，当带材处于正确位置 （中间位置）时，由R1、R2、R3、RP组成的电桥平衡，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，到达光敏电阻的光通量增大，光敏电阻的阻值R1随之减小，电桥失去平衡，差分放大器将平衡电压加以放大，输出电压Uo为正值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时， Uo为负值。输出信号Uo一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。需要说明的是，输出电压仅作为控制信号，而不要求精确测量带材偏离的大小，所以光电元件可用光敏电阻。若要求精确测量，就不能使用光敏电阻 （光敏电阻线性较差）。

图10－12 光电式边缘位置检测传感器的原理图

（a）原理示意图；（b）测量电路1—光源；2，3—透镜；4—光敏电阻；5—被测带材；6—遮光罩

2.光电传感器的数字量检测

（1）光电式转速表 （被测物反射光通量的应用实例）

由于机械式转速表和接触式电子转速表精度不高，且影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速表有反射式和透射式两种，它可以在距被测物数十毫米处非接触地测量其转速。由于光电元件的动态特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不影响被测物的转动。图10－13所示为利用光电开关制成的光电式转速表的原理。

图10－13 光电式转速表的原理

1—光源；2，5—透镜；3—被测旋转物；4—反光纸；6—光敏二极管；7—遮光罩；8—放大、整形电路；9—频率计电路；10—显示器；11—时基电路

光源1发出的光线经透镜2汇聚成平行光束照射到旋转物上，光线经事先粘贴在旋转物体上的反光纸4反射回来，经透镜5聚焦后落在光敏二极管6上，它产生与转速对应的电脉冲信号，经放大、整形电路8得到TTL所需电平的脉冲信号，经频率计电路9处理后由显示器10显示出每分钟或每秒钟的转数 （即转速）。反光纸在圆周上可等分地贴多个，从而减少误差和提高精度。这里由于测量的是数字量，所以可不用参比信号。事实上，图10－13中的光源、透镜、光敏二极管和遮光罩就组成了一个光电开关。

应该指出的是，用被测物反射形式的光电传感器并不仅仅用于数字量的检测，也可用于模拟量的检测，如纸张白度的测量。而用于模拟量检测的光路系统与数字量的不同，除检测信号外，还必须有参比信号。

（2）光电开关和光电断续器

光电开关和光电断续器是光电传感器的数字量检测的常用器件，它们是用来检测物体的靠近、通过等状态的光电传感器。近年来，随着生产自动化、机电一体化的发展，光电开关及光电断续器已发展成系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据生产需要，选用适当规格的产品，而不必自行设计光路及电路。

从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达数十米。

①光电开关。光电开关可分为遮断型和反射型两类，如图10－14所示。

在图10－14（a）中，发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个电脉冲信号。反射型分为反射镜反射型及被测物体反射型 （简称散射型），分别如图10－14（b）、（c）所示。反射镜反射型传感器单侧安装，需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果，它的检测距离不如遮断型。散射型安装最为方便，并且可以根据被检测物上的黑白标记来检测，但散射型的检测距离较小，只有几百毫米。

图10－14 光电开关类型及应用

（a）遮断型；（b）反射镜反射型；（c）散射型1—发射器；2—接收器；3—被测物；4—反射镜

光电开关中的红外光发射器一般采用功率较大的红外发光二极管 （红外LED），而接收器可采用光敏三极管、光敏达林顿三极管或光电池。为了防止日光的干扰，可在光敏元件表面加红外滤光透镜。其次，LED可用高频 （40k Hz左右）脉冲电流驱动，从而发射调制光脉冲，相应地，接收光电元件的输出信号经选频交流放大器及解调器处理，可以有效地防止太阳光的干扰。

光电开关可用于生产流水线上统计产量、检测装配件到位与否以及装配质量 （如瓶盖是否压上、标签是否漏贴等），并且可以根据被测物的特定标记给出自动控制信号。目前，它已广泛地应用于自动包装机、自动灌装机和装配流水线等自动化机械装置中。

②光电断续器。光电断续器的工作原理与光电开关相同，但其光电发射器、接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，所以两者能可靠地对准，其外形如图10－15所示。它也可分成遮断型和反射型两种。遮断型 （也称槽型）的槽宽、槽深及光敏元件各不相同，并已形成系列化产品，可供用户选择。反射型的检测距离较小，多用于安装空间较小的场合。由于检测范围小，光电断续器的发光二极管可以直接用直流电驱动，红外LED的正向压降为1.2～1.5V，驱动电流控制在几十毫安。

图10－15 光电断续器

（a）遮断型；（b）反射型1—发光二极管；2—红外光；3—光电元件；4—槽；5—被测物

光电断续器是价格便宜、结构简单、性能可靠的光电元件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。例如，在复印机中，它被用来检测复印纸的有无；在流水线上，检测细小物体的通过及透明物体的暗色标记以及检测物体是否靠近接近开关、行程开关等。图10－16所示为光电断续器的应用实例。

图10－16 光电断续器的应用实例

（a）用于防盗门的位置检测；（b）印刷机械上的进纸检测；（c）线料断否的检测；（d）瓶盖及标签的检测；（e）用于物体接近与否的检测

知识拓展

固态图像传感器

近年来，各领域对视觉信息处理系统的需要在不断增多。在工业中，它不仅用于测定物体的尺寸、位置、形状，也用于检测表面的伤痕和污点。此外，在遥感检测、显微图像等方面也有许多应用。最近，已广泛采用固态图像传感器作为图像输入装置。

固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器。它是以电荷转移器件为核心，包括光电信号转换、传输和处理的集成光敏传感器，由于它具有体积小、质量轻、结构简单、功耗小、成本低等优点，得到了广泛应用。

按受光单元的排列方式，固态图像传感器可分为三类：二维固态图像传感器、一维固态图像传感器和零维固态图像传感器。

二维固态图像传感器的受光部具有两维结构，在X方向和Y方向上均装有电子扫描功能的器件。CCD是用得最多的一类图像传感器。其特点是结构简单、灵敏度高、容易使用。在应用时，必须考虑到分辨率和信噪比。

一维固态图像传感器的受光部分布在一直线上，只具有一个方向的扫描功能，另一个方向的扫描由物体或传感器的移动来实现。它适用于对传送带上物体做直线的各种检测，其特点是位置精度和分辨率高，广泛用于尺寸、位置的测量中。

零维固态图像传感器是单一受光器件，能用来输入图像。在输入图片信息时，把图片置于暗箱中，用激光束或CRT上的光点像 （飞点扫描）进行二维扫描。受光器件接收每个反射光，把它变换成电信号。该方法的特点是构造复杂、灵敏度低、分辨率高、杂音小，适用于检测薄片状材料的伤痕、斑点等缺陷。

按器件结构，固态图像传感器又可分为MOS、CCD、CID和CPD等图像传感器。下面以二维固态图像传感器为例加以介绍。

二维固态图像传感器是在芯片上二维地配置受光单元的面阵图像传感器，被广泛地应用在家用VTR摄像机上。最初是（64×64）～（100×100）阵列，目前已出现400×500的阵列，与摄像管相比，所获视频信号毫不逊色。特别是具有小型、质量轻、坚固和低功耗等特点，用作机器人的眼睛是很有用途的。然而，由于同一芯片上各受光单元特性的离散，会引起噪声，使图像质量不及摄像管。通常，每个受光单元的动态范围都达到60d B以上。由于像素间特性的离散，使S／N被抑制在40d B以下，故不适用于低反差图像的检测。又由于分辨率不够高，也不适用于作为文字、图形等精细模式的输入装置，主要用作图像检测 （无扫描失真和畸变）。

固态摄像器件的扫描方式可分为XY寻址方式和信号传送方式两种。前者是用MOS晶体管开关来寻址的MOS型和CID型；后者是由CCD阵列来传送电荷，称为CCD型。最近还发现了一种把CCD与MOS的功能组合在一起的CPD型新器件。

先导案例解决

物质在燃烧过程中一般有下列现象发生：

①产生热量，使环境温度升高。物质剧烈燃烧时会释放出大量的热量，这时可以用各种温度传感器来测量。但是在燃烧速度非常缓慢的情况下，环境温度的上升是不易鉴别的。

②产生可燃性气体。有机物在燃烧的初始阶段，首先释放出来的是可燃性气体，如CO等。

③产生烟雾。烟雾是人们肉眼能见到的微小悬浮颗粒，其粒子直径大于10nm。烟雾有很大的流动性，可潜入烟雾传感器中，是较有效的检测火灾的手段。

④产生火焰。火焰是物质产生灼烧气体而发出的光，是一种辐射能量。火焰辐射出红外线、可见光和紫外线。其中红外线和可见光不太适合用于火灾报警，这是因为正常使用中的取暖设备、电灯、太阳光线都包含有红外线或可见光。用紫外线管 （外光电效应型）或某些专用的半导体内光电效应型紫外线传感器，能够有效地监测火焰发出的紫外线，但应避开太阳光的照射，以免引起误动作。

图10－17所示为光电直射型烟雾传感器。

图10－17中，红外线LED与红外光敏三极管的峰值波长相同，称为红外对管。它们的安装孔处于同一轴线上。

无烟雾时，光敏三极管接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阈值判断电路后，发出报警信号。

必须指出的是，室内抽烟也可能引起误报警，所以还必须与其他火灾传感器组成综合火灾报警系统，由大楼中的主计算机做出综合判断，并开启相应房间的消防设备。

根据上述原理还可以将烟雾报警器安装在小汽车里。当车内有人吸烟时，将自动启动抽风机，将烟排出车外。

上述的直射式烟雾报警器的灵敏度不高，只有在烟气较浓时光通量才有较大的衰减。图10－18所示的漫反射式烟雾报警器灵敏度较高。在没有烟雾时，由于红外光管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射，使部分红外光到达光敏三极管。

图10－17 光电直射型烟雾传感器

1—红外发光二极管；2—烟雾检测室；3—透烟孔；4—红外光敏三极管；5—烟雾

图10－18 漫反射式烟雾传感器示意图

1—红外发光二极管；2—烟雾检测室；3—透烟孔；4—红外光敏三极管；5—烟雾

在反射式烟雾报警器中，红外LED的激励电流不是连续的直流电，而是用40k Hz调制的脉冲，所以红外光敏三极管接收到的光信号也是同频率的调制光。它输出的40k Hz电信号经窄带选频放大器放大、检波后成为直流电压，再经低放和阈值比较器输出报警信号。室内的灯光，太阳光即使泄漏进烟雾检测室也无法通过40k Hz选频放大器，所以不会引起误报警。