光電傳感器在信息自動檢測領(lǐng)域的應用探討

【摘要】隨著科技的迅猛發(fā)展，復雜多樣、瞬息萬變的各種信息充斥著人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?信息的自動檢測、迅速獲取已成為現(xiàn)代信息科學的一個新興研究領(lǐng)域。鑒于光電半導體器件具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點，使得其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、軍事和空間科學技術(shù)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用;隨著光電器件、微電子技術(shù)的不斷完善和成熟，為適應信息時代的發(fā)展需求，基于光電器件的信息自動檢測技術(shù)因其分辨率高、非接觸、信息容量大、自動化程度高且反應快等特點發(fā)展十分迅速。本文則著重介紹了光電傳感器的探測原理及其在信息自動檢測領(lǐng)域的應用。

【關(guān)鍵詞】光電傳感器;信息檢測;光電效應

現(xiàn)代信息科學是伴隨著信息時代的到來而產(chǎn)生的新興學科，隨著社會經(jīng)濟和科技水平的不斷發(fā)展，各種工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平不斷提高、系統(tǒng)集成的復雜性不斷增加，需要獲取的信息量越來越多，傳感器技術(shù)作為信息檢測的重要基礎(chǔ)技術(shù)也在不斷的發(fā)展，已滲透到工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、醫(yī)學診斷、環(huán)境保護等各個領(lǐng)域。

光電傳感器是利用光敏器件的光電效應實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，從而達到有效信號獲取的一種信息檢測元件;通常由光源、接收通道、光敏器件、電路處理部件四部分組成。光電傳感器通過監(jiān)測光強、光照度、輻射測溫等光量特征來實現(xiàn)對零件外形尺寸、表面粗糙度、運動特性等信息的檢測，具有感應靈敏、分辨率高、反應速度快等優(yōu)點。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微型電路板及芯片集成的不斷應用，使得光電傳感器的電路處理部分日趨成熟，體積小、功耗低且可靠性高，因而廣泛應用于信息自動檢測領(lǐng)域。

1.光電傳感器的原理

光電效應是指光照射到物體上后，光子能量被電子吸收導致其狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電效應的現(xiàn)象，一般有外光電效應、光導效應、光生伏特效應。若電子因吸收光子能量而克服束縛脫離物體表面而進入外界空間，從而改變材料的導電性，這種現(xiàn)象稱為外光電效應。基于外光電效應的傳感器是一種小型的電子設(shè)備，能夠檢測出接受到的光強的變化。在早期的應用中，光電傳感器可以用來檢測物體的存在，通過將光聚焦，通過接收通道入射到真空管放大器上，通過簡單的電路信號處理、閾值判別實現(xiàn)信息的檢測，這就是光電傳感器的早期原型。原理圖如圖1所示。

圖1 光電傳感器原理圖

由此可見，光電傳感器是借助光源將被測量的變化轉(zhuǎn)換或等效為光信號的變化，光信號經(jīng)接收通道匯聚到光敏元件上，經(jīng)光電效應變換為電信號，通過對電信號的處理實現(xiàn)有效信息的檢測。

2.光電信息自動檢測技術(shù)的特點及應用現(xiàn)狀

2.1 特點

分辨率高。光電傳感器的光學接收通道可通過高度集成設(shè)計使入射光束高效匯聚或通過特殊的光學材料設(shè)計靈敏的光學系統(tǒng)，實現(xiàn)高分辨率。從而可實現(xiàn)微小細節(jié)的檢測和高靈敏運動特性的捕捉、跟蹤。

可實現(xiàn)非接觸檢測。因光電傳感器利用光源為輸入信號和媒介進行信息的采集和檢測，可實現(xiàn)無機械接觸檢測，不會對被檢目標和傳感器本身造成損傷。

信息容量大。隨著信息科學技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品設(shè)計的高度集成，光電傳感器可通過光源數(shù)據(jù)融合和頻譜細分實現(xiàn)對待檢測目標的多方位信息檢測。

應用范圍廣。基于光電的信息檢測技術(shù)因其成熟的技術(shù)和高可靠性、低功耗的光電元件而得到了廣泛的應用，在工業(yè)控制、環(huán)境、醫(yī)療、軍用及民用等各個領(lǐng)域都有成熟的產(chǎn)品。

2.2 現(xiàn)狀

近年來，隨著光電傳感器在各領(lǐng)域的廣泛應用，其特點和優(yōu)點也在不斷的充分展現(xiàn)，其應用領(lǐng)域也在不斷拓展。在民用上，光電傳感器已與我們的生活密不可分，比如傳真機、復印機、掃描儀等;在軍事應用上，則主要包括水下探測、航空監(jiān)測、空間測量等。在國外，西方國家研究應用較為成熟，其中邦納公司擁有當今世界上最完善的光電傳感器產(chǎn)品流水線;而在20世紀90年代，日本電氣等15家公司也研發(fā)出了多款民用的光電傳感器。國內(nèi)光電傳感器在民用領(lǐng)域起步也相對較早，截止到目前，已經(jīng)形成了研究、生產(chǎn)和應用體系，產(chǎn)品和研發(fā)成果在各個領(lǐng)域得到應用，在石油高溫、高壓等非接觸類傳感檢測系統(tǒng)等應用中已涌現(xiàn)出與國際接軌的先進研究成果;相比發(fā)達國家而言，國內(nèi)的技術(shù)水平和工程化能力仍存在較大差距，這主要體現(xiàn)在成熟的貨架產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)上，傳統(tǒng)傳感器更新?lián)Q代較慢、微型化發(fā)展不足，在集成化、智能化方面與國外差距較大。

3.應用實例

基于光電傳感器的信息自動檢測技術(shù)的將光學技術(shù)和現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合，擴展了人類的視覺能力，使被感知的波長由可見光擴展到了整個常用波段，在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程在線檢測、日常生活的公共設(shè)施、醫(yī)療用溫度計液壓計及各種檢測儀等方面都得到了較為成熟的應用。

3.1 光電探緯儀

光電探緯儀又稱光電式緯線探測器是一種廣泛應用于噴氣織機上的光電傳感器，主要用于在噴氣織機正常工作過程中自動對緯線是否斷線進行實時檢測。其原理為：在織機正常工作時，探測器的紅外射線管主動發(fā)出紅外光，當緯線前進時在噴氣的影響下，紅外光經(jīng)過緯線反射，很容易被光電池迅速感應。如果光電池沒有感應信號，這表明緯線已經(jīng)斷裂。

由于緯線非常細，又是通過擺動前進，易形成光的漫反射和背景雜散光，對光電池接收回波的處理及有效信號的提取提出了較高的要求，探緯儀一般要求有較高的分別率及探測靈敏度。

3.2 條形碼掃描筆

掃描條形碼時，掃描筆主動發(fā)射紅光，當筆頭在條形碼上移動時，如果遇到黑色的線條則發(fā)光二極管的光線會被黑色線條所吸收，此時光敏三極管不會接收到反射光，從而呈現(xiàn)出高阻抗，處于截止狀態(tài);如果遇到白色間隔時，則發(fā)光二極管發(fā)出的光線能夠被三極管接收，因產(chǎn)生光電效應而導通;黑白相間的條紋產(chǎn)生典型的脈沖信號，在整個條形碼掃描完成后形成獨特的脈沖序列，脈沖序列經(jīng)過計算機的處理及庫存信息匹配可以迅速給出所需信息。

條形碼掃描技術(shù)已在超市購物、真?zhèn)悟炞C等方面得到了廣泛的應用，給人們的生活帶來了極大的便利。如圖2所示。

圖2 條形碼掃描

3.3 光電測速儀

用調(diào)制盤與待測轉(zhuǎn)軸一起聯(lián)動，將轉(zhuǎn)速變化等效為光通量的變化，再經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，通過檢測電信號的規(guī)律變化即可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)控。如圖3所示。被測轉(zhuǎn)軸上裝有調(diào)制盤，調(diào)制盤的一側(cè)設(shè)置發(fā)光光源，另一側(cè)設(shè)置光電器件。調(diào)制盤隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，當光線通過小孔或齒縫時，光電器件就產(chǎn)生一個電脈沖。轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動，光電傳感器就產(chǎn)生一列與轉(zhuǎn)速及調(diào)制盤上的孔數(shù)正成正比的脈沖序列，在孔數(shù)一定時，脈沖數(shù)就和轉(zhuǎn)速整正比，脈沖經(jīng)放大整形電路處理送數(shù)字頻率計顯示。

圖3 光電測速儀

4.光電信息自動檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 傳感器的發(fā)展方向

微電子技術(shù)和芯片集成設(shè)計技術(shù)的成熟和工程化應用能力的提升給傳感器的發(fā)展提供了有力的支持，光電傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功耗低等優(yōu)勢，逐漸向小型化、集成化、多功能化及智能化方向發(fā)展。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）開發(fā)新型傳感器：隨著應用領(lǐng)域的不斷拓展和科技化程度的提高，對光電傳感器新的使用需求劇增，加強新型傳感器的原理研究、實驗驗證，不斷推陳出新已成大勢所趨。（2）開發(fā)新材料：傳感器功能性能指標的提升需求，也推動的材料方面的發(fā)展，從單材料到復合材料、原子（分子）型材料人工合成、智能材料的應用等成為提升傳感器本身性能的必由之路，也成為今后的發(fā)展方向之一。（3）新技術(shù)、新工藝的應用：科技的變革推動了技術(shù)、工藝的創(chuàng)新，對傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計、加工制造提出了全新的挑戰(zhàn)，只有不斷加強對新技術(shù)、新工藝的研究和工程化應用，才能在競爭中立于不敗之地。

4.2 信息檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著光電傳感器的不斷發(fā)展，基于光電傳感器的信息檢測技術(shù)也在向著高精度、微型化、綜合化及職能化的方向發(fā)展，簡要闡述如下：（1）高精度：隨著產(chǎn)品功能性能指標的不斷提升，相應的檢測精度要求向高精度方向發(fā)展，納米、單光子等高精度光電測量技術(shù)是今后的發(fā)展熱點;（2）微型化：隨著核心的電子元器件、電路向高集成化發(fā)展，基于微型光電傳感器的信息檢測也朝著小型、快速的微型光、機、電一體化方向發(fā)展;（3）綜合化：產(chǎn)品的復雜性及高度集成性要求檢測功能向綜合性、多參數(shù)、多維測量等多元方向發(fā)展;（4）智能化：智能化發(fā)展已成為當今科技的發(fā)展潮流，光電跟蹤、掃描等智能技術(shù)也在不斷的成熟、完善。

5.總結(jié)

光電傳感器在各行業(yè)已得到廣泛應用，隨著現(xiàn)代信息科學的不斷發(fā)展，光電相關(guān)的新材料、新技術(shù)也在不斷的涌現(xiàn)，還有很多等待著我們?nèi)グl(fā)展、探究。基于光電傳感器的信息自動檢測技術(shù)的應用已經(jīng)給我們工作、生活帶來了很大的便利，同時也促進了社會進步和科技的發(fā)展。我們有理由相信，光電傳感器及其相關(guān)的信息檢測技術(shù)不斷創(chuàng)新、發(fā)展必將為當今信息時代的科技進步帶來嶄新的活力與動力。

參考文獻

[1]耿楠.光電傳感器在變電站通信控制系統(tǒng)中的應用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（8）：25-26.

[2]任海萍.光電傳感器的應用與發(fā)展[J].科技風，2011（1）：197-198.

[3]胡天驕.淺議光電傳感器的應用與發(fā)展[J].中國電子商務，2012（2）：135-136.

[4]徐偉.光電傳感器的研究與應用[J].科技創(chuàng)新導報，2010（12）.

[5]謝忠志，胡慧之.光電傳感器的應用[J].裝備制造，2009（09）.

[6]陳津.傳感器技術(shù)應用綜述及發(fā)展趨勢探討[J].科技創(chuàng)新導報，2008（10）.

[7]張燕，曾光宇.光電式傳感器的應用與發(fā)展[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2006（13）.

[8]顏曉河，董玲嬌，蘇紹興.光電傳感器的發(fā)展及其應用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006（01）.

[9]張國才.光電傳感器的應用與發(fā)展趨勢[J].科技信息（學術(shù)研究），2008（32）.

[10]謝望.光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應用[J].儀器儀表用戶，2005（05）.

作者簡介：肖保良（1981—），男，碩士，工程師，主要研究方向：光電系統(tǒng)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理。