提高光電傳感器精度的關(guān)鍵技術(shù)

蔡佳朋

摘 要

光電傳感器是用于通過(guò)使用通常為紅外線的光發(fā)射器和光電接收器來(lái)檢測(cè)物體的距離，它們廣泛用于工業(yè)制造中，光電傳感器使用光束來(lái)檢測(cè)物體是否存在，此技術(shù)用于識(shí)別對(duì)象的大小和對(duì)比度。通常集成光源，測(cè)量裝置和光電傳感器系統(tǒng)的一部分，一般連接到電觸發(fā)器使得其對(duì)光傳感器內(nèi)的信號(hào)的變化作出反應(yīng)。本文通過(guò)介紹影響光電傳感器精度的因素來(lái)探究提高光電傳感器精度的策略，通過(guò)算法與硬件兩方面的綜合優(yōu)化來(lái)提升傳感器的工作效能，提高其精度對(duì)于光電科研能力的提高有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。

【關(guān)鍵詞】光電識(shí)別 精度優(yōu)化 集成光源

1 光電傳感器概述

1.1 光電傳感器的工作原理

光電傳感器是通過(guò)使用一般為紅外線的光發(fā)射器和光電接收器來(lái)檢測(cè)物體的距離或存在的設(shè)備。它們主要用于工業(yè)生產(chǎn)中，有三種不同的類型：相對(duì)（通過(guò)光束），回射和接近感測(cè)（漫射）。通過(guò)波束裝置包括位于發(fā)射器的視線內(nèi)的接收器，當(dāng)光束被阻擋而從發(fā)射器到無(wú)法達(dá)接收器時(shí)，可以檢測(cè)到物體。回射裝置將發(fā)射器和接收器放置在相同的位置，并使用反射器將光束從發(fā)射器彈回到接收器。當(dāng)光束被中斷并且未能到達(dá)接收器時(shí)，感測(cè)到物體。

接近感測(cè)（漫射）裝置中透射的輻射必須從物體反射以到達(dá)接收器的位置，在這種模式下，當(dāng)接收器接收到發(fā)送源信號(hào)時(shí)可檢測(cè)到對(duì)象。與反射傳感器中一樣，漫射傳感器發(fā)射器和接收器位于同一殼體中。將檢測(cè)目標(biāo)光線射入反射器，使得光的檢測(cè)信號(hào)從干擾對(duì)象反射，發(fā)射器發(fā)出在所有方向上擴(kuò)散的光束（最常見的是脈沖紅外光、可見紅光或激光），填充檢測(cè)區(qū)域。然后光線進(jìn)入該區(qū)域并且將光束的一部分偏轉(zhuǎn)回到接收器，當(dāng)足夠的光落在接收器上時(shí)，發(fā)生檢測(cè)并打開或關(guān)閉輸出。許多光敏部件對(duì)紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。光電傳感器的檢測(cè)范圍是其視線或者傳感器可以檢索信息的最大距離減去最小距離，最小可檢測(cè)對(duì)象是光電頭可以檢測(cè)的最小范圍，更精確的傳感器通常可以具有檢測(cè)的極小尺寸物體的能力。

1.2 光電傳感器的發(fā)展

獨(dú)立的光電傳感器包含光學(xué)元件以及電子元件，它只需要一個(gè)電源。傳感器執(zhí)行其本身的調(diào)制，解調(diào)，放大和輸出切換功能。光傳感器的一個(gè)特征是其測(cè)量來(lái)自一個(gè)或多個(gè)光束的變化的能力，光電傳感器可以在單點(diǎn)法或通過(guò)點(diǎn)的分布工作，使用單點(diǎn)方法，需要單獨(dú)的相變來(lái)激活傳感器，在分布概念方面，傳感器沿著長(zhǎng)串傳感器或單光纖陣列是反應(yīng)性的。一些獨(dú)立的傳感器提供諸如內(nèi)置控制計(jì)時(shí)器或計(jì)數(shù)器的功能，由于技術(shù)進(jìn)步，光電傳感器變得越來(lái)越小，用于遙感的遠(yuǎn)程光電傳感器僅包含傳感器的光學(xué)部件測(cè)量范圍很寬，缺點(diǎn)是光電傳感器的穩(wěn)定性和精度較B型或S型差，用于電源輸入，放大和輸出開關(guān)的電路位于其他地方，通常位于控制面板中，使得這類傳感器本身非常小。此外，傳感器的控制更容易進(jìn)行，因?yàn)榭刂乒δ芸赡芨鼜?qiáng)大。當(dāng)空間受到限制或者環(huán)境對(duì)于遠(yuǎn)程傳感器來(lái)說(shuō)不容易運(yùn)行時(shí)，可以使用光纖，光纖是無(wú)源機(jī)械感測(cè)部件，它們可以與遠(yuǎn)程或自帶傳感器一起使用，沒(méi)有電路和沒(méi)有移動(dòng)部件，并且可以安全地將光進(jìn)入和離開惡劣環(huán)境。

2 光電傳感器的精度分析

2.1 光電傳感器的精度概述

光電傳感器精度的概念是指測(cè)量的可重復(fù)性的程度，換句話說(shuō)，如果完全相同的值被測(cè)量多次，則理想的傳感器將每次輸出完全相同的值。但是真實(shí)的傳感器輸出相對(duì)于實(shí)際正確值以某種方式分布的一定范圍的值。例如，假設(shè)對(duì)傳感器施加恰好為150mm Hg的壓力，即使施加的壓力從不改變，來(lái)自傳感器的輸出值也將顯著變化，當(dāng)真實(shí)值和傳感器的平均值不在彼此的一定距離內(nèi)時(shí)，在精度問(wèn)題中出現(xiàn)一些微妙的問(wèn)題，傳感器的精度是實(shí)際值（必須由主要或良好的二次標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量）和傳感器輸出端的指示值之間存在的最大差值。同樣，精度可以表示為滿量程的百分比或絕對(duì)值。提高精度實(shí)際就是在減小某些特定條件下實(shí)際輸出值和指定輸出值之間的差，如果特性曲線具有與理想相同的靈敏度斜率但不是零與Y軸相交，理想曲線將僅在一個(gè)溫度（通常為25℃）下存在，而實(shí)際曲線將在最小溫度和最大溫度極限取決于樣品和電極的溫度。

2.2 光電傳感器的精度影響因素

2.2.1 光譜特性

根據(jù)光電傳感器對(duì)不同波長(zhǎng)的光特性曲線。由相關(guān)數(shù)據(jù)可知，其靈敏度是不同的，根據(jù)硅光電傳感器和硒光電傳感器的光譜，不同材料的光電傳感器適用的入射光波長(zhǎng)范圍也不相同。硅光電傳感器的適用范圍寬，對(duì)應(yīng)的人射光波長(zhǎng)可在0.45-1.1μm之間，而硒光電傳感器只能測(cè)量0.34-0.57μm的波長(zhǎng)。影響光電傳感器的光譜圖波峰的因素主要有光電傳感器的材料和制造技術(shù)，會(huì)受到溫度系數(shù)和線性膨脹系數(shù)的干涉，在實(shí)際的應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體光源的類別來(lái)進(jìn)行選用。

2.2.2 光電特性

光生電動(dòng)勢(shì)和光電流會(huì)隨著光照度的改變而進(jìn)行相應(yīng)的變化，但有一定的滯后性，光電傳感器的光電特性轉(zhuǎn)換圖線的繪制條件較為苛刻，需要在負(fù)載電阻無(wú)窮大時(shí)進(jìn)行開路，在內(nèi)阻較小時(shí)進(jìn)行短路來(lái)繪制并優(yōu)化光電特性曲線。開路的電壓和實(shí)際光照并不是線性關(guān)系，而且在光照達(dá)到3000勒克斯的時(shí)候就達(dá)到上界，短路電流則與之情況相反，線性度良好。并且負(fù)載電阻在最小值的時(shí)候，線性關(guān)系達(dá)到最佳擬合狀態(tài)。因此連續(xù)進(jìn)行光照度檢測(cè)，獲取最佳狀態(tài)效果較好，但是成本昂貴、設(shè)備復(fù)雜。光電傳感器數(shù)字地產(chǎn)生和控制電流源信號(hào)以消除諧波，使用這種技術(shù)可以獲得一些其他好處，但都需要大量的成本。把光電傳感器作為電流源來(lái)光信號(hào)連續(xù)變化的場(chǎng)合，也可以把光電傳感器作為電壓源使用。

2.2.3 溫度特性

光電傳感器的開路電壓和短路電流隨著溫度變化較為明顯，光電傳感器的溫度漂移影響到了設(shè)備的穩(wěn)定性，對(duì)測(cè)量和控制精度的改變等都有著較大的作用，所以成為了光電傳感器的一個(gè)極為重要的特性。從有關(guān)文獻(xiàn)可以得出結(jié)論，光電傳感器的開路電壓在溫度每上升1度時(shí)，降低3mV，短路電流則變化較緩慢。在使用光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)溫漂進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)減小誤差。

2.2.4 頻率特性

光電傳感器的入射光調(diào)節(jié)頻率是由輸出電流決定的，因?yàn)楣怆娮涌昭▽?duì)的產(chǎn)生與移動(dòng)都需要一定的時(shí)間，因此會(huì)產(chǎn)生一定的延遲性，入射光的工作頻率上限超出了幾萬(wàn)Hz，傳感器的頻率調(diào)制特性較差，在需要調(diào)制頻帶較寬的情況時(shí)，應(yīng)盡量采用硅光電傳感器，并選擇面積較小的硅光電傳感器和較小的負(fù)載電阻，可進(jìn)一步減小響應(yīng)時(shí)間，改善響應(yīng)頻率。

2.3 提高光電傳感器精度的方案

在光電視覺(jué)這樣復(fù)雜的領(lǐng)域中很難描述狀態(tài)，問(wèn)題本質(zhì)上是多方面的。識(shí)別任務(wù)的成功在很大程度上取決于集成的技術(shù)數(shù)量，因此它更多地是關(guān)于適當(dāng)組件的正確集成，而不是使用單一的一體化解決方案。光電識(shí)別的一些重要組成部分是：光線定位和環(huán)境魯棒性，光電識(shí)別，用戶光電適應(yīng)，以及最后的電信號(hào)處理， 每個(gè)域都有自己的工具和解決方案，實(shí)際上更加重要的是合理地組合它們。首先，光電定位幫助濾除噪聲和從多個(gè)光源分離。在這里，可以使用大量的技術(shù)從視覺(jué)到簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，以更好地檢測(cè)揚(yáng)聲器位置。OpenCV是最好的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，但你也可以使用激光雷達(dá)或其他傳感器，將能夠更好地本地化光線數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確的識(shí)別將是了解物體的位置，環(huán)境排布，可以更有效地取消光線干擾。對(duì)于波束成形，可以推薦兩個(gè)開源包：Manyears和Hark。然后光電識(shí)別本身將要求有一個(gè)體面和有效的光電識(shí)別工具包像CMU Sphinx-光電識(shí)別工具包，這是最好的選擇，由于它的便攜性和功能集合。在這里你需要一個(gè)光電生物識(shí)別工具包。ALIZE是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。一旦確定了光源，實(shí)際上很重要的是實(shí)現(xiàn)適應(yīng)，以更好地識(shí)別物體的光度。適應(yīng)CMUSphinx可以顯著提高識(shí)別的準(zhǔn)確性，并結(jié)合光電生物識(shí)別，它可以顯著提高傳感器能力。最后，不應(yīng)將識(shí)別結(jié)果直接作為有效數(shù)據(jù)，最好的系統(tǒng)必須包括一組技術(shù)，這是一個(gè)相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的創(chuàng)建這樣的系統(tǒng)，可以用開源組件進(jìn)行科學(xué)有效的實(shí)現(xiàn)。

3 總結(jié)

高精度光電傳感器憑借著精密的檢測(cè)硬件與高效的算法，在故障處理、設(shè)備檢查、管道探傷等方面都有著較為客觀的發(fā)展，這其中綜合運(yùn)用了高精度加工技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)。許多接入到分配網(wǎng)的光電傳感器的轉(zhuǎn)換和管理將更加復(fù)雜，如果設(shè)計(jì)的光電傳感系統(tǒng)的規(guī)劃不符合規(guī)格，它將對(duì)探測(cè)精密度產(chǎn)生很大的影響。高精度光電傳感器是廣大科研平臺(tái)順利建設(shè)和正常運(yùn)作的一項(xiàng)極為關(guān)鍵的組成部分，在確保且提升光電科研平臺(tái)的運(yùn)作效果與工作效能方面，具備極為重要的推動(dòng)作用。

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作者單位

鄭州外國(guó)語(yǔ)新楓楊學(xué)校 河南省鄭州市 450001