提高光电传感器精度的关键技术

蔡佳朋

摘 要

光电传感器是用于通过使用通常为红外线的光发射器和光电接收器来检测物体的距离，它们广泛用于工业制造中，光电传感器使用光束来检测物体是否存在，此技术用于识别对象的大小和对比度。通常集成光源，测量装置和光电传感器系统的一部分，一般连接到电触发器使得其对光传感器内的信号的变化作出反应。本文通过介绍影响光电传感器精度的因素来探究提高光电传感器精度的策略，通过算法与硬件两方面的综合优化来提升传感器的工作效能，提高其精度对于光电科研能力的提高有着长远的意义。

【关键词】光电识别 精度优化 集成光源

1 光电传感器概述

1.1 光电传感器的工作原理

光电传感器是通过使用一般为红外线的光发射器和光电接收器来检测物体的距离或存在的设备。它们主要用于工业生产中，有三种不同的类型：相对（通过光束），回射和接近感测（漫射）。通过波束装置包括位于发射器的视线内的接收器，当光束被阻挡而从发射器到无法达接收器时，可以检测到物体。回射装置将发射器和接收器放置在相同的位置，并使用反射器将光束从发射器弹回到接收器。当光束被中断并且未能到达接收器时，感测到物体。

接近感测（漫射）装置中透射的辐射必须从物体反射以到达接收器的位置，在这种模式下，当接收器接收到发送源信号时可检测到对象。与反射传感器中一样，漫射传感器发射器和接收器位于同一壳体中。将检测目标光线射入反射器，使得光的检测信号从干扰对象反射，发射器发出在所有方向上扩散的光束（最常见的是脉冲红外光、可见红光或激光），填充检测区域。然后光线进入该区域并且将光束的一部分偏转回到接收器，当足够的光落在接收器上时，发生检测并打开或关闭输出。许多光敏部件对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光电传感器的检测范围是其视线或者传感器可以检索信息的最大距离减去最小距离，最小可检测对象是光电头可以检测的最小范围，更精确的传感器通常可以具有检测的极小尺寸物体的能力。

1.2 光电传感器的发展

独立的光电传感器包含光学元件以及电子元件，它只需要一个电源。传感器执行其本身的调制，解调，放大和输出切换功能。光传感器的一个特征是其测量来自一个或多个光束的变化的能力，光电传感器可以在单点法或通过点的分布工作，使用单点方法，需要单独的相变来激活传感器，在分布概念方面，传感器沿着长串传感器或单光纤阵列是反应性的。一些独立的传感器提供诸如内置控制计时器或计数器的功能，由于技术进步，光电传感器变得越来越小，用于遥感的远程光电传感器仅包含传感器的光学部件测量范围很宽，缺点是光电传感器的稳定性和精度较B型或S型差，用于电源输入，放大和输出开关的电路位于其他地方，通常位于控制面板中，使得这类传感器本身非常小。此外，传感器的控制更容易进行，因为控制功能可能更强大。当空间受到限制或者环境对于远程传感器来说不容易运行时，可以使用光纤，光纤是无源机械感测部件，它们可以与远程或自带传感器一起使用，没有电路和没有移动部件，并且可以安全地将光进入和离开恶劣环境。

2 光电传感器的精度分析

2.1 光电传感器的精度概述

光电传感器精度的概念是指测量的可重复性的程度，换句话说，如果完全相同的值被测量多次，则理想的传感器将每次输出完全相同的值。但是真实的传感器输出相对于实际正确值以某种方式分布的一定范围的值。例如，假设对传感器施加恰好为150mm Hg的压力，即使施加的压力从不改变，来自传感器的输出值也将显着变化，当真实值和传感器的平均值不在彼此的一定距离内时，在精度问题中出现一些微妙的问题，传感器的精度是实际值（必须由主要或良好的二次标准测量）和传感器输出端的指示值之间存在的最大差值。同样，精度可以表示为满量程的百分比或绝对值。提高精度实际就是在减小某些特定条件下实际输出值和指定输出值之间的差，如果特性曲线具有与理想相同的灵敏度斜率但不是零与Y轴相交，理想曲线将仅在一个温度（通常为25℃）下存在，而实际曲线将在最小温度和最大温度极限取决于样品和电极的温度。

2.2 光电传感器的精度影响因素

2.2.1 光谱特性

根据光电传感器对不同波长的光特性曲线。由相关数据可知，其灵敏度是不同的，根据硅光电传感器和硒光电传感器的光谱，不同材料的光电传感器适用的入射光波长范围也不相同。硅光电传感器的适用范围宽，对应的人射光波长可在0.45-1.1μm之间，而硒光电传感器只能测量0.34-0.57μm的波长。影响光电传感器的光谱图波峰的因素主要有光电传感器的材料和制造技术，会受到温度系数和线性膨胀系数的干涉，在实际的应用中应当根据具体光源的类别来进行选用。

2.2.2 光电特性

光生电动势和光电流会随着光照度的改变而进行相应的变化，但有一定的滞后性，光电传感器的光电特性转换图线的绘制条件较为苛刻，需要在负载电阻无穷大时进行开路，在内阻较小时进行短路来绘制并优化光电特性曲线。开路的电压和实际光照并不是线性关系，而且在光照达到3000勒克斯的时候就达到上界，短路电流则与之情况相反，线性度良好。并且负载电阻在最小值的时候，线性关系达到最佳拟合状态。因此连续进行光照度检测，获取最佳状态效果较好，但是成本昂贵、设备复杂。光电传感器数字地产生和控制电流源信号以消除谐波，使用这种技术可以获得一些其他好处，但都需要大量的成本。把光电传感器作为电流源来光信号连续变化的场合，也可以把光电传感器作为电压源使用。

2.2.3 温度特性

光电传感器的开路电压和短路电流随着温度变化较为明显，光电传感器的温度漂移影响到了设备的稳定性，对测量和控制精度的改变等都有着较大的作用，所以成为了光电传感器的一个极为重要的特性。从有关文献可以得出结论，光电传感器的开路电压在温度每上升1度时，降低3mV，短路电流则变化较缓慢。在使用光电传感器进行检测时，需要对温漂进行补偿来减小误差。

2.2.4 频率特性

光电传感器的入射光调节频率是由输出电流决定的，因为光电子空穴对的产生与移动都需要一定的时间，因此会产生一定的延迟性，入射光的工作频率上限超出了几万Hz，传感器的频率调制特性较差，在需要调制频带较宽的情况时，应尽量采用硅光电传感器，并选择面积较小的硅光电传感器和较小的负载电阻，可进一步减小响应时间，改善响应频率。

2.3 提高光电传感器精度的方案

在光电视觉这样复杂的领域中很难描述状态，问题本质上是多方面的。识别任务的成功在很大程度上取决于集成的技术数量，因此它更多地是关于适当组件的正确集成，而不是使用单一的一体化解决方案。光电识别的一些重要组成部分是：光线定位和环境鲁棒性，光电识别，用户光电适应，以及最后的电信号处理， 每个域都有自己的工具和解决方案，实际上更加重要的是合理地组合它们。首先，光电定位帮助滤除噪声和从多个光源分离。在这里，可以使用大量的技术从视觉到简单的运动检测，以更好地检测扬声器位置。OpenCV是最好的计算机视觉库，但你也可以使用激光雷达或其他传感器，将能够更好地本地化光线数据，更准确的识别将是了解物体的位置，环境排布，可以更有效地取消光线干扰。对于波束成形，可以推荐两个开源包：Manyears和Hark。然后光电识别本身将要求有一个体面和有效的光电识别工具包像CMU Sphinx-光电识别工具包，这是最好的选择，由于它的便携性和功能集合。在这里你需要一个光电生物识别工具包。ALIZE是一个不错的选择。一旦确定了光源，实际上很重要的是实现适应，以更好地识别物体的光度。适应CMUSphinx可以显着提高识别的准确性，并结合光电生物识别，它可以显著提高传感器能力。最后，不应将识别结果直接作为有效数据，最好的系统必须包括一组技术，这是一个相当有挑战性的创建这样的系统，可以用开源组件进行科学有效的实现。

3 总结

高精度光电传感器凭借着精密的检测硬件与高效的算法，在故障处理、设备检查、管道探伤等方面都有着较为客观的发展，这其中综合运用了高精度加工技术和自动控制技术。许多接入到分配网的光电传感器的转换和管理将更加复杂，如果设计的光电传感系统的规划不符合规格，它将对探测精密度产生很大的影响。高精度光电传感器是广大科研平台顺利建设和正常运作的一项极为关键的组成部分，在确保且提升光电科研平台的运作效果与工作效能方面，具备极为重要的推动作用。

参考文献

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