张姗
摘要:随着科学技术的发展以及物联网技术的普及,自动化生产与智能制造的普及度越来越高,对于自动化与智能制造,大部分功能的实现都是基于传感器的,其中光电式传感器又是传感器中应用最为广泛的一种,因此,掌握光电式传感器的原理显得尤为重要。本文将着重阐述光电式传感器的工作原理,并在此基础上着重阐述光电式传感器在汽车上的应用。
关键词:光电式传感器;工作原理;应用;发展趋势
1 光电式传感器简述
光电式传感器是目前产量最多,应用最广的传感器之一。下面对光电式传感器的工作原理、组成和分类进行简单介绍。
1.1 工作原理
光电式传感器是基于光电效应工作的,光电效应指的是金属或者半导体等材料在光照下释放电子的现象,通常可分为外光电效应和内光电效应。其中光电管、光电倍增管是基于外光电效应制作的光电器件,见图1和图2。
基于内光电效应的有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等,见图3、图4、图5。
1.2 光电式传感器的组成
光电式传感器一般由辐射源、光学通路、光电器件三部分组成。如图6所示。
图6中辐射源指的就是光源,主要作用是发射光束,一般所采用的辐射源主要是发光二极管(LED)、激光二极管等;其次,光学通路的主要作用是改变光信号的参数,比如波长、频率等参数;光电器件的主要作用是将接受到的变化的光信号转变成变化的电信号,然后输出,再经过后续测量电路,测量电信号的变化,从而确定被测量。
1.3 光电式传感器的分类
光电式传感器按其传输方式可分为直射型、透射型、反射型和遮蔽式四种基本形式。如图7。
①直射型如图 7(a)所示,光源本身就是被测物体。被测物体的光通量指向光敏器件,产生光电流输出。这种形式常用于光电比色高温计中作光电器件。
②透射型如图7(b)所示,光源的光通量一部分由被测物体吸收,另一部分则穿过被测物体投射到光敏器件上。该形式常用于测量混合气体、液体的透明度、浓度等。
③反射型如图7(c)所示,首先,光源发射出的光通量投射到被测物体上之后,其次,被测物体又将部分光通量反射到光敏器件上。反射的光通量取决于被测物体的反射条件,此种形式一般用于测量工件表面的粗糙度及测量转速等。
④遮蔽型如图7(d)所示,光源发射出的光通量投射到被测物体上,由于被测物体的遮蔽导致光通量的改变,最终导致投影到光敏器件上的光通量也随着改变。这种形式常用于测量位置、位移、振动、频率等,在自动控制中用作自控开关。
2 光电式传感器应用
光电传感器在汽车上的应用较为广泛,主要有光电式转向传感器、光电式光量传感器、光电式车速传感器等,下面就简要分析光电式传感器在汽车上的应用。
2.1 光电式转向传感器
如图8所示電子控制悬架系统的构成。
转向盘转向传感器用于检测汽车转向轮的偏转角度及偏转方向。光电式转向传感器的电路如图9所示。
2.2 光电式光量传感器
光电式光量传感器用硫化镉(CdS)作为半导体元件,当硫化镉(CdS)接受到光线照射时,电阻值便会随之发生变化,这样,便把周围光照强度的变化转换为电阻值的变化,然后以电信号的形式输入控制器。现阶段,这种传感器主要用于汽车上各种灯具亮、熄的自动控制。
2.3 光电式车速传感器
光电式车速传感器主要用于检测电控汽车的车速,然后通过车速控制发动机怠速,自动变速器的变扭器锁止,自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速等其它功能。其外形如图10所示。
3 光电式传感器发展趋势
光电式传感器行业发展方向呈现出以下特点:
3.1 光电式传感器的智能化趋势
光电式传感器的智能化是在传感器中内置微处理器,使其具有自动检测、自动补偿、数据存储、逻辑判断等功能。随着终端用户体验的不断升级及消费习惯的逐渐改变,光电传感器要求具有保密性高、传输距离远、抗干扰性强、自适应性强、通信功能等特点,因此,智能化是光电传感器发展的必然趋势。
3.2 光电式传感器的微型化趋势
传统的光电式传感器往往体积较大,功能不完善,且应用领域受限,难以满足便携设备、可穿戴设备等下游应用领域不断升级的消费需求。精密加工、微电子、集成电路等技术的发展及新材料的应用,使得传感器中敏感元件、转换元件和调理电路的尺寸正在从毫米级走向微米级甚至纳米级,助推了传感器的微型化趋势。
3.3 光电式传感器的多功能化趋势
一般情况下,一个传感器只能用来检测一种被测量的变化,但基于实际生产等需求,在传感器的许多应用领域中,为了能够全面且准确地反映客观事物特点和环境,通常情况下往往需要同时测量多种被测变量,因此实现多功能化无疑是当前光电式传感器技术发展中一个重要的研究方向。同时,伴随着光电式传感器应用领城的不断扩大,以及加工工艺和组装技术的发展等,使多种敏感元件整合在同一基板上成为可能。终端应用的集成化要求,推动了多功能化传感器的发展。
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