【摘要】隨著科技的迅猛發(fā)展，復(fù)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(xué)的一個新興研究領(lǐng)域。鑒于光電半導(dǎo)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(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用;隨著光電器件、微電子技術(shù)的不斷完善和成熟，為適應(yīng)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(yīng)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(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】光電傳感器;信息檢測;光電效應(yīng)

現(xiàn)代信息科學(xué)是伴隨著信息時代的到來而產(chǎn)生的新興學(xué)科，隨著社會經(jīng)濟(jì)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(fù)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(xué)診斷、環(huán)境保護(hù)等各個領(lǐng)域。

光電傳感器是利用光敏器件的光電效應(yīng)實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，從而達(dá)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(yīng)靈敏、分辨率高、反應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于信息自動檢測領(lǐng)域。

1.光電傳感器的原理

光電效應(yīng)是指光照射到物體上后，光子能量被電子吸收導(dǎo)致其狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電效應(yīng)的現(xiàn)象，一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。若電子因吸收光子能量而克服束縛脫離物體表面而進(jìn)入外界空間，從而改變材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 特點

分辨率高。光電傳感器的光學(xué)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(xué)材料設(shè)計靈敏的光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)高分辨率。從而可實現(xiàn)微小細(xì)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(jìn)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(biāo)和傳感器本身造成損傷。

信息容量大。隨著信息科學(xué)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(xì)分實現(xiàn)對待檢測目標(biāo)的多方位信息檢測。

應(yīng)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(yīng)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(yīng)用，其特點和優(yōu)點也在不斷的充分展現(xiàn)，其應(yīng)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(fù)印機、掃描儀等;在軍事應(yīng)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(yīng)用較為成熟，其中邦納公司擁有當(dāng)今世界上最完善的光電傳感器產(chǎn)品流水線;而在20世紀(jì)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(yīng)用體系，產(chǎn)品和研發(fā)成果在各個領(lǐng)域得到應(yīng)用，在石油高溫、高壓等非接觸類傳感檢測系統(tǒng)等應(yīng)用中已涌現(xiàn)出與國際接軌的先進(jìn)研究成果;相比發(fā)達(dá)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(yīng)用實例

基于光電傳感器的信息自動檢測技術(shù)的將光學(xué)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(dāng)緯線前進(jìn)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(yīng)。如果光電池沒有感應(yīng)信號，這表明緯線已經(jīng)斷裂。

由于緯線非常細(xì)，又是通過擺動前進(jìn)，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(dāng)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?fàn)顟B(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(yīng)而導(dǎo)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(biāo)的提升需求，也推動的材料方面的發(fā)展，從單材料到復(fù)合材料、原子（分子）型材料人工合成、智能材料的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(biāo)的不斷提升，相應(yīng)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(fù)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(dāng)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(yīng)用，隨著現(xiàn)代信息科學(xué)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?；诠怆妭鞲衅鞯男畔⒆詣訖z測技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)給我們工作、生活帶來了很大的便利，同時也促進(jìn)了社會進(jìn)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(dāng)今信息時代的科技進(jìn)步帶來嶄新的活力與動力。

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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。