光傳感器

自60年代末開始，RC Lecraw提出有關(guān)磁光效應(yīng)的研究報(bào)告后，引起大家的重視。日本，蘇聯(lián)等國(guó)家均開展了研究，國(guó)內(nèi)也有學(xué)者進(jìn)行探索。磁光效應(yīng)的傳感器具有優(yōu)良的電絕緣性能和抗干擾、頻響寬、響應(yīng)快、安全防爆等特性，因此對(duì)一些特殊場(chǎng)合電磁參數(shù)的測(cè)量，有獨(dú)特的功效，尤其在電力系統(tǒng)中高壓大電流的測(cè)量方面、更顯示它潛在的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)通過開發(fā)處理系統(tǒng)的軟件和硬件，也可以實(shí)現(xiàn)電焊機(jī)和機(jī)器人控制系統(tǒng)的自動(dòng)實(shí)時(shí)測(cè)量。在磁光效應(yīng)傳感器的使用中，最重要的是選擇磁光介質(zhì)和激光器，不同的器件在靈敏度、工作范圍方面都有不同的能力。隨著近幾十年來(lái)的高性能激光器和新型的磁光介質(zhì)的出現(xiàn)，磁光效應(yīng)傳感器的性能越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

磁光效應(yīng)傳感器做為一種特定用途的傳感器，能夠在特定的環(huán)境中發(fā)揮自己的功能，也是一種非常重要的工業(yè)傳感器。在電子防盜探測(cè)器領(lǐng)域，被動(dòng)紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。但隨著入侵者的反偵測(cè)技術(shù)手段的提高，從而對(duì)探頭的要求也越來(lái)越高，普通被動(dòng)紅外探頭的局限性也越來(lái)越明顯，這樣，新一代的被動(dòng)紅外探頭也應(yīng)運(yùn)而生。因?yàn)榧幽么蟮腜ARADOX SUCURITY SYSTEMS LTD的楓葉牌探頭采用了很多最新技術(shù)，使用也較為廣泛。所以，下面就結(jié)合該產(chǎn)品的技術(shù)特性來(lái)闡述被動(dòng)紅外探頭的最新技術(shù)。

1、反射式光傳感器的工作原理及特性

反射式光傳感器是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。探頭收集外界的紅外輻射通過聚集到紅外感應(yīng)源上面。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收了紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)向外釋放電荷，檢測(cè)處理后產(chǎn)生報(bào)警。

1) 這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。所以輻射敏感元件對(duì)波長(zhǎng)為10UM左右的紅外輻射必須敏感。

2) 為了僅僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

3) 被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。

4) 一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。

5) 多視場(chǎng)的獲得，一是多法線小鏡面組成的反光聚焦，聚光到傳感器上稱之為反射式光學(xué)系統(tǒng)。另一種是透射式光學(xué)系統(tǒng)，是多面組合一起的透鏡--菲尼爾透鏡聚焦在紅外傳感器上。

6) 這要指出的是被動(dòng)紅外的幾束光表示有幾個(gè)視場(chǎng)，并非被動(dòng)紅外發(fā)紅外光，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。

被動(dòng)紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn):

優(yōu)點(diǎn):本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好。 光傳感器

價(jià)格低廉。

缺點(diǎn):

◆容易受各種熱源、光源干擾

◆被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收。

◆易受射頻輻射的干擾。

暗電流小，低照度響應(yīng)，靈敏度高，電流隨光照度增強(qiáng)呈線性變化;

內(nèi)置雙敏感元，自動(dòng)衰減近紅外，光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線;

內(nèi)置微信號(hào)CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流大，工作電壓范圍寬，溫度穩(wěn)定性好;可選 光學(xué)納米材料封裝，可見光透過，紫外線截止、近紅外相對(duì)衰減，增強(qiáng)了光學(xué)濾波效果;

符合歐盟RoHS指令，無(wú)鉛、無(wú)鎘

磁光效應(yīng)傳感器就是利用激光技術(shù)發(fā)展而成的高性能傳感器。激光，是20世紀(jì)60年代初迅速發(fā)展起來(lái)的又一新技術(shù)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著人們掌握和利用光波進(jìn)入了一個(gè)新的階段。由于以往普通光源單色度低，故很多重要的應(yīng)用受到限制，而激光的出現(xiàn)，使無(wú)線電技術(shù)和光學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)、相互滲透、相互補(bǔ)充。利用激光已經(jīng)制成了許多傳感器，解決了許多以前不能解決的技術(shù)難題，使它適用于煤礦、石油、天然氣貯存等危險(xiǎn)、易燃的場(chǎng)所。

比如說(shuō)用激光制成的光導(dǎo)纖維傳感器，能測(cè)量原油噴射、石油大罐龜裂的情況參數(shù)。在實(shí)測(cè)地點(diǎn)，不必電源供電，這對(duì)于安全防爆措施要求很嚴(yán)格的石油化工設(shè)備群尤為適用，也可用來(lái)在大型鋼鐵廠的某些環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)光學(xué)方法的遙測(cè)化學(xué)技術(shù)。

磁光效應(yīng)傳感器的原理主要是利用光的偏振狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的功能。當(dāng)一束偏振光通過介質(zhì)時(shí)，若在光束傳播方向存在著一個(gè)外磁場(chǎng)，那么光通過偏振面將旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這就是磁光效應(yīng)。也就是可以通過旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)測(cè)量外加的磁場(chǎng)。在特定的試驗(yàn)裝置下，偏轉(zhuǎn)的角度和輸出的光強(qiáng)成正比，通過輸出光照射激光二極管LD，就可以獲得數(shù)字化的光強(qiáng)，用來(lái)測(cè)量特定的物理量。

例如，在手機(jī)、筆記本等移動(dòng)應(yīng)用中，顯示器消耗的電量高達(dá)電池總電量的30%，采用環(huán)境光傳感器可以最大限度地延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間。另一方面，環(huán)境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫面。當(dāng)環(huán)境亮度較高時(shí)，使用環(huán)境光傳感器的液晶顯示器會(huì)自動(dòng)調(diào)成高亮度。當(dāng)外界環(huán)境較暗時(shí)，顯示器就會(huì)調(diào)成低亮度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度。 環(huán)境光傳感器需要在芯片上貼一個(gè)紅外截止膜，甚至直接在硅片上鍍制圖形化的紅外截止膜。

該紅外光傳感器使用充電的熱電堆與溴碘化鉈(KRS-5)窗口來(lái)感應(yīng)580到40000nm的波長(zhǎng)。該傳感器使得學(xué)生可以自己測(cè)量一系列現(xiàn)象，包括自己手掌的紅外輻射。

1. 太陽(yáng)傳感器。它可識(shí)別水平，垂直各360度。太陽(yáng)所在的位置，識(shí)別，陰天，多云天，半陰天，晴天及晚上白天。跟蹤方位識(shí)別。

2. 識(shí)別電路處理和侍服驅(qū)動(dòng)。采用數(shù)字芯片完成以上各信息的處理。可侍服各種普通電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)。整機(jī)功耗電流3mA，芯片工作電壓5V。

國(guó)際先進(jìn)的太陽(yáng)跟蹤設(shè)備，采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要地球經(jīng)緯度地區(qū)的的數(shù)據(jù)和設(shè)定。

電路原理、設(shè)備技術(shù)復(fù)雜。智能太陽(yáng)跟蹤儀采用識(shí)別理論技術(shù)，電路簡(jiǎn)單元件少，沒有經(jīng)緯度和數(shù)據(jù)信息的理論。一年四季太陽(yáng)運(yùn)行的路線不用考慮。太陽(yáng)從哪個(gè)方向升起，到哪個(gè)方向落下，它都會(huì)準(zhǔn)確無(wú)誤的識(shí)別太陽(yáng)升起和落下的位置。如果把他安放在行走的車或船上，不論向何方行駛，跟蹤儀都能正對(duì)太陽(yáng)。

該紫外光傳感器使用一個(gè)過濾片測(cè)量紫外光波段(315nm-400nm)。除去濾光片，傳感器可同時(shí)感應(yīng)可見光。傳感器包括紫外光濾光片，一個(gè)瞄準(zhǔn)儀，和傳感器手柄。

環(huán)境光檢測(cè)

在車身電子應(yīng)用中，環(huán)境光傳感器用于調(diào)節(jié)儀表盤的背光強(qiáng)度，以及導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)、溫度控制及DVD屏幕中的LCD背光強(qiáng)度。這對(duì)于像BMW的iDrive及Prius的Multi-Info等顯示屏而言尤其重要。例如，當(dāng)日光變得昏暗并且漆黑一片時(shí)，儀表盤背光將進(jìn)行不同程度地調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳可見度，并降低可能對(duì)駕駛者造成的強(qiáng)光。使用這些傳感器可消除在白天打開車大燈時(shí)煩人的顯示屏自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)等程序，環(huán)境光傳感器的關(guān)鍵功能是利用380nm~780nm的敏感度可見波長(zhǎng)，復(fù)制了人眼的敏感度。

隧道檢測(cè)

隧道檢測(cè)需要兩個(gè)傳感器的輸入。第一個(gè)傳感器具有"向上看"的較寬視野，以及相對(duì)較長(zhǎng)的平均移動(dòng)時(shí)間段，長(zhǎng)時(shí)間段可防止車燈打開和關(guān)閉。第二個(gè)傳感器具有"向前看"的較窄視野，以及相對(duì)較短的平均移動(dòng)時(shí)間段。這可使隧道傳感器對(duì)突然的日光變化做出快速反應(yīng)，并打開車大燈，以及在進(jìn)入隧道時(shí)可調(diào)節(jié)顯示屏的背光亮度。前向傳感器消除了在進(jìn)入橋下或遮天蔽日的大樹下時(shí)打開及關(guān)閉車燈。在這些情況下，該傳感器仍將"看到"前方的光線。

當(dāng)進(jìn)入隧道時(shí)，隧道傳感器信號(hào)將下降，而寬視野傳感器的信號(hào)將仍保持高強(qiáng)度;車大燈將打開。當(dāng)出了隧道時(shí)，隧道傳感器信號(hào)將加強(qiáng)，而寬視野傳感器信號(hào)將下降;車大燈將關(guān)閉。憑借不同的平均移動(dòng)時(shí)間段，控制器可做出明確的區(qū)別。

為了提高工作環(huán)境的舒適性，照明控制系統(tǒng)采取光傳感器，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境的照度自動(dòng)控制照明設(shè)備，從而使照度控制在舒適的范圍內(nèi)。在傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)中，往往采用普通光傳感器結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)。由于光傳感器檢測(cè)到的光信號(hào)既包含可見光成分又有紅外光成分，濾除紅外光對(duì)光傳感器檢測(cè)結(jié)果。

1、光譜響應(yīng)/IR抑制:環(huán)境光傳感器應(yīng)該僅對(duì)400nm至700nm光譜的范圍有感應(yīng)。

2、最大勒克斯數(shù):大多數(shù)應(yīng)用為1萬(wàn)勒克斯。

3、光敏度:根據(jù)光傳感器的鏡片類別，光線通過鏡片后，光衰減可以再25%-50%之間。低光敏度非常關(guān)鍵(<5勒克斯)，必須選擇可以再找個(gè)范圍內(nèi)工作的光傳感器。

4、集成的信號(hào)調(diào)節(jié)功能(即放大器和ADC):一些傳感器可能提供非常小的封裝，但是卻需要一個(gè)外部放大器或無(wú)源元件來(lái)獲取所需的輸出信號(hào)。具有更高集成度的光傳感器省去了外部元件(ADC、放大器、電阻器、電容器等)，具有更多的優(yōu)勢(shì)。

5、功耗:對(duì)于要承受高勒克斯(>1萬(wàn)勒克斯)的光傳感器來(lái)說(shuō)，最好采用非線性模擬輸出或數(shù)字輸出。

6、封裝大小:對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，封裝都是越小越好?？商峁┑妮^小封裝尺寸約為2.0mm*2.1mm。而尺寸為1.3mm*1.5mm的4引腳封裝則是下一代封裝。

這種微型激光傳感器屬于一種回音廊式共振傳感器，由硅玻璃制造。工作原理就像英國(guó)圣保羅大教堂里著名的回音廊，一邊的人對(duì)著廊壁說(shuō)話，另一邊的人就能聽到。但與回音廊不同的是，這種傳感器共振的不是聲波而是光波。

激光器由底座支起一個(gè)"頻率衰減模"(環(huán)路中激光發(fā)射的模式或形狀)，兩束激光以相同頻率、相反方向圍繞環(huán)形光路傳播。模場(chǎng)中有一個(gè)"短暫尾跡"透過環(huán)表面，探測(cè)著周邊環(huán)繞的介質(zhì)。當(dāng)一個(gè)微粒落在激光環(huán)上，就會(huì)使一個(gè)光模中的能量分散到另一個(gè)光模中，從而使兩個(gè)光模的共振頻率略有不同，使光模發(fā)生分裂，一束激光就分裂為頻率不同的兩束，將它們導(dǎo)入光電探測(cè)器，會(huì)由于頻率的不同而產(chǎn)生一種"打擊頻率"，從而分別測(cè)得兩束激光的頻率。

"由于微型傳感激光器是用溶膠的方法在硅晶片生產(chǎn)，增益介質(zhì)很容易改變，所以能大量生產(chǎn)。"論文第一作者、華盛頓大學(xué)圣路易斯分校電學(xué)與系統(tǒng)工程系研究生何麗娜(音譯)說(shuō)，"人們可以選擇性地混合稀土離子，加入四乙氧基硅烷溶液、水或鹽酸，加熱它們直到變得黏稠，然后旋轉(zhuǎn)覆蓋在硅晶片上，退火后清除溶劑，就形成了完整的非結(jié)晶玻璃。再用蝕刻方法把薄薄的玻璃膜制成硅光盤，在下面用硅柱支撐。最后，通過激光退火處理，使粗糙的硅光盤變成光滑的環(huán)形共振腔。"

下表為不同天氣狀況下不同亮度、不同時(shí)間下陽(yáng)光傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)度，僅適用于陽(yáng)光傳感器露天放置。

當(dāng)陽(yáng)光傳感器上方有非透明方塊遮擋時(shí)，其發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)減弱。通過陽(yáng)光傳感器與非門的結(jié)合，此特性可用來(lái)制作路燈。

請(qǐng)注意雖然月光也有4的亮度，但只有陽(yáng)光才能對(duì)傳感器作用，所以事實(shí)上夜晚的輸出強(qiáng)度是能降到0的。

陽(yáng)光傳感器的輸出在時(shí)間從13680到22340時(shí)是沒有信號(hào)的。

由于漏洞，被覆蓋的傳感器在夜晚也有信號(hào)。下表對(duì)應(yīng)無(wú)法接收到陽(yáng)光的傳感器。天氣效果在夜晚對(duì)傳感器不起作用。