光电传感器设计

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1、3光电传感器设计3.1太阳位置光电传感器总体设计3.1.1传感器介绍国标GB7665-87中定义的传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置或器件，能够感受到被测量的信息，并能将其按一定规律变换成为电信号或者其他所需形式的信号进行输出，以能满足信息的传输、处理、存储、记录和控制等要求。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的种类很多，分类形式也不一样，通常按照外界信息及变换效应将传感器分为三大类：物理传感器、化学传感器、生物传感器。物理传感器是基于力、热、光、电、磁和声等物理效应，化学传感器是基于化学

2、反应的原理，生物传感器是基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。其核心元件基本可以分为热敏元件、光敏元件、力敏元件、气敏元件、磁敏元件、声敏元件、湿敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。3.1.2光敏元件选择光传感器是最常见的传感器之一，是以光电器件作为转换元件的传感器，可以直接检测光量的变化，也可以用来检测引起光量变化的其它非电量如零件直径、应变、位移、速度等。光传感器可以检测光的变化，作为探测元件组成其他传感器又可以对许多非电量进行检测，只需要将这些非电量变化转换为光信号的变化即可。光传感器的特点有非接触、响应快、性能可靠等。目前光传感器是使用最多、应用最广的传感器之一，它在自动

3、控制和检测技术中占有非常重要的地位。光传感器经常利用的效应是半导体的光导效应、光生伏特效应或者光电效应。光导效应的代表是光敏电阻，其电阻值受光照情况不同发生变化。光生伏特效应光照射下半导体的P-N结处产生电压或电流，这类元件有光敏二极管、光敏三极管等。光电效应指的是光照射情况下物质内电子获得能量进而飞离物质产生电流，这类元件有光电管、光电倍增管等。光敏电阻又称为光导管，是由半导体材料制成。常见的是硫化镉材料制成，也有硫化铝、硫化铅、硒化镉等材料制成的。光敏电阻可以在交、直流电压正式作，阻值在无光照时是兆欧级的，在有光照时变的很小，使得电路中的电流值变化，便可以计算出来光线强弱变化情况。光敏二极

4、管又称为光电二极管，它与一般的半导体二极管在结构上是类似的，具有P-N结结构又具有光电转化功能，故称为P-N结光电二极管。它的P-N结也是具有单向导电性，因此在电路中工作时一般加上反向电压。没有光照时反射电阻很大，电路中仅有很小的反向暗电流。当有光照时在反向电压的作用下，反向饱合漏电流增加形成光电流。光照越大，光电流就越大。光敏三极管是具有NPN或PNP结构的半导体管，与普通三极管在结构上类似。它的发射结与光敏二极管一样具有光敏特性。光照射在发射结上产生光电流，可以看为基极电流，则集电极的电流是光电流的倍。可以看到光敏三极管比光敏二极管有更高的灵敏度。电路中，光敏三极管的集电极接正电压，发射极

5、接负电压。光电池基于光生伏特效应，是一种直接将光能转换成电能的有源半导体器件。使用的较多的有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池、锗光电池等，其中硅光电池因为光电转换效率较高、寿命较长、成本较低等优点应用最为普遍。考虑到光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻均为“点光源”的光敏元件，选取硅光电池作为本课题设计的基本光敏元件。3.1.3太阳位置传感器光电跟踪方式中很重要的部件之一就是太阳位置光电传感器，其探测可靠性对系统跟踪准确性有决定性的影响，继而决定系统的发电效率。它对于整个跟踪系统来说相当于眼睛对于人类的作用，是不可忽视的。硅光电池的输出电流和接收光线总能量成线性关系，当光强增强时电池的输出电流会相

6、应增强。同一时刻光强变化不大时，光电池的输出就和其表面上接收到光照的绝对面积成线性关系。现在有的太阳位置传感器种类很多，但是根据其设计方式不同，大约分为三类(如图3.1)：隔板式、金字塔式、光筒式。隔板式(如图3.1a)是一种简单的太阳位置传感器，利用左右两边光敏元件感受到的光强不同来判断太阳的位置。当太阳位置在隔板的左侧时，右侧的光线受到遮挡，光敏元件感应信号低于左侧光敏元件，可以判断出来太阳的位置在左侧。光敏元件可以是点光源元件如便宜的光敏二极管、光敏三级管等，也可以是面光源元件如硅光电池。一般直接将两边输出端接到一个比较器的正负输入端，根据比较器输出值的符号就能判断出太阳位置，继而进行跟