光传感器简单原理

自60年代末开始，RC Lecraw提出有关磁光效应的研究报告后，引起大家的重视。日本，苏联等国家均开展了研究，国内也有学者进行探索。磁光效应的传感器具有优良的电绝缘性能和抗干扰、频响宽、响应快、安全防爆等特性，因此对一些特殊场合电磁参数的测量，有独特的功效，尤其在电力系统中高压大电流的测量方面、更显示它潜在的优势。同时通过开发处理系统的软件和硬件，也可以实现电焊机和机器人控制系统的自动实时测量。在磁光效应传感器的使用中，最重要的是选择磁光介质和激光器，不同的器件在灵敏度、工作范围方面都有不同的能力。随着近几十年来的高性能激光器和新型的磁光介质的出现，磁光效应传感器的性能越来越强，应用也越来越广泛。

磁光效应传感器做为一种特定用途的传感器，能够在特定的环境中发挥自己的功能，也是一种非常重要的工业传感器。在电子防盗探测器领域，被动红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。但随着入侵者的反侦测技术手段的提高，从而对探头的要求也越来越高，普通被动红外探头的局限性也越来越明显，这样，新一代的被动红外探头也应运而生。因为加拿大的PARADOX SUCURITY SYSTEMS LTD的枫叶牌探头采用了很多最新技术，使用也较为广泛。所以，下面就结合该产品的技术特性来阐述被动红外探头的最新技术。

1、反射式光传感器的工作原理及特性

反射式光传感器是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。探头收集外界的红外辐射通过聚集到红外感应源上面。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发生变化时就会向外释放电荷，检测处理后产生报警。

1) 这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10UM左右的红外辐射必须敏感。

2) 为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

3) 被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

4) 一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。

5) 多视场的获得，一是多法线小镜面组成的反光聚焦，聚光到传感器上称之为反射式光学系统。另一种是透射式光学系统，是多面组合一起的透镜--菲尼尔透镜聚焦在红外传感器上。

6) 这要指出的是被动红外的几束光表示有几个视场，并非被动红外发红外光，视场越多，控制越严密。

被动红外探头的优缺点:

优点:本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。 光传感器

价格低廉。

缺点:

◆容易受各种热源、光源干扰

◆被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。

◆易受射频辐射的干扰。

例如，在手机、笔记本等移动应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度，实现自动调节亮度。 环境光传感器需要在芯片上贴一个红外截止膜，甚至直接在硅片上镀制图形化的红外截止膜。

该红外光传感器使用充电的热电堆与溴碘化铊(KRS-5)窗口来感应580到40000nm的波长。该传感器使得学生可以自己测量一系列现象，包括自己手掌的红外辐射。

1. 太阳传感器。它可识别水平，垂直各360度。太阳所在的位置，识别，阴天，多云天，半阴天，晴天及晚上白天。跟踪方位识别。

2. 识别电路处理和侍服驱动。采用数字芯片完成以上各信息的处理。可侍服各种普通电机，步进电机。整机功耗电流3mA，芯片工作电压5V。

国际先进的太阳跟踪设备，采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定。

电路原理、设备技术复杂。智能太阳跟踪仪采用识别理论技术，电路简单元件少，没有经纬度和数据信息的理论。一年四季太阳运行的路线不用考虑。太阳从哪个方向升起，到哪个方向落下，它都会准确无误的识别太阳升起和落下的位置。如果把他安放在行走的车或船上，不论向何方行驶，跟踪仪都能正对太阳。

该紫外光传感器使用一个过滤片测量紫外光波段(315nm-400nm)。除去滤光片，传感器可同时感应可见光。传感器包括紫外光滤光片，一个瞄准仪，和传感器手柄。

磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。激光，是20世纪60年代初迅速发展起来的又一新技术，它的出现标志着人们掌握和利用光波进入了一个新的阶段。由于以往普通光源单色度低，故很多重要的应用受到限制，而激光的出现，使无线电技术和光学技术突飞猛进、相互渗透、相互补充。利用激光已经制成了许多传感器，解决了许多以前不能解决的技术难题，使它适用于煤矿、石油、天然气贮存等危险、易燃的场所。

比如说用激光制成的光导纤维传感器，能测量原油喷射、石油大罐龟裂的情况参数。在实测地点，不必电源供电，这对于安全防爆措施要求很严格的石油化工设备群尤为适用，也可用来在大型钢铁厂的某些环节实现光学方法的遥测化学技术。

磁光效应传感器的原理主要是利用光的偏振状态来实现传感器的功能。当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场，那么光通过偏振面将旋转一个角度，这就是磁光效应。也就是可以通过旋转的角度来测量外加的磁场。在特定的试验装置下，偏转的角度和输出的光强成正比，通过输出光照射激光二极管LD，就可以获得数字化的光强，用来测量特定的物理量。

暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化;

内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线;

内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好;可选 光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果;

符合欧盟RoHS指令，无铅、无镉

环境光检测

在车身电子应用中，环境光传感器用于调节仪表盘的背光强度，以及导航系统(GPS)、温度控制及DVD屏幕中的LCD背光强度。这对于像BMW的iDrive及Prius的Multi-Info等显示屏而言尤其重要。例如，当日光变得昏暗并且漆黑一片时，仪表盘背光将进行不同程度地调节，以达到最佳可见度，并降低可能对驾驶者造成的强光。使用这些传感器可消除在白天打开车大灯时烦人的显示屏自动亮度调节等程序，环境光传感器的关键功能是利用380nm~780nm的敏感度可见波长，复制了人眼的敏感度。

隧道检测

隧道检测需要两个传感器的输入。第一个传感器具有"向上看"的较宽视野，以及相对较长的平均移动时间段，长时间段可防止车灯打开和关闭。第二个传感器具有"向前看"的较窄视野，以及相对较短的平均移动时间段。这可使隧道传感器对突然的日光变化做出快速反应，并打开车大灯，以及在进入隧道时可调节显示屏的背光亮度。前向传感器消除了在进入桥下或遮天蔽日的大树下时打开及关闭车灯。在这些情况下，该传感器仍将"看到"前方的光线。

当进入隧道时，隧道传感器信号将下降，而宽视野传感器的信号将仍保持高强度;车大灯将打开。当出了隧道时，隧道传感器信号将加强，而宽视野传感器信号将下降;车大灯将关闭。凭借不同的平均移动时间段，控制器可做出明确的区别。

为了提高工作环境的舒适性，照明控制系统采取光传感器，根据当前环境的照度自动控制照明设备，从而使照度控制在舒适的范围内。在传统的照明控制系统中，往往采用普通光传感器结合A/D转换器(ADC)。由于光传感器检测到的光信号既包含可见光成分又有红外光成分，滤除红外光对光传感器检测结果。

1、光谱响应/IR抑制:环境光传感器应该仅对400nm至700nm光谱的范围有感应。

2、最大勒克斯数:大多数应用为1万勒克斯。

3、光敏度:根据光传感器的镜片类别，光线通过镜片后，光衰减可以再25%-50%之间。低光敏度非常关键(<5勒克斯)，必须选择可以再找个范围内工作的光传感器。

4、集成的信号调节功能(即放大器和ADC):一些传感器可能提供非常小的封装，但是却需要一个外部放大器或无源元件来获取所需的输出信号。具有更高集成度的光传感器省去了外部元件(ADC、放大器、电阻器、电容器等)，具有更多的优势。

5、功耗:对于要承受高勒克斯(>1万勒克斯)的光传感器来说，最好采用非线性模拟输出或数字输出。

6、封装大小:对于大多数应用来说，封装都是越小越好。可提供的较小封装尺寸约为2.0mm*2.1mm。而尺寸为1.3mm*1.5mm的4引脚封装则是下一代封装。

这种微型激光传感器属于一种回音廊式共振传感器，由硅玻璃制造。工作原理就像英国圣保罗大教堂里著名的回音廊，一边的人对着廊壁说话，另一边的人就能听到。但与回音廊不同的是，这种传感器共振的不是声波而是光波。

激光器由底座支起一个"频率衰减模"(环路中激光发射的模式或形状)，两束激光以相同频率、相反方向围绕环形光路传播。模场中有一个"短暂尾迹"透过环表面，探测着周边环绕的介质。当一个微粒落在激光环上，就会使一个光模中的能量分散到另一个光模中，从而使两个光模的共振频率略有不同，使光模发生分裂，一束激光就分裂为频率不同的两束，将它们导入光电探测器，会由于频率的不同而产生一种"打击频率"，从而分别测得两束激光的频率。

"由于微型传感激光器是用溶胶的方法在硅晶片生产，增益介质很容易改变，所以能大量生产。"论文第一作者、华盛顿大学圣路易斯分校电学与系统工程系研究生何丽娜(音译)说，"人们可以选择性地混合稀土离子，加入四乙氧基硅烷溶液、水或盐酸，加热它们直到变得黏稠，然后旋转覆盖在硅晶片上，退火后清除溶剂，就形成了完整的非结晶玻璃。再用蚀刻方法把薄薄的玻璃膜制成硅光盘，在下面用硅柱支撑。最后，通过激光退火处理，使粗糙的硅光盘变成光滑的环形共振腔。"

下表为不同天气状况下不同亮度、不同时间下阳光传感器的输出信号强度，仅适用于阳光传感器露天放置。

当阳光传感器上方有非透明方块遮挡时，其发出的信号强度会减弱。通过阳光传感器与非门的结合，此特性可用来制作路灯。

请注意虽然月光也有4的亮度，但只有阳光才能对传感器作用，所以事实上夜晚的输出强度是能降到0的。

阳光传感器的输出在时间从13680到22340时是没有信号的。

由于漏洞，被覆盖的传感器在夜晚也有信号。下表对应无法接收到阳光的传感器。天气效果在夜晚对传感器不起作用。