光電傳感器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

侯秀麗 姚小芳

摘 ? 要：光電傳感器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸式測(cè)量、響應(yīng)快、靈敏度高、可靠性好等突出優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用。本文在分析了不同光電效應(yīng)的光電傳感器基礎(chǔ)上，歸納了光電傳感器的四種應(yīng)用形式的區(qū)別與特點(diǎn)，指出其測(cè)量過(guò)程與典型應(yīng)用，并以光敏電阻在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中采集光照輸出電信號(hào)控制燈光為例，對(duì)光電傳感器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：光電傳感器 ?光電效應(yīng) ?光敏電阻 ?物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（b）-0125-02

Abstract： Photoelectric sensors have been widely used for outstanding advantages such as simple structure， non-contact measurement， fast response， high sensitivity and good reliability. Based on the analysis of photoelectric sensors with different photoelectric effects， this paper sums up the differences and characteristics of the four application forms of photoelectric sensors， points out measurement process and typical applications， and studies the application of photoelectric sensors in the Internet of Things system by taking the collection of illumination output electric signals by photoresistors to control lights as an example.

Key Words： Photoelectric sensor; Photoelectric effect;Photoresistor;Internet of Things

1 ?光電傳感器原理及分類(lèi)

光電傳感器作為非接觸式測(cè)量中應(yīng)用廣泛的一類(lèi)傳感器，其工作原理時(shí)是基于不同形式的光電效應(yīng)。根據(jù)光的波粒二象性，可認(rèn)為光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這種粒子稱(chēng)為光子。每個(gè)光子具有的能量為該光子頻率與普朗克常數(shù)的乘積，即E=hν。頻率不同，其光子能量就不同。頻率高的光子具有的能量大。當(dāng)物體接受光照時(shí)，構(gòu)成物體材料因吸收了入射光子能量，發(fā)生一系列電效應(yīng)（如導(dǎo)電性能變強(qiáng)、產(chǎn)生電勢(shì)差等），這就是光電效應(yīng)[1]。

具體來(lái)說(shuō)，光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）和光生伏特效應(yīng)3種形式。由于光電傳感器是以光電元件來(lái)完成各種被測(cè)量的檢測(cè)任務(wù)的，因此有時(shí)也用光電元件來(lái)表示光電傳感器。常用的光電元件有7種：光電管、光電倍增管、光電池、光敏二、三極管、光敏電阻和光可控硅（光敏晶閘管）。前兩種是基于光電子發(fā)射的外光電效應(yīng)，后四種是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，光電池（太陽(yáng)能電池）是基于光伏效應(yīng)。

2 ?光電傳感器的應(yīng)用形式與特點(diǎn)

2.1 四種典型應(yīng)用形式

典型的光電應(yīng)用系統(tǒng)包含光源、被測(cè)物體，光電元件等部分。按照被測(cè)物體、光源、光電元件三者之間的關(guān)系不同，如圖1所示，1為被測(cè)物體，2是光電元件，3是光源。通常有下面四種應(yīng)用形式。四種形式具體測(cè)量過(guò)程分析如下。

（1）發(fā)光式：被測(cè)物能發(fā)光，無(wú)需額外光源。被測(cè)物發(fā)出的光照到光電元件上，光電元件輸出可以反映某些物理參數(shù)，比如光照度表、高溫比色溫度計(jì)等運(yùn)用了這種原理。

（2）透射式：被測(cè)物體放置于光源和光電接收元件之間，其可以吸收一部分光通量，另外一部分透射出去，吸收情況取決于被測(cè)物某些參數(shù)。典型應(yīng)用有如渾濁度、透明度測(cè)量。

（3）反射式：光源和光電接收元件放置于被測(cè)物體兩側(cè)，被測(cè)物將光反射到接受元件上。反射光強(qiáng)弱取決于被測(cè)物表面性質(zhì)和形狀。典型應(yīng)用如紙張白度、表面粗糙度測(cè)量。

（4）遮蔽式：被測(cè)物體放置于光源和光電接收元件之間，被測(cè)物不透光，能遮住部分光通量，由于其尺寸位置不同，導(dǎo)致光電元件收到的光通量不同。測(cè)量工件速度、振動(dòng)等都是典型應(yīng)用。總之，光電傳感器是通過(guò)將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為輸出電信號(hào)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能的。

3 ?光電傳感器特點(diǎn)

光電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸檢測(cè)無(wú)損傷、測(cè)量精度高、分辨率高、可靠性好和響應(yīng)速度快，可以測(cè)量物體材質(zhì)、顏色等多方面信息。其對(duì)檢測(cè)物體的限制很少，幾乎可對(duì)任何材料物體進(jìn)行檢測(cè)，所以在自動(dòng)控制等領(lǐng)域應(yīng)用范圍很廣。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

（1）物聯(lián)網(wǎng)定義。

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“萬(wàn)物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，它是基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息載體，使普通物體能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[2]。

（2）物聯(lián)網(wǎng)層次架構(gòu)。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層作為物聯(lián)網(wǎng)的最底層，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，RFID技術(shù)、傳感和控制技術(shù)、短距離無(wú)線通信技術(shù)是感知層常用的主要技術(shù)。第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，其建立在現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上。網(wǎng)絡(luò)層中的感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，包括傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)、分析、挖掘、理解及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。最上層是應(yīng)用層，其通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、處理為用戶(hù)提供豐富的特定服務(wù)，如物流監(jiān)控、遠(yuǎn)程抄表、智能交通、高速公路不停車(chē)收費(fèi)（ETC）等。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的，軟件開(kāi)發(fā)、智能控制技術(shù)將為用戶(hù)提供各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

（3）傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的重要作用。

傳感器技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，負(fù)責(zé)底層-感知層的信息獲取。傳感器是人類(lèi)五官的延伸，可以看成是電五官[3]。若把人體五官比作物聯(lián)網(wǎng)的感知層，如眼睛能獲得視覺(jué)信息，鼻子感受氣味信息，嘴巴采集味道信息，耳朵收集聲音信息，皮膚感知觸覺(jué)信息。這些信息通過(guò)神經(jīng)元傳遞到大腦中樞。神經(jīng)傳輸通道就相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)層，其作用是把信息傳送到大腦-信息處理中心。大腦就相當(dāng)于應(yīng)用層，當(dāng)它接受到來(lái)自眼睛，鼻子、嘴巴、耳朵、皮膚等提供的信息后，融合得出一些有用結(jié)論，例如判斷此刻所處的位置，能夠得體演講、增加衣物等，感知層的不同類(lèi)別信息融合以后指導(dǎo)決策，產(chǎn)生巨大價(jià)值。因此，底層獲取信息能力如何及傳輸可靠與否等因素決定了物聯(lián)網(wǎng)上層的應(yīng)用領(lǐng)域與價(jià)值。

3.2 光電傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用——以光敏電阻為例

（1）光敏電阻的工作原理。

光敏電阻有很多優(yōu)點(diǎn)，如體積小巧、靈敏度高、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐振動(dòng)沖擊、光譜響應(yīng)范圍寬、抗過(guò)載能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等，盡管光電特性非線性、響應(yīng)不夠迅速，但在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中仍得到了廣泛應(yīng)用。下面就以基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)或智慧路燈系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度的采集為例，闡述其應(yīng)用。

光敏電阻英文為photoresistor，也叫光導(dǎo)管（photoconductor），是一種由金屬硫化物、硒化物等材料構(gòu)成的半導(dǎo)體光電器件，如圖2（a）所示，當(dāng)光照射到光敏電阻上，只要入射光能量大于材料禁帶寬度，構(gòu)成該光敏電阻的電子會(huì)吸收光子能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，使載流子數(shù)目增加，電導(dǎo)率增大，電阻值降低。光照越強(qiáng)，阻值越低。所以光敏電阻的阻值大小隨著入射光照強(qiáng)度變化而發(fā)生顯著變化。為了能吸收更多光能，光敏電阻常做成薄片狀，其外形如圖2（b）所示。

（2）光敏電阻的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

市場(chǎng)上常用的LXD/GB5-A1E型光敏電阻（深圳龍信達(dá)公司生產(chǎn)），價(jià)格低廉、體積小巧，由于內(nèi)置集成高增益的電流放大器，修正了光敏電阻本身光電特性的非線性，使其輸出的光電流隨光照變化成近似線性關(guān)系，亮電流40MA左右，光譜響應(yīng)范圍涵蓋可見(jiàn)光及近紅外區(qū)段，并對(duì)可見(jiàn)光反應(yīng)接近人眼，工作溫度范圍比較寬廣（-40～ ?-70℃），可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硫化鎘光敏電阻。在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電子眼、交通指示燈、感應(yīng)照明器具、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)中感知層可應(yīng)用它實(shí)現(xiàn)光照信息獲取，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳輸，最終到達(dá)應(yīng)用層，經(jīng)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的自動(dòng)控制、節(jié)能環(huán)保。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋雪臣.傳感器與檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2] https：//www.zhihu.com/question/31569893/answer/370377325.

[3] 侯秀麗，疏靖.紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用初探[J].價(jià)值工程，2011（12）：78-76.