光电传感器在物联网系统中的应用研究
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摘 要：光电传感器以其结构简单、非接触式测量、响应快、灵敏度高、可靠性好等突出优点获得了广泛应用。本文在分析了不同光电效应的光电传感器基础上，归纳了光电传感器的四种应用形式的区别与特点，指出其测量过程与典型应用，并以光敏电阻在物联网系统中采集光照输出电信号控制灯光为例，对光电传感器在物联网系统中的应用进行了研究。
关键词：光电传感器 光电效应 光敏电阻 物联网
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：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 光電传感器原理及分类
光电传感器作为非接触式测量中应用广泛的一类传感器，其工作原理时是基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二象性，可认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为该光子频率与普朗克常数的乘积，即E=hν。频率不同，其光子能量就不同。频率高的光子具有的能量大。当物体接受光照时，构成物体材料因吸收了入射光子能量，发生一系列电效应（如导电性能变强、产生电势差等），这就是光电效应[1]。
具体来说，光电效应可分为外光电效应、内光电效应（光电导效应）和光生伏特效应3种形式。由于光电传感器是以光电元件来完成各种被测量的检测任务的，因此有时也用光电元件来表示光电传感器。常用的光电元件有7种：光电管、光电倍增管、光电池、光敏二、三极管、光敏电阻和光可控硅（光敏晶闸管）。前两种是基于光电子发射的外光电效应，后四种是基于光电导效应，光电池（太阳能电池）是基于光伏效应。
2 光电传感器的应用形式与特点
2.1 四种典型应用形式
典型的光电应用系统包含光源、被测物体，光电元件等部分。按照被测物体、光源、光电元件三者之间的关系不同，如图1所示，1为被测物体，2是光电元件，3是光源。通常有下面四种应用形式。四种形式具体测量过程分析如下。
（1）发光式：被测物能发光，无需额外光源。被测物发出的光照到光电元件上，光电元件输出可以反映某些物理参数，比如光照度表、高温比色温度计等运用了这种原理。
（2）透射式：被测物体放置于光源和光电接收元件之间，其可以吸收一部分光通量，另外一部分透射出去，吸收情况取决于被测物某些参数。典型应用有如浑浊度、透明度测量。
（3）反射式：光源和光电接收元件放置于被测物体两侧，被测物将光反射到接受元件上。反射光强弱取决于被测物表面性质和形状。典型应用如纸张白度、表面粗糙度测量。
（4）遮蔽式：被测物体放置于光源和光电接收元件之间，被测物不透光，能遮住部分光通量，由于其尺寸位置不同，导致光电元件收到的光通量不同。测量工件速度、振动等都是典型应用。总之，光电传感器是通过将光强变化转换为输出电信号变化来实现测量功能的。
3 光电传感器特点
光电传感器结构简单、非接触检测无损伤、测量精度高、分辨率高、可靠性好和响应速度快，可以测量物体材质、颜色等多方面信息。其对检测物体的限制很少，几乎可对任何材料物体进行检测，所以在自动控制等领域应用范围很广。
3.1 物联网概述
（1）物联网定义。
物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简言之，物联网就是“万物相连的互联网”，它是基于互联网、传统电信网等信息载体，使普通物体能实现互联互通的网络[2]。 （2）物联网层次架构。
物联网架构可分感知层、网络层、应用层。感知层作为物联网的最底层，是物联网发展和应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术是感知层常用的主要技术。第二层是数据传输的网络层，其建立在现有移动通信网和互联网基础上。网络层中的感知数据管理与处理技术是物联网的核心技术，包括传感网数据存储、查询、分析、挖掘、理解及基于感知数据决策和行为的理论和技术。最上层是应用层，其通过大数据分析、处理为用户提供丰富的特定服务，如物流监控、远程抄表、智能交通、高速公路不停车收费（ETC）等。应用层是物联网发展的目的，软件开发、智能控制技术将为用户提供各种物联网应用。
（3）传感器在物联网中的重要作用。
传感器技术作为物联网的关键技术之一，负责底层-感知层的信息获取。传感器是人类五官的延伸，可以看成是电五官[3]。若把人体五官比作物联网的感知层，如眼睛能获得视觉信息，鼻子感受气味信息，嘴巴采集味道信息，耳朵收集声音信息，皮肤感知触觉信息。这些信息通过神经元传递到大脑中枢。神经传输通道就相当于物联网中的网络层，其作用是把信息传送到大脑-信息处理中心。大脑就相当于应用层，当它接受到来自眼睛，鼻子、嘴巴、耳朵、皮肤等提供的信息后，融合得出一些有用结论，例如判断此刻所处的位置，能够得体演讲、增加衣物等，感知层的不同类别信息融合以后指导决策，产生巨大价值。因此，底层获取信息能力如何及传输可靠与否等因素决定了物联网上层的应用领域与价值。
3.2 光电传感器在物联网中的应用——以光敏电阻为例
（1）光敏电阻的工作原理。
光敏电阻有很多优点，如体积小巧、灵敏度高、重量轻、机械强度高、耐振动冲击、光谱响应范围宽、抗过载能力强、寿命长等，尽管光电特性非线性、响应不够迅速，但在物联网系统中仍得到了广泛应用。下面就以基于物聯网的智能家居系统或智慧路灯系统中实现对光照强度的采集为例，阐述其应用。
光敏电阻英文为photoresistor，也叫光导管（photoconductor），是一种由金属硫化物、硒化物等材料构成的半导体光电器件，如图2（a）所示，当光照射到光敏电阻上，只要入射光能量大于材料禁带宽度，构成该光敏电阻的电子会吸收光子能量，从价带跃迁到导带，使载流子数目增加，电导率增大，电阻值降低。光照越强，阻值越低。所以光敏电阻的阻值大小随着入射光照强度变化而发生显著变化。为了能吸收更多光能，光敏电阻常做成薄片状，其外形如图2（b）所示。
（2）光敏电阻的物联网系统中的应用。
市场上常用的LXD/GB5-A1E型光敏电阻（深圳龙信达公司生产），价格低廉、体积小巧，由于内置集成高增益的电流放大器，修正了光敏电阻本身光电特性的非线性，使其输出的光电流随光照变化成近似线性关系，亮电流40MA左右，光谱响应范围涵盖可见光及近红外区段，并对可见光反应接近人眼，工作温度范围比较宽广（-40～ -70℃），可代替传统的硫化镉光敏电阻。在手机、数码相机、电子眼、交通指示灯、感应照明器具、监控摄像机、工业控制等领域得到广泛应用。物联网家居系统中感知层可应用它实现光照信息获取，经过网络层传输，最终到达应用层，经处理实现对路灯的自动控制、节能环保。
参考文献
[1] 宋雪臣.传感器与检测技术应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.
[2] https：//www.zhihu.com/question/31569893/answer/370377325.
[3] 侯秀丽，疏靖.红外传感器在物联网中的应用初探[J].价值工程，2011（12）：78-76.
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