光電傳感器在物聯網系統中的應用研究

侯秀麗 姚小芳

摘 ? 要：光電傳感器以其結構簡單、非接觸式測量、響應快、靈敏度高、可靠性好等突出優點獲得了廣泛應用。本文在分析了不同光電效應的光電傳感器基礎上，歸納了光電傳感器的四種應用形式的區別與特點，指出其測量過程與典型應用，并以光敏電阻在物聯網系統中采集光照輸出電信號控制燈光為例，對光電傳感器在物聯網系統中的應用進行了研究。

關鍵詞：光電傳感器 ?光電效應 ?光敏電阻 ?物聯網

中圖分類號：TN929.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

光電傳感器作為非接觸式測量中應用廣泛的一類傳感器，其工作原理時是基于不同形式的光電效應。根據光的波粒二象性，可認為光是一種以光速運動的粒子流，這種粒子稱為光子。每個光子具有的能量為該光子頻率與普朗克常數的乘積，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。當物體接受光照時，構成物體材料因吸收了入射光子能量，發生一系列電效應（如導電性能變強、產生電勢差等），這就是光電效應[1]。

具體來說，光電效應可分為外光電效應、內光電效應（光電導效應）和光生伏特效應3種形式。由于光電傳感器是以光電元件來完成各種被測量的檢測任務的，因此有時也用光電元件來表示光電傳感器。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射的外光電效應，后四種是基于光電導效應，光電池（太陽能電池）是基于光伏效應。

2 ?光電傳感器的應用形式與特點

2.1 四種典型應用形式

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

（1）發光式：被測物能發光，無需額外光源。被測物發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，比如光照度表、高溫比色溫度計等運用了這種原理。

（2）透射式：被測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物某些參數。典型應用有如渾濁度、透明度測量。

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

（4）遮蔽式：被測物體放置于光源和光電接收元件之間，被測物不透光，能遮住部分光通量，由于其尺寸位置不同，導致光電元件收到的光通量不同。測量工件速度、振動等都是典型應用?？傊?，光電傳感器是通過將光強變化轉換為輸出電信號變化來實現測量功能的。

3 ?光電傳感器特點

光電傳感器結構簡單、非接觸檢測無損傷、測量精度高、分辨率高、可靠性好和響應速度快，可以測量物體材質、顏色等多方面信息。其對檢測物體的限制很少，幾乎可對任何材料物體進行檢測，所以在自動控制等領域應用范圍很廣。

3.1 物聯網概述

（1）物聯網定義。

物聯網是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。簡言之，物聯網就是“萬物相連的互聯網”，它是基于互聯網、傳統電信網等信息載體，使普通物體能實現互聯互通的網絡[2]。

（2）物聯網層次架構。

物聯網架構可分感知層、網絡層、應用層。感知層作為物聯網的最底層，是物聯網發展和應用的基礎，RFID技術、傳感和控制技術、短距離無線通信技術是感知層常用的主要技術。第二層是數據傳輸的網絡層，其建立在現有移動通信網和互聯網基礎上。網絡層中的感知數據管理與處理技術是物聯網的核心技術，包括傳感網數據存儲、查詢、分析、挖掘、理解及基于感知數據決策和行為的理論和技術。最上層是應用層，其通過大數據分析、處理為用戶提供豐富的特定服務，如物流監控、遠程抄表、智能交通、高速公路不停車收費（ETC）等。應用層是物聯網發展的目的，軟件開發、智能控制技術將為用戶提供各種物聯網應用。

（3）傳感器在物聯網中的重要作用。

傳感器技術作為物聯網的關鍵技術之一，負責底層-感知層的信息獲取。傳感器是人類五官的延伸，可以看成是電五官[3]。若把人體五官比作物聯網的感知層，如眼睛能獲得視覺信息，鼻子感受氣味信息，嘴巴采集味道信息，耳朵收集聲音信息，皮膚感知觸覺信息。這些信息通過神經元傳遞到大腦中樞。神經傳輸通道就相當于物聯網中的網絡層，其作用是把信息傳送到大腦-信息處理中心。大腦就相當于應用層，當它接受到來自眼睛，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，感知層的不同類別信息融合以后指導決策，產生巨大價值。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網上層的應用領域與價值。

3.2 光電傳感器在物聯網中的應用——以光敏電阻為例

（1）光敏電阻的工作原理。

光敏電阻有很多優點，如體積小巧、靈敏度高、重量輕、機械強度高、耐振動沖擊、光譜響應范圍寬、抗過載能力強、壽命長等，盡管光電特性非線性、響應不夠迅速，但在物聯網系統中仍得到了廣泛應用。下面就以基于物聯網的智能家居系統或智慧路燈系統中實現對光照強度的采集為例，闡述其應用。

光敏電阻英文為photoresistor，也叫光導管（photoconductor），是一種由金屬硫化物、硒化物等材料構成的半導體光電器件，如圖2（a）所示，當光照射到光敏電阻上，只要入射光能量大于材料禁帶寬度，構成該光敏電阻的電子會吸收光子能量，從價帶躍遷到導帶，使載流子數目增加，電導率增大，電阻值降低。光照越強，阻值越低。所以光敏電阻的阻值大小隨著入射光照強度變化而發生顯著變化。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）光敏電阻的物聯網系統中的應用。

市場上常用的LXD/GB5-A1E型光敏電阻（深圳龍信達公司生產），價格低廉、體積小巧，由于內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系，亮電流40MA左右，光譜響應范圍涵蓋可見光及近紅外區段，并對可見光反應接近人眼，工作溫度范圍比較寬廣（-40～ ?-70℃），可代替傳統的硫化鎘光敏電阻。在手機、數碼相機、電子眼、交通指示燈、感應照明器具、監控攝像機、工業控制等領域得到廣泛應用。物聯網家居系統中感知層可應用它實現光照信息獲取，經過網絡層傳輸，最終到達應用層，經處理實現對路燈的自動控制、節能環保。

參考文獻

[1] 宋雪臣.傳感器與檢測技術應用[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.紅外傳感器在物聯網中的應用初探[J].價值工程，2011（12）：78-76.