光电传感器测 量系统的设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 光电传感器测量系统的设计 “MsoNormal” style=“ align=“center”检 测技术与应用课程设计报告 “MsoNormal” style=“ align=“center” 系别 自动化工程系 “MsoNormal” style=“班级 “MsoNormal” style=“姓名 “MsoNormal” style=“学号 “MsoNormal” style=“指导教师 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ “MsoNormal” style=“ align=“center”2011 年 1 月 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 光电传感器测量系统的设计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 “MsoNormal” style=“ align=“left”一、 设计目的 “MsoNormal” style=“1、了解光电 式传感技术的基本原理，掌握光敏二极 管、光敏三极管、光敏电阻、光电池传 感器等的结构、原理、特性及使用注意 事项。掌握光电效应的概念。 “MsoNormal” style=“2、了解各种 光电元件的性能参数指标及一些其他特 性。 “MsoNormal” style=“3、掌握数字 光照度计的使用方法。 “MsoNormal” style=“4、了解典型 传感器的技术指标，重点掌握传感器的 设计要求。 “MsoNormal” style=“5、掌握正确 调试电路的方法。 “MsoNormal” style=“6、掌握常用 仪器设备的正确使用方法，利用开放式 传感器实验箱更具体的了解光电传感器 的工作原理和应用，学会简单传感器控 制电路的实验调试和整机指标测试方法， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 提高动手能力。 “MsoNormal” style=“7、掌握基本 的传感器设计方法，进一步了解常规敏 感元器件的工作原理和特性， “MsoNormal” style=“二、设计任务 及要求 “MsoNormalIndent” style=“1. 测 量光照强度与电压的关系并作出正确的 曲线及图表。 “MsoNormalIndent” style=“2. 根 据所提供的设备，正确选择传感器、相 关元件。 “MsoNormalIndent” style=“计算机、 LabVIEW 虚拟仪器软件和 DRLAB 快速 可重组综合实验台为必选设备； “MsoNormalIndent” style=“传感器 的范围已经给定，选择正确传感器并写 出选择依据、其他元件可根据自己需求 自行选择； “MsoNormalIndent” style=“尽量写 出其他可以实现测量目的的其他相关传 感器。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 “MsoNormalIndent” style=“3. 论 述基本原理，并画出相关电路图。 “MsoNormalIndent” style=“论述本 次设计中所设计到的所有相关知识概念 及原理； “MsoNormalIndent” style=“电路图 参考教材电路自己设计。 “MsoNormalIndent” style=“4. 按 照电路原理图在开放式传感器实验箱中 搭建电路。 “MsoNormalIndent” style=“在调试 电路时注意各元件的性能参数指标，避 免损坏。 “MsoNormalIndent” style=“光电传 感器在不同的光强不同的温度下所对应 的电阻值均不相同，不同的环境下所得 到的结果差别较大，但对结果进行分析 得出的特性与光电传感器特性相一致， 因所处环境的差别本结果仅作为参考。 “MsoNormalIndent” style=“硬件调 试中注意将光电传感器靠近光源，将光 照度计靠近光电传感器，操作的正确性 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 可以有效减小误差。 “MsoNormalIndent” style=“注意遮 蔽周围环境的强光，特别是在日光灯下 进行操作时要小心谨慎。 “MsoNormalIndent” style=“5. 参 考已完成的脚本，使用 LabVIEW 来设 计光电传感器虚拟仪器，包括前后面板。 “MsoNormalIndent” style=“脚本中 的控件自己任意选择。脚本中应注出自 己与合作者的姓名、班级等信息。 “MsoNormalIndent” style=“6. 软 硬件结合验证，并调试，直到测试正确。 “MsoNormalIndent” style=“给出测 量的结果和分析，包括数据数据表格和 曲线关系等。 “MsoNormal” style=“三、选择的仪 器和设备 “MsoNormalIndent” style=“1. 计 算机 。 “MsoNormal” style=“ align=“left”2. -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 LabVIEW 虚拟仪器软件 ，使用的是 LabVIEW 8.2.1。 “MsoNormal” style=“ align=“left”LabVIEW 虚拟仪器软件： 它是一种图形化的编程语言，它广泛地 被工业界、学术界和研究实验室所接受， 视为一个标准的数据采集和仪器控制软 件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的 硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它 还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等 软件标准的库函数。这是一个功能强大 且灵活的软件。利用它可以方便地建立 自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得 编程及使用过程都生动有趣。LabVIEW 是 NI 推出的虚拟仪器开发平台软件， 它们能够以其直观简便的编程方式、众 多的源码级的设备驱动程序、多种多样 的分析和表达功能支持，为用户快捷地 构筑自己在实际生产中所需要的仪器系 统创造了基础条件。LabVIEW 应用程 序，即虚拟仪器，它包括前面板、流程 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 图以及图标/连结器三部分。LabVIEW 程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和 功能类似于实际的仪器；但 LabVIEW 程序很容易改变设置和功能。因此， LabVIEW 特别适用于实验室、多品种 小批量的生产线等需要经常改变仪器和 设备的参数和功能的场合，及对信号进 行分析研究、传输等场合。 “MsoNormalIndent” style=“3. DRLAB 快速可重组综合实验台。 “MsoNormalIndent” style=“4. 开 放式传感器实验箱。采用开放式系统结 构。 “MsoNormalIndent” style=“5. 光 敏三极管。 “MsoNormalIndent” style=“光敏三 极管又称为光电三极管、光电晶体管， 其结构与普通三极管相似，都具有电流 放大作用，只是基极电流不仅受基极电 压控制，还受光照的控制。光敏三极管 工作时各极所加电压与普通三极管相同， 集电结反向偏置，发射结正向偏置，及 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 集电极接正电压，其发射极接负电压。 光照射发射结产生的光电流，相当于基 极电流，因此集电极电流是光电流的 倍。当光照射时，在集电结附近产生光 生电子空穴对，载流子在内建电场 作用下，电子流向集电极，空穴流向基 极，相当于外界向基极注入了控制电流。 而基极、集电极、发射极又构成一个具 有放大作用的三极管，完成光电流的放 大。光敏三极管的基本特性包括光谱特 性、伏安特性、光照特性、温度特性和 响应特性等。光谱特性是指在入射光照 度一定时，输出的光电流随光波波长的 变化而变化；伏安特性显示出光敏管的 光电效应性质，因为在无偏压时，光敏 三极管仍有光电流输出，它在不同照度 下的输出特性和普通三极管在不同基极 电流时的输出特性一样；光照特性显示 了光敏三极管的光电流与照度的关系； 温度特性对其输出电流影响较小，但对 暗电流影响却十分明显；响应速度比光 敏二极管慢得多。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 “MsoNormalIndent” style=“6. 电阻、光源、跳线等。 “MsoNormalIndent” style=“ “MsoNormalIndent” style=“ “MsoNormalIndent” style=“ “MsoNormalIndent” style=“ “MsoNormalIndent” style=“ “MsoNormalIndent” style=“ “MsoNormalIndent” style=“四、总 体设计 “MsoNormal” style=“设计方案 “MsoNormal” style=“1. 传感 器的选择：光敏三极管，如图 1-1、1- 2、1-3 所示。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-1 光敏三极管 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“图 1-2 光敏三 极管简单等效电路图 图 1-3 光敏三极管电路图 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 “MsoNormal” style=“ “MsoNormal” style=“光敏三极管是 光电转化半导体器件，具有 NPN 或 PNP 结构的半导体管。为适应光电转换 的要求，它的基区面积做得较大，发射 区面积做的较小，入射光主要被基区吸 收。和光敏二极管一样，管子的芯片被 装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照 射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。 它的发射结与光敏二极管一样具有光敏 特性。它的集电结与普通晶体管一样， 可以获得电流增益。光照射发射结产生 的光电流相当于基极电流，因此集电极 电流是光电流的 倍，所以光敏三极管 比光敏二极管有更高的灵敏度，但噪声 也比光敏二极管大。在结构上，为了保 证入射光可靠地作用于发射结，基区面 积做得较大，发射区面积做的较小。将 光敏三极管接在电路中时，它的集电极 接正电压，发射机接负电压。光敏三极 管与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高 频性能好、可靠性好、体积小、使用方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 便等优点。 “MsoNormal” style=“2. 硬件实 现：光敏三极管有一个对光敏感的 PN 结作为感光面，一般用集电结作为受光 结，因此通过给光敏三极管不同的光照 强度体现出其和电压的关系。 “MsoNormal” style=“3. 软件实 现：应用 LabVIEW 编写实验脚本。 “MsoNormal” style=“4. 设计整 体验证：通过新编写的软件与硬件及电 路元件等相结合，测试验证是否可运行、 是否出正确的波形、正确显示光照强度 和电压的关系。 “MsoNormal” style=“基本原理 “MsoNormal” style=“光敏三极管的 等效电路如图 1-4，当有光照射到基区 时，激发产生的电子-空穴对增加了少 数载流子的浓度，使集电结反向饱和电 流大大增加，这就是光敏三极管集电结 的光生电流。该电流注入发射结进行放 大，成为光敏三极管集电极与发射极间 电流，它就是光敏三极管的光电流。光 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 敏三极管使用时，其基极通常开路，基 极集电极产生的光感生电流直接馈入 基极，并被三极管放大，因此光敏三极 管比光敏二极管具有更高的灵敏度。一 般光敏三极管只引出 E、C 俩个电极， 其光电特性是非线性的，广泛应用于光 电自动控制领域。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-4 光敏三极管等效电路图 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“left”五、 具体步骤 “MsoNormal” style=“硬件实现步骤 “MsoNormal” style=“1、准备相应 的硬件设备，包括传感器和其它元器件。 “MsoNormal” style=“在实验电路板 上搭建好电路，按图 1-5 的电路图，并 仔细检查接线；可参考接线图 1-6； “MsoNormal” style=“ align=“left”在 硬件实现过程中，需要注意如下：实验 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 时连接电路前必须正确辨认出三极管的 三个引脚，光敏三极管如果引脚连接错 误极易烧坏。实验中注意遮蔽周围坏境 的强光，特别是在日光灯下进行实验时 要小心谨慎。 “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-5 光敏三极管的光测量实验原理 图 “MsoNormal” style=“ “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-6 电路连接图 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“软件实现步骤 “MsoBodyTextIndent” style=“1、在 桌面上运行 LabVIEW 主程序图标,或在 “开始”程序中运行快捷方式进入 LabVIEW 工作平面， 如图 1-7 所示。 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” 图 1-7 LabVIEW -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 工作平面 “MsoBodyTextIndent” style=“ “MsoBodyTextIndent” style=“2、点 击选项，或者点击文件*VI，如图 1-8 所示。 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-8 *VI “MsoBodyTextIndent” style=“3、弹 出前面板和程序框图，如图 1-9、1-10 所示. “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-9 前面板 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-10 程序框图 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 “MsoBodyTextIndent” style=“4、在 设计虚拟仪器界面前，需要对所设计的 系统有完整的了解，知道其需要用到的 VI，针对此个光敏三极管测电压系统的 设计， ，需要两个数值输入控件分别控 制采集芯片的采样频率和采样长度，需 要一个数值显示控件显示测出的电压值， 需要一个布尔开关来控制界面脚本的运 行与停止，需要一个波形图显示控件来 实时显示信号波形，最后需要找个一个 *运行；找到需要的所有控件，并将其 置于前面板上，右键点击前面板弹出控 件选板，点击数值控件-点击数值输入 控件，如图 1-11 所示。 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-11 选择数值输入控 件 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“5、选 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 择数值输入控件后，界面如图 1-12。 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-12 添加有数值输入 控件的界面 “MsoBodyTextIndent” style=“6、如 步骤 5 所示再次添加一个数值输入控件， 如图 1-13 所示。 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-13 再次添加有数值 输入控件的界面 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ 这俩个数值输入控件用于表示此程序中 规定的数值，是固定值。 “MsoNormal” style=“7、将这两个 数值输入控件的标签分别改成其对应控 制的内容，以方便系统设计和原理程序 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 框图的连接，双击“ 数值”和“数值 2”， 分别将其更改为“ 采样频率 ”和“采样长 度”，如图 1-14 所示。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-14 更改标签后的界面 “MsoNormal” style=“ align=“left” 8、右键点击前面板弹出控制面板，点 击数值控件中的数值显示控件，同上几 步添加控件，如图 1-15，并将标签更改 为电压值。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-15 添加数值显示控件后的界面 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“left” 该数值显示控件用于显示当前状态下所 需要的值，是测量值。 “MsoNormal” style=“ align=“left” 9、右键点击前面板弹出控件选板，点 击布尔控件，点击开关按钮，如图 1- 16 所示。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-16 点击布尔控件 “MsoNormal” style=“10、选择开关 按钮后，将其置于合适的位置，如图 1- 17 所示。 “MsoNormal” style=“ “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-17 选择开关按钮 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“left” 开关按钮用于控制程序。开是程序运行， 关时程序停止。 “MsoNormal” style=“ align=“left” 11、右键点击前面板弹出控件选板，点 击图形控件- 点击波形图，如图 1-18 所 示。 “MsoBodyTextIndent” style=“ “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-18 所示 波形图选 择 “MsoNormal” style=“12、选择波形 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 19 图后，将其置于合适的位置，如图 1-19 所示。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-19 添加波形图控件 后的界面 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ 波形图控件用于显示程序运行状态下当 前波形的显示。 “MsoBodyTextIndent” style=“13、 修改波形图控件的名字及属性等，如图 1-20 所示。 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-20 修改属性等后的 界面 “MsoBodyTextIndent” style=“14、 右键点击前面板弹出控制面板，点击数 组、矩阵中的数组，如图 1-21。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 20 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-21 选择数组控件 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“15、 选择数组控件放在合适的位置,修改属性 后界面如图 1-22 所示； “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-22 所示 添加数组 控件后的界面 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ 数组控件用于存放程序中的*。 “MsoBodyTextIndent” style=“16、 在数组控件上添加一个开关，起到*选 择的作用，在本实验中我们采用 3*信 号采集，如图 1-23 所示。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 21 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-23 添加*后的界面 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ 添加一个开关后。整个可用于*选择。 如多个*需在运行时打开*。 “MsoBodyTextIndent” style=“17、 最后整理初步完成的前面板，发现可以 让这个程序测量更多值，所以再在前面 板上添加一个数值控件中的时间标识显 示，选择数值控件中的时间标识显示控 件，如图 1-24 所示 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-24 选择时间标识显 示 “MsoBodyTextIndent” style=“18、 将时间标识显示控件放置在前面板上， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 22 如图 1-25 所示 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-25 放置时间标识显 示控件 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ 该时间标识显示控件用于显示当前时间， 和表功能一样。 “MsoBodyTextIndent” style=“19、 在前面板再添加一个指示灯，如图 1-26 所示 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-26 选择指示灯控件 “MsoBodyTextIndent” style=“20、 将指示灯放置在前面板，初步完成前面 板，如图 1-27 所示 “MsoBodyTextIndent” style=“ -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 23 align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center”图 1-27 初步完成的前面 板 “MsoBodyTextIndent” style=“ align=“center” “MsoBodyTextIndent” style=“ 该指示灯用于显示当前运行情况，若运 行则亮显示开，若关断则不亮显示关。 “MsoNormal” style=“ align=“left” 21、在前面板上按住 CTRL+E 或者点击 窗口-选择显示程序框图激活程序框图 界面， 如图 1-28 所示 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-28 程序框图界面 “MsoNormal” style=“ align=“left” 22、右击程序框图界面弹出函数选板， 点击选择 VI,如图 1-29 所示。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-29 函数选板 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 24 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“23、选择下拉 菜单中，选择 VI 选项，如图 1-30 所 示。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-30 选择子 VI “MsoNormal” style=“ align=“left” 24、在对话框中选择 “getUSBAdwave111”，如图 1-31 所示。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-31 选择虚拟采集芯片 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“25、点击确定， 将虚拟采集芯片放置到程序框图上，如 图 1-32 所示。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-32 放置虚拟采集芯片 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“left” -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 25 虚拟采集芯片用于和其他器件相连，包 括*、采样频率、采样长度和返回值等。 “MsoNormal” style=“ align=“left” 26、右击程序框图界面弹出函数选板， 点击 express-信息分析中的统计选项， 并将该器件放置于程序框图中，如图 1-33 所示。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” 图 1-33 放置统计控件 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“left” 该统计控件用于返回波形中第一个信号 的选中参数。 “MsoNormal” style=“ align=“left” 27、右击程序框图界面弹出函数选板， 点击 express-信号操作的选择信号，并 将该器件放置于程序框图中，如图 1- 34 所示。 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“center” -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 26 图 1-34 放置选择信号控件 “MsoNormal” style=“ align=“center” “MsoNormal” style=“ align=“left” 选择信号用于接受多个信号作为输入， 只返回用户选中的信号。用户可指定输 出中包含的信号，也可改变输入信号的 顺序。 “MsoNormal” style=“ align=“left” 28、右击程序框图界面弹出函数选板， 点击 express-信号操作的合并信号，并 将该器件放置于程序框图中，如图 1- 3