光照传感器设计论文.doc

课程设计说明书题 目：光 照 度 传 感 器 院 （系）： 电子工程与自动化 专 业： 自动化 学生姓名： 项书肖 学 号： 1100810228 指导教师： 赵学军 姜辉 潘明 2013 年 9 月 20 日131.1 引言. 31.2 传感器的概述. 32.1 光照传感器计光敏元件. 42.1.1 光敏电阻. 42.1.2 工作原理. 42.1.3 光敏二极管. 52.1.4 工作原理. 52.1.5 光照传感器的工作原理. 63.1 光照传感器的设计. 63.11 设计方案一. 63.1.2 设计方案二. 83.1.3 方案比较. 94.1 系统组成及元器件选用. 94.2 参数计算. 105.1 调试与实现. 10总结与收获. 11谢辞. 12参考文献. 12附录. 12 摘 要光照是工业中非常关键的一项物理量，在农业，现代科学研究和各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。光照强度传感器是现代工业和日常生活中经常出现的一种基于光强变化的 检测器件，它可以检测出其接收到的光强的变化，主要使用各种光电元件来将光信号转换成电信号，再经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示光照度的数字信号，再交由微处理器或处理。光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 本设计利用传感器设计的基本方法，设计制作一个可以感知外界光照度变化的传感器，以实现对光照度信号的测量。关键词： 光照强度；传感器； 1.1引言人类处于信息时代，信息技术的三大支柱是测控技术、通信技术和计算机技术，而传感器技术是测控技术的基础。1.2 传感器的概述传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。这里所说的“可用输出信号”是指便于加工处理、便于传输利用的信号。现在电信号是最易于处理和便于传输的信号。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。2.1 光照传感器计光敏元件2.1.1光敏电阻 光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些材料在特定波长的光照射下，产生载流子参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。2.1.2工作原理光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。2.1.3光敏二极管1.光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增光敏二极管加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。常见的有2CU、2DU等系列。2.光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。3.基本特性:(1)光谱特性 (2)伏安特性(3)光照特性(4)温度特 5)频率响应性2.1.4工作原理光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。光敏二极管、光敏三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光敏二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光敏二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。光敏三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。光敏三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光敏二极管一样，光敏三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。2.1.5光照传感器的工作原理光照传感器是将光强这种难以表示的变化量转化为电信号，从而可以通过电信号的变化来表示光强的变化，并可以将这种变化信号应用于其他扩展电路中去。基本的光照传感器包含光敏元件，电源，放大电路。较复杂一点的传感器还包括调零电路，可变放大倍数的电路，及稳压电路。3.1 光照传感器的设计3.1.1设计方案一设计电路图如下：图1 设计方案（一）该方案采用电桥式平衡电路调零，差分比例放大，采用+7V电源供电，有两部分组成：第一部分是光敏电阻与滑动变阻器构成的电桥式平衡电路；第二部分是R1，R2，R3，R4及LM358N集成运放构成的差分比例放大电路。 其中所有固定电阻阻值为10K，滑动变阻器最大阻值1K。第一部分：光敏电阻与R5分压，得光敏电阻与R5间的电压U2，滑动变阻器的滑针将电阻上下两部分分成两个电阻分压，得滑针部分的电压U1。第二部分：R1,R2,R3,R4与LM358N构成差分比例放大电路，目的是将U1,U2用于放大电路的运算中，R1与R2为R，阻值相同，R3，R4为反馈电阻Rf，阻值相同，从而放大倍数为Rf/R，从数值上看放大倍数为1倍，输出电压Uo=(Rf/R)(U2-U1),当光照最强时，光敏电阻阻值趋近于0欧，此时U2电压值趋近于6.2V ,而U1为1.2V至1.3V，求得Uo为5.7V左右，当光照强度较低时，光敏电阻阻值非常大，U2趋近于0V，移动滑动变阻器的滑针，可改变U1的大小，当U1，U2的值相近或相等时，Uo接近于0V，此时光照传感器的输出电压范围为从0V到5.7V，符合本次设计的要求。3.1.2设计方案二方案二电路图如下：该方案采用高输入电阻的差分比例运算电路，同方案一，光敏电阻与R6分压，得光敏电阻与R6间的电压U2，滑动变阻器的滑针将电阻上下两部分分成两个电阻分压，得滑针部分的电压U1。第一级输出电压Uo1=Rf1/R7（Ui1），利用叠加原理Uo=-Rf2/R3+(1+Rf2/R3)Ui2,R7=R1,R3=R5,则Uo=（1+Rf2/R3）（Ui2-Ui1），当光照最弱时得下图当光强较强时得下图可得方案二的Uo输出范围从0V到5.7V 。3.1.3方案比较 两种设计方案都都选用了光敏电阻，都实现了将光信号转换为电信号。方案一设计电路较为简单，元器件使用较少，运放简单，运算公式简洁明了，元器件选择试用简单，从仿真获得的数据来看，从0V到5V对应的光强线性度较好，方案二试用元件较多，虽运用了与方案一相似的电路原理，但用了两个LM358运放，其误差及灵敏度难以控制在允许范围内，并且在仿真过程中，获得的数据变化并不大，相较而言，方案一是较为理想的选择。 4.1 系统组成及元器件选用系统组成4.2参数计算 因为使用+7V直流电源，光敏电阻实际阻值从接近0K到50K，所以选用10K固定电阻，可以使U2获得1.3V左右的电压，选用1K的滑动变阻器可以调节使U1得到将近1.3V的电压，从而实现调零，R1，R2，R3，R4选用10K可以起到很好的分压作用，并能保护电路，选用LM358集成运放，运放类型:低功率放大器数目:2带宽:1MHz针脚数:8工作温度范围:0C+70C-3dB带宽增益乘积:1MHz变化斜率:0.1V/s器件标号:358工作温度最低:0C工作温度最高:70C放大器类型:低功耗温度范围:商用电源电压最大:32V电源电压最小:3V表面安装器件:通孔安装输入偏移电压 最大:7mV运放特点:单电源供电额定电源电压:5V其参数也适合用于本电路。5.1 调试与实现仿真仿真软件：Proteus ISIS，DXP画图软件。调试仪器：直流电流电压输出电源，万用表。步骤：1 用Proteus ISIS仿真，完成基本的数据测试，确认数据的合理性；2 用DXP画原理图及PCB图；3 打印PCB图，制作电路板；4 焊接元器件；5 用电源和万用表测试电路板，看是否能达到期望效果。 总结与收获此次课程设计历时两个星期，前后共制作5块电路板，最终获得较为理想的数据，总体而言，此设计仍有很多不足，比如电路设计较为简单，可以改动的地方较少，不利于日后的升级和拓展，且该电路为固定放大倍数一倍，无法调整放大倍数，导致获得的输出电压局限于一丁范围内，如果能改进一下运放的电阻，改成由滑动变阻器组成的也许会比较好，也方便调节放大倍数。在这过程中我们经历了最初的茫然，动手时的畏难，过程中的困惑。不过好在在组长及各位成员的协作下，在老师的悉心指导下算是挺了过来，现在想想才明白古人那句话“世上无难事只怕有心人!”形容的多么贴切。同时正所谓“活到老学到老”，在此次课程设计中我们也充分认识到了自己所学知识的局限性和不足，也让我更有动力继续接下来的学习，努力设计出更好的电路！谢辞本次课程设计是在四位老师的悉心指导下完成的他们的严格要求促使我们在此次设计中尽心尽力，也正是因为他们对此次课程设计的严谨态度使我们深深收受益，从而真正的将理论知识运用到了实践中，也正是这次设计，让我感受到了团队合作的力量，大家齐心协力一起攻克设计过程中的种种困难，感谢老师给了我们这次机会，使我们的理论与实践结合的能力再次得到锻炼！老师们始终给予我们指引着方向，给我们孜孜不倦的解答着我