传感器课设论文.doc

目录目录第一章 绪论11.1理论基础光电效应11.2光电元件及特性2第二章 光电传感器简介32.1光电传感器简介32.2光电传感器原理4第三章 光电传感器的设计63.1光敏电阻传感器63.2光敏二极管63.3光电开关传感器83.4光电开关传感器原理83.5光敏三极管93.6热释电红外传感器103.6.1热释电红外传感器原理103.6.2设计步骤10第四章 总结12参考文献13第一章 绪论第一章 绪论在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。 由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。1.1理论基础光电效应光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应,光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h大于A。由于不同材料具有不同的逸出功，利用这种现象可以制成阴极射线管光电倍增管和摄像管的光阴极等，半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为式中c为光速A为逸出功。1.2光电元件及特性根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。1.光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能。2.光电管正常工作时，阳极电位高于阴极,在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电阴极K上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I。15第二章 光电传感器简介第二章 光电传感器简介2.1光电传感器简介光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图2-1所示，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.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。图2-1 光电传感器结构光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种：1.发光二极管 是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。2.丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰，光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路。3.由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅0.6V，还不能使下一级晶体管有较大的电流输出，故必须加正向偏压为了减小晶体管基极电路阻抗变化，尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压，可在光电池两端并联一个电阻。利用锗二极管产生的正向压降和光电池受到光照时产生的电压叠加，使硅管e、b极间电压大于0.7V，而导通工作。这种情况下也可以使用硅光电池组，半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度，当光照产生的光电流为时，输出电压为了保证光敏二极管处于反向偏置，在它的正极要加一个负电压，由于光电池的短路电流和光照成线性关系，因此将它接在运放的正、反相输入端之间，利用这两端电位差接近于零的 特点，可以得到较好的效果由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上，如测液体、气体透明度和混浊度的光电比色计等，所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上，如光电比色温度计和光照度计等;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关，如振动测量、工件尺寸测量，而在脉冲式光电传感器中在这种传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。2.2光电传感器原理光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（小于A），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。光电传感器应用 光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上，在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。第三章 光电传感器实验内容第三章 光电传感器的设计3.1光敏电阻传感器1.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。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，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。2.光敏电阻的伏安特性测量。图3-1 光敏电阻伏安特性测试电路3.按原理图3-1连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。4.通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，同时算出此时光敏电阻的阻值。以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行56次不同光强实验数据测量。3.2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，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。2.光敏二极管的伏安特性测量,如图3-2所示。图3-2 伏安特性电路3.实物图连接，如图3-3所示，用万用表测亮电压和暗电压，亮电阻和暗电阻，用亮电压比上亮电阻，得到亮电流，同理可以得到暗电流，最后计算可得到光电流的大小。图3-3 测亮暗电压3.3光电开关传感器光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点，而晶体管接近开关的作用距离短，不能直接检测非金属材料。但是，新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。3.4光电开关传感器原理由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管DU。并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区，同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区。3.5光敏三极管1.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。2.光敏三极管的伏安特性测量如图3-4所示图3-4三极管原理图3.实物图连接，将光电传感器模块和主机连接，启动模块上的电机，用万用表测输出端的电压。图3-5 实物连接3.6热释电红外传感器3.6.1热释电红外传感器原理热释电红外传感器是一种红外光传感器，属于热电型器件，当热电元件PZT 受到光照时能将光能转换为热能，受热的晶体两端产生数量相等符号相反的电荷，如果带上负载就会有电流流过，输出电压信号。实验所需部件：热释电红外传感器、菲涅耳透镜、温控电加热炉、温度传感器实验模块、电压表、示波器，如图3-6所示原理图。图3-6 原理图3.6.2设计步骤1.观察传感器探头，探头表面的滤光片使传感器对10m 左右的红外光敏感，安装在传感器前的菲涅耳透镜是一种特殊的透镜组，每个透镜单元都有一个不大的视场，相邻的两个透镜单元既不连续也不重叠，都相隔一个盲区，它的作用是将透镜前运动的发热体发出的红外光转变成一个又一个断续的红外信号，使传感器能正常工作。2.连接主机与实验模块电源线及传感器接口，转换电路输出端接电压表。3.开启主机电源，待传感器稳定后，人体从传感器探头前移过，观察输出信号电压变化，再用手放在探头前不动，输出信号不会变化，这说明热释电传感器的特点是只有当外界的幅射引起传感器本身的温度变化时才会输出电信号，即热释电红外传感器只对变化的温度信号敏感，这一特性就决定了它的应用范围。4.将传感器探头对准加热炉方向，开启加热炉并将温度控制在50左右，用遮挡物断续探头前面的热源，观察传感器的反应。5.在传感器探头前加装菲涅耳透镜，试验传感器的探测视场和距离，以验