传感器原理及应用论文解析

1、传感器与检测技术结业作业题 目：光电传感器的应用专 业：电气工程及其自动化姓 名：张治中班 级：k0313417学 号：k031341725日 期：2015.12.25摘要：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置叫做传感器，通常由敏感元件和转换元件组成。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由，以满足信息的传输、处 理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器一般由敏感 元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图见图1。陵恻量、喊感 盛、 转换 电量、? 元件7 元件 7 电踣力图。-1 传

2、感器细成福图新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信 息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与 手段。如今，传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说， 从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统， 几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。光电式传感器( photoelectric transducer ), 基于光电效 应的传感器，在受到可见光照射后即产生光电效，将光信号 转换成电信号输由。它除能测量光强之外，还能利用

3、光线的 透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、 速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。光. 芦g一学疆*卜一j光电加件 _一 电眸 丁出， r航海被漏关键词：光电传感器、光电效应、转速测量1设计目的转速测量是社会生产和日常生活中重要的测量和控制对象。近年来，由于世界范围内对转速测量合理利用的日益重视，促使转速测量技术的迅速发展，各种新型的测量仪表相继问世并越来越多地得到应用。进行转速测量的检测控制，可以使用多种传感器。由于技术保密，厂家不会提供详细电路图和源代码， 用户很 难自行进行二次开发和改进。针对这种现状，使用光电传感器结合stc公司的stc 89c51型单片

4、机设计的一种转速测量与控制系统。stc 89c51单片机采用了cmos：艺和高密度非易失性存储器技术， 而且其输入/输出引脚和指令系统都与 mcs-51兼容，是开发该系统的适合芯片。2系统组成及工作原理2.1 转速测量原理在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传 感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间为tc (min),计数器计取的脉冲个数m假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为n (r/min ),则f=pn/60hz;另在测量时间tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m®为m=tcf ,所以，当测得mfi时，就可算出实际转速值1:(1

5、)n=60m/ptc (r/min)2.2 转速测量系统组成框图系统由信号预处理电路、单片机 stc89c5幺系统化led显示模块、串口数 据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、 波形变换和波 形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的ttl信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器t0对输入脉冲进行计数，这样就能精确地算出 加到t0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中转速显示部分采用价格低廉 且使用方便的led模块，通过相关计算方法计算得到的转速通过 i2c总线放到 e2pro而储，既节省了

6、所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的 软件编程。系统的原理框图如图2.1所示。图2.1系统的原理框图光电转换及信号调理电路设计传感器将电机的转速信号转变成了电脉冲信号，该信号经过lm3241成运放整形驱动，送到单片机进行脉冲计数，从而测出电动机转速。光电转换部分与单片机的连接框图如图3.2所示led数码管数码显示译码器传感器计数脉冲*整形驱动lm324stc 89c51图3.2光电转换部分与单片机的连接框图lm324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所 示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3.3

7、所示的符号来表示，它有5个引出脚， 其中“+”、“-”为两个信号输入端，“v+”、“v-”为正、负电源端，“vo”为输 出端。两个信号输入端中，vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端 vo的信号 与该输入端的位相反；vi+ ( + )为同相输入端，表示运放输出端 vo的信号与该 输入端的相位相同。lm324的引脚排列见图3.4图3.3放大器图图3.4引脚图由于lm324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使 用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。本设计计划采用高性能集成四运放 lm324来进行光电信号调理电路设 计。电路采用两级放大电路对脉冲信号进行放大，防止信号脉冲

8、太小以至对实验结果不产生影响。止匕外，还设计了有源带通滤波器。为了达到预定效果，对系统运用 multisim 8进行模拟仿真，并利用模 拟仿真结果对有关元器件进行参数设定，以使电路满足要求。如图 3.5所示是 multisim进行电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果。图3.5电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果电源模块设计电源模块为系统板上其它模块提供+ 5v电源以及土 15v电源。电源的设计 有分立元件和集成稳压器几种方法，目前较常用的是用集成稳压器来设计稳压电 源。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式集成稳压器有lm317系列，它们的输出电压从1.25v 37伏可调

9、，负端则为lm337 等。最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。具芯片内有过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5a。系统需要设计两个电源，其中+5v电源采用7805,电路原理图如图3.12所 示。原理：9v的交流电压输入后经桥堆整流，通过 1000 pf的电解电容进行滤 波，再经过集成稳压器7805稳压，c17、c19等电容对其进行滤波后，最后输出+5v电压。供系统板上的其它模块使用图3.12 5v电源模块电路图±15v电源采用lm317与lm337设计，具典型电路如图 3.13。220v的交流 电压经变压器变为土 15v交流电压，再经桥堆整流器变为大小变化的直流电压。

10、 gg为滤波电容，滤除电压中的高频部分，使电压趋于稳定的直流电压。其中 lm317和lm33汴与成± 15v直流稳压电源的稳压部分，确保在其输出端的电压稳 定在1.25v左右。dd4对lm31刖lm337m有短路保护作用。通过对电位器r、 r的调节来获得所需的电压，即土 15v稳定的直流电压。图3.13 ±15v直流稳压电源程序模块设计软件部分由数据处理程序、按键程序设计、中断服务子程序、ledr示程序等几个部分组成。数据处理完成对各种测量数据的处理，如各种数据的计算、数据格式的转换按键程序包括按键防抖动处理、判键及修改项目等。按键流程图如图4.1所示。定时器1服务子程序设

11、计，流程图如图4.2所示。定时器1完成定时功能， 定时20ms并每隔20ms进行一次显示，每隔1秒读一次计数结果。单片机对在 1秒内计数的值进行处理，转换成每分钟的速度送显存以便显示。图4.1按键流程图图4.2定时器1服务子程序流程图制作调试及精度评价方法在硬件调试与制作方面，可从下面系列着手考虑。信号盘可用一般钢板制成，这个信号盘就是发动机实验时所用的转盘， 盘上 共有11个齿，每个大孔直径为6mm盘中心还有一个中心孔。中心孔主要用于在 固定发动机上。将信号盘与电机安装在一起，使其随电机转动；传感器固定在支 架上，垂直于转速盘，当转速盘旋转时，光电传感器就输出矩形脉冲信号，每 11 个脉冲对

12、应发动机1个工作循环，其中的2个宽脉冲信号配合上止点信号可精确确 定上止点的位置。此检测装置完全按照发动机上传感器的实际安装位置进行安装。如图5.1 ,将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。光电转速传感器 接有4根导线，其中黑线、黄线为电源输入线，红线为信号输出线，白线为共地 线。测量头由光电转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。 测量用器件封装后，固定装在贴近信号盘的位置，当信号盘转动时，光电元件即 可输出正负交替的周期性脉冲信号。 信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的 孔数。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低。此转速测量装置可以实现数字显

13、示，成为数字式转速表。图5.1转速测速示意图除了要考虑到硬件方面，对软件调试也不能忽视。程序应该模块化，便于修改。使用 ram或io,必须先定义再使用，避免直接引 用。将来需要调整时，只要修改定义部分就好了。写程序要有足够的注释、说明 文档、流程图、原理图。每次修改程序，应该同步更新相关的注释、说明文档、 流程图、原理图。免得下次再改时对不上号。系统评定设计已基本完成题目中的各项要求， 但是还是有一定的误差，其中电机转速 的测量与实际转速相差15转/分左右，经分析主要是由以下原因造成的：中断 处理的进入和中断处理程序都会有一定时间的延时，从而造成时间闸门的误差， 这是造成测量误差的一个主要因素

14、。另外，由于电机的转盘是采用塑料盘片磨制 而成，高速旋转时容易打飘不稳，导致获得的脉冲信号频率与实际转速有一定的 误差。系统关键零部件零部件89c51a/d转换芯片lcd显示屏rs232、光电传感器可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理（传感器工作的基本物理或化学效应）；它们的用途；它们的输生信号类型以及制作它们的材料和工艺等。按照其 用途，传感器可分类为：压力敏和力敏传感器、位置传感 器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感 器、射线辐射传感器、热敏传感器等；按照其原理，传感 器可分类为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气 敏传感器真空度传感器、生物传感器等。例如以下

15、几个：1）槽开光电开关把一个光发射器和一个接收器面对面 地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发生红外光或 可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体 从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输由一个开关 控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。 槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘 米。2）对射式光电开光若把发光器和收光器分离开，就可 使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开 关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。它的 检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分 别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收 光器就

16、动作输由一个开关控制信号。3）反光板反射式光电开关把发光器和收光器装入同一 个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光 电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开 关。正常情况下，发光器发生的光被反光板反射回来被收光 器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电 开关就动作，输由一个开关控制信号。4）扩散反射式光电开关它的检测头里也装有一个发光 器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发 由的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把 光部分反射回来，收光器就收到光信号，输由一个开关控制 信号。光纤式光电开关把发光器发生的光用光纤引导到检测点，再 把

17、检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光 电开关。按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射 式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。四.光电传感器的应用4.1 光电传感器的应用特点检测距离长。对检测物体的限制少。响应时间短。 分辨率高。能通过高级设计使投光光束集中在小光点，或通 过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微 小物体的检测和高精度的位置检测。可实现非接触的检 测。可无机械接触地检测物体，因此不会对检测物体和传感 器造成损伤。因此，传感器能长期使用。可实现颜色判别 通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性

18、质, 可对检测物体的颜色进行检测。便于调整。在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置 进行调整。4.2 光电传感器的应用实例4.3 . 1测量工件表面的缺陷用光电传感器测量工件表面缺陷的工作原理如图1所示，激光管1发生的光束经过透镜2和3变为平行光束，再由透镜 4把平行光束聚焦在工件7的表面上，形成宽约0.1mm的细 长光带。光栏5用于控制光通量。如果工件表面有缺陷（粗糙、裂纹等），则会引起光束偏转或散射，这些光被硅光电 池6接收，即可转换成电信号输生。4.2 . 2测量转速 如图2所示为用光电传感器测量转速的工作原理。在电动机 的旋转轴上 涂上黑白两种颜色，当电动机转动时，反射光 与不反射光交替由现，光电元件 1相应地间断 接收光的反射信号，并输由间断的电信号，再 经放大器及整形电路2放大整形输由方波信 号，最后由电子数字显示器输由电机的转速。4