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Project3 光电传感器应用及发展


HEFEI UNIVERSITY

自动检测技术
Project3---光电传感器的应用及发展

系 专 班 姓 完成

别 业 级 名 时间

电子信息与电气工程系 自动化 09 自动化 1 班 王 杰、王 典、方来红 2011 年 12 月 1 日

光电传感器的应用及发展
电 子 信 息 与 电 气 工 程 系 09 自 动 化 1 班 王 杰 ( 0905072038 ) 王 典 、 、 (0905072002)方来红(0905072025) 摘要: 传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础, 传感器技术是实现测试与 自动控制的重要环节,而测试技术与自动控制水平的高低,是衡量一个国家科学 技术现代化程度的重要标志。本文列举了光电传感器技术的基本原理及分类、应 用和发展趋势。 关键词:光电传感器 引言: 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器,通常由光源、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。 正文: 基本原理 应用 发展趋势

1. 光电传感器的基本原理及分类
1.1 光电传感器的基本原理
光电传感器的工作原理是:首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后 通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应,光电效应 可分为三类:外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。原理框图见图 1。

图 1.光电传感器原理图

1.2 光电传感器的分类
光电元件有光敏电阻、光敏晶体(光电二极管、光电三极管) 、发光二极管 (LED) 、光电倍增管、光电池、光电耦合器件等;按照光电传感器中光电元件输 出电信号的形式可以将光电传感器分为模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电 传感器两大类。

2. 光电传感器的应用
2.1 光电传感器的应用行业
在信息时代里,随着各种系统的自动化程度和复杂性的增加,需要获取的信 息量越来越多, 传感器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、甚至文物保护等等及其广泛的领域。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。

2.2 光电传感器在具体工程中的应用
2.2.1 烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染,首先要 知道烟尘排放量,因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的 烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。 如果烟道浊度增 加,光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加,到达光检测器的光减少,因而 光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。 2.2.2 感烟传感器( 火灾报警器的一部分) 由红外发光二极管及光电三极管组成,但二者不在同一平面上( 有一定角 度). 在无烟状态时,光电三极管接收不到红外线;当发生火灾时,产生大量烟 雾,烟雾粒子进入感烟传感器时,由于红外线受烟雾粒于折射作用,光电三极管 接收到红外线,给出烟雾报警信号。 2.2.3 火焰探测报警器 硫化铅光敏电阻的暗电阻为 1 MΩ,亮电阻为 0.2 MΩ,峰值响应波长为 2.2 μm。硫化铅光敏电阻处于 V1 管组成的恒压偏置电路,其偏置电压约为 6 V, 电流约为 6μΑ。V2 管集电极电阻两端并联 68μF 的电容,可以抑制 100 Hz 以上的高频,使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3 构成二级负反馈互 补放大器,火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用偏 置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后, 器件阻值的变化不致于影响输出 信号的幅度,确保火焰报警器能长期稳定地工作。 2.2.4 光控大门 我们都有这样的苦恼每次开车到了小区大门都要等门卫来开门或者等其按 动电动门的开关,既费时又费人力,如果巧妙地利用光电传感器就可以实现光控 大门。这里要用到一种电子元件——干簧继电器,它由干簧管和绕在干簧管外的 线圈组成。当线圈内有电流时,线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧 片磁化,两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成连接状态,线圈内没有电 流时,磁场消失,瓷片在弹力的作用下,回复到分离状态。把光敏电阻装在大门 上汽车灯光能照到的地方,把带动大门的电动机接在干簧管的电路中,那么夜间 汽车开到大门前,灯光照射光敏电阻时,干簧继电器接通电动机电路,电动机带 动大门打开。 2.2.5 液位检测 在液体未升到发光二极管及光电三极管平面时, 红外发光二极管发出的红外 线不会被光电三极管接收;当液位上升到发光二极管及光电三极管平面时,出于

液体的折射,光电三极管接收到红外信号由此获得液位信号。 2.2.6 基于光电传感器的防盗报警系统 这里介绍一种基于光电传感器的非接触式报警器,具备非接触报警、功能可 靠、安装调试简单等优点,通过后续处理电路的具体参数设置可以避免一般报警 器稳定性差、误报多等不足,并结合无线编码——译码芯片能够实现单点多路监 控功能。在居民小区、仓库、家庭等保安系统中,都得到了广泛的应用,配合闭 路电视等辅助系统,大大拓宽了光电报警器的应用范围与研究意义。

图 2.光电报警器系统原理图 (1)系统原理 该系统利用 650nm 左右波长的红外激光器与高速光电传感器搭建报警区 域,当入侵物体或人穿过该测试区域时,会遮挡光电探测器接收的光通量,此变 化的光通量经过后续放大电路处理成选通无线编码器所需要的模拟信号, 通过在 有效工作范围的解码器译码而触发蜂鸣器或音乐芯片,进而发出警报。根据实际 应用场合的需要,通过一对共轭菲涅尔透镜的配合使用可以将“一”字线光源激 光器所发射的激光光束扩展成矩形光幕,有效增加了报警区域的面积,提高了该 系统的可靠性与稳定性。同时搭载无线编码译码芯片 VD5026 与 VD5027 能够完 成“一对多”的远程监控功能,该系统工作流程图如图 2 所示。 (2)典型电路分析 光电报警系统的核心电路即 信号的光电转换与编码译码芯片 的无线传输,将光电传感器按光 伏模式接入前置放大电路中,通 过 合 理 设 置 偏 压 , 使 放 大器输出在无光照条件下达到零 伏左右,将输出信号接到无线编 码芯片 VD5026 的片选引脚 NE, 当入侵物体或人遮挡光线时, 信 图 3.前置放大电路

号伏值被拉低,选通芯片发出预置编码(由 A1 ~ A8 号地址线引脚设定) ,同 时无线解码芯片 VD5027 的预置编码应与其一致才能正确译码,此时译码芯片输 出引脚持续输出高电平,打开蜂鸣器/ 音乐芯片的开启开关,从而达到区域监控 的目的。如图 3 所示为光电转换的前置放大电路。 2.2.7 基于光电传感器的输液报警监控系统 静脉输液治疗是临床医疗工作中常用的治疗手段, 但目前临床输液监控主 要由人工来完成,迫切需要简便实用的监控报警装置来代替人工实现自动监控。 这里介绍了一种通过采用光电传感器将输液液滴转换成脉冲信号, 以光电传感 器及 AT89C51 为核心组成输液自动报警系统, 通过监控两个液滴之间的时间间 隔来判断是否完成输液。 (1) 工作原理 当有检测物 体经过光 电传感器上, 由于散射和 吸收导致透射光衰减, 检 测衰减后的透射光通量即 称之为漫反射式光检测 法。本系统就是通过透射 光通量的强弱的变化在通 过光电转换法把光通量的 变化转换成电压的变化来 判断是否有无液滴落下。 图 4.光通量变化原理图 光电传感器采用红外发射管发射, 光敏二极管接收, 其图如图 4 所示, 当无液 滴落下时, 红外发光二极管所发出的红外光全部照在光敏二极管上, 当有液滴 落下是红外发光二极管所发出的光经过液滴的吸收和散射只有一部分到达光敏 二极管上。 光电转换电路如图 5 所示。R2 为发光管的限流电阻, R1 起到电流转换为电 压的作用。当有液滴滴落 时, 滴落的液滴把发射管 发射的红外光挡住, 光敏 二极管产生数值非常小的 暗电流, 再经过电阻 R1 时, R1 就把光敏二极管上的光 通量变化转换成了 R1 上 的电信号的变化, 再通过 整形和 A /D 转换, 最后送 入到单片机中进行处理。 图 5.光电转换电路

(2) 硬件设计 检测系统中选用了光敏二极管作为传感器, 该元件利用内光电效应, 具有 光电流大、灵敏度高、反应速度快、线性度好等特点。输出的电流为 015 - 1mA, 适合于液滴有无的测量, 光敏二极管输出的电流信号, 经过 417 kΩ 的精密取 样电阻转换成 0 - 5V 的电压信号, 再由 A /D 转换器送入单片机进行数据转换并 给出及显示测量结果或报警。 光电传感器主要由红外发射管发射, 红外接收管接收来检测液滴。 将该传感 器套在输液器的漏斗上, 确保液滴的检测无误。 红外发射管在恒定的电源驱动下 发射一定频率的恒定红外线, 红外线经过对管间的间隙, 由接收管接收。 当没有 水滴通过对管间隙时, 红外接收管完全导通, 输出高电平; 当有水滴通过对管 间隙时, 红外接收管的导通能力不同程度地下降, 输出不规则的负向脉冲; 每 一个水滴产生一个这样的不规则的负向脉冲, 脉冲数目与水滴数目一一对应。 由 红外对管传感器所产生的不规则的负向脉冲再经过 LM339 比较器后, 输入端输 入的不规则负向脉冲就整形为规则的正向脉冲, 该脉冲接到单片机的中断口 INT0。当有液滴滴下就有正向脉冲, 单片机控制的报警器(报警器由单片机的蜂 鸣器组成)控制就不报警, 当超过 4 s 没有液滴滴下时, 报警器就会报警。 (3) 软件设计 本软件的主要任 务是检测液滴信号的 有无和报警。由于液 滴信号是一个随机量, 单片机要实时准确的 捕捉到信号应选择外 部中断方式。为保证 准确判断液滴有无滴 下, 应该在两滴液滴 之间设定一个足够的 时间(可设定为 4 s) 保证液滴有充足的时 间滴下。主程序框图 如图 6。 (4) 意义 该装置有针对性 强、使用方便、操作 简单、成本低廉、价 格合理、利于推广等 图 6.主程序框图

优点。 可以利用医院已有的报警装置, 不需要医院重新布线, 从而合理利用了已 有资源。并且该装置调节速度快、功能齐全、性能指标优良, 最大相对误差仅有 1%都不到。 可以使输液病人陪护人员以及医护人员的工作量大为减轻, 成本极低, 并且可用于其他的液滴检测中去。

3. 光电传感器的发展趋势
近年来,由于传感器的广泛应用以及在日常生活中所起的越来越重要的作 用,人们对传感器提出越来越高的要求。21 世纪初期(2010 前后) ,敏感元件 与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、多功能化、智能化、系统化。传感器 领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高, 并加速新一代传感器的开发和 产业化。 纵观几十年传感技术领域的发展,不外乎分为两个方面:一是提高与改善传 感器的技术性能;二是寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。

3.1 传感器改善性能的途径
一般常采用下列技术途径:差动技术,平均技术,补偿和修正技术,屏蔽、 隔离与干扰抑制,稳定性处理。

3.2 传感器的发展动向
(1)开发新型传感器,包括①采用新原理;②填补传感器空白;③仿生传感器 等诸方面。 (2)开发新材料,其主要趋势有以下几个方面:①从单晶体到多晶体、非晶体; ②从单一型材料到复合材料;③原子(分子)型材料的人工合成。由复杂材料来 制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。a.半导体敏感材料;b.陶瓷 材料;c.磁性材料。 (3)智能材料,是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等参数,研制 出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料性能的人造材料。 (4)新工艺的采用。新工艺的含义范围很广,这里主要指与发展新型传感器联 系特别密切的维系加工技术。 (5)集成化、多功能化与智能化。

3.3 我国目前的发展状况
我国的优势有:①已经形成了研究、生产和应用体系、人材队伍和部分传感 技术的优势,是进一步发展的基础;②有一批先进的成果,如刀具/砂轮监控仪 系列成果,石油油井用高温、高压传感检测系统、高精度热敏检测传感等等;③ 有一个量大面广的用户市场。不足之处有:①研究开发战略在系统性上的不足, 如:传感器与传感系统未能统一布置,形成两套并列,相互脱节的攻关;②对传 统传感器的革新改进不足, 微小型化步子慢, 在国内与国际市场上形不成竞争力; ③加紧特殊环境和工程项目传感技术的研究开发;④集成化、智能化和纳米技术 与国外差距大。

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