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1、. . . 光电技术论文 学 院： 机 械 工 程 学 院 专 业： 机械电子工程 班 级： 机 自 114 学 号： 光电检测技术论文摘要：光电检测技术主要依赖于光电检测元件，属于光电信息技术的主要技术之一。因其测量灵敏度高，可靠性好，体积小，非接触，信息容量巨大，信息效率高等特点被广泛应用于自动化领域，通常与机电专业知识的结合实现了机械精确的智能控制，在实际生活中有着广泛的应用。关键词：光电检测；红外光电传感器；智能车系统；光机电一体化1.光电检测技术概述1.1 光电检测的基本原理光电检测涉及光学、电子学、光与物质相互作用等领域。它是以不同种的光电传感器为基础，通过检测被测物体的光辐射并换
2、为电信号，再通过输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，经模/ 数转换接口输入计算机运算处理，最后储存、显示、控制输出所需要的检测物理量等参数。光电检测系统工作原理如图一所示。 图一 光电检测系统工作原理图光电传感器是以光电元件作为检测元件，以光电效应原理为基础。光电效应是指当光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常根据这一原理，光电传感器结构设计由光源、光学通路和光电元件三个部分；亦可以分成它们分为发
3、送器、接收器和检测电路三个部分。三者间的关系通过应用实例中的红外光电传感器加以具体介绍1。1.2 光电检测技术的特点 光电检测技术将光学技术与电子技术相结合，实现对各种量的测量，它具有如下特点：1） 高精度。光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。例如用激光干涉法测量长度的精度可达0.05um/m；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。2） 高速度。光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，所以用光学方法获取和传递信息是最快的。3） 远距离、大量程。光有可以远距离传播的特性，适用于遥控和遥测，如武器制导、卫星测绘、电视遥控等。4） 非接触测量。光照到被测物体上的
4、力是可以忽略不计的，对被测物体毫无干扰，可实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。此外，光电检测技术还具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息率极高、以及自动化程度高等突出特点，令其发展十分迅速，并推动着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域2。1.3 光电检测技术的发展情况和趋势 在光电检测技术的发展与应用过程中，直接受光电传感器的影响和制约，所以，光电传感器水平能代表光电检测技术的发展水平。光电传感器的应用涉及的领域非常广泛，而且与我们的生活息息相关，应该说现代化的生活离不开光电传感器的参与，如
5、传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等等不胜枚举。美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一，在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括：水下探测、航空监测、核辐射检测等。民用领域方面，光电传感器被运用在监测电力系统的电流、温度等重要参数，检测肉类和食品的细菌和病毒等。20世纪90年代，由东芝、日本电气等15 家公司和研究机构，研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器并以价格适中质量好而响誉全球。我国对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远，目前主要是在光电温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领
6、域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，有的达到世界先进水平。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验研制阶段，还无法投入批量生产和工程化应用。光电传感器的发展趋势如下2：1）高精度：检测精度向高精度方向发展，纳米、亚纳米级精度的光电测量新技术是今后的发展热点；2）智能化：检测系统向智能化方向发展，如光电跟踪与光电扫描测量技术；3）数字化：检测结果向数字化、光电测量与光机电控制一体化方向发展；4）多元化：光电检测仪器的检测功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展，如微空间三维测量技术和大空间三维测量技术等；5）微型化：光电检测仪
7、器所用电子元件及电路向集成化方向发展；光电检测系统朝着小型、快速的微型光机电检测系统发展；6）检测动态化：检测技术向自动化，非接触、快速在线测量方向发展，检测状态向动态测量方向发展；7）多功能化：即一种光电传感器不仅能针对一种物理量，而且能够对多种物理量进行同时测量；8）新型传感材料、传感技术的研究、开发与利用；9）品类更加齐全，价格低廉，能在多种环境中工作（如高温高压或者低温低压）。2.应用实例一种基于红外光电传感器寻迹的智能车系统2.1 红外光电传感器工作原理红外光电传感器又称光电开关，分为直射式与反射式两大类。直射式红外光电传感器又称光遮断器，其基本工作原理是：发光管发出的红外光直接由光
8、敏管接收，当有物体遮断光路时可以检测到输出信号的变化，如图二所示,左边是红外发光器，右边是红外接收器。反射式光电传感器发出的红外光信号需要由目标物体反射回来，再由光敏管接收，从而实现对目标的检测，其原理如图三所示3。 图二 直射式红外光线传感器 图三 反射式红外光线传感器 直射型红外光线传感器把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测距离可达几米乃至几十米。检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。反射式红外光线传感器的发光器和收光器被装入同一个装置内，正常情况下，发光器发出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，输出一个
9、开关控制信号。这种传感器的检测效果与传感器本身的特性、目标物体的特性以及检测距离也都有很大关系。智能车中的光电传感器是用来判别方向的，直射式红外光电传感器很明显不能满足控制要求，故在智能车中使用的都是反射式红外光电传感器。 反射式红外光电传感器的收光器接收的光源一般是由红外发光二极管、普通发光二极管和激光二极管发出，前两种光源易受外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不易被干扰，但价格高。红外反射式光电传感器工作时会受多种不确定因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光等，因此，为提高系统的可靠性和准确性，通常是将发射信号经调制后送红外管发射，
10、再由光敏管接收调制的红外信号。对于反射式红外光线传感器来讲，接收的反射光强度经检测电路转换得到的输出信号电压是反射面与传感器间距的函数，当反射面物质为同种物质时，与的响应曲线是非线性的，如图四所示，在一定区间内，输出信号的强度随光强距离的增大而迅速增大，达到峰值之后，随距离的增加而减弱4。 图四 光强距离曲线另外，红外接收器接收到的反射光强度与反射面的特性有关，当一定时，光电传感器输出信号会因反射面颜色的不同而不一样。黑色材料对光的吸收能力较强，反射光强度弱，测量灵敏度低，且有效测量距离范围小。如果红外线照射到黑色标志线，黑色标志线会吸收大部分红外光，接收器接收到红外线强度就很弱。当红外线照射
11、到白色地面时有较大反射，如果取值合适，红外接收管接收到反射回的红外线强度较大。 如图五所示的电路中，当检测到黑色时，由于反射率不高，光电二极管（收光器）电流太小，比较电路的正极电位大于负极电位，输出高电平。当检测到白色时，由于反射率较高，光电二极管产生电流较大，比较电路的正极电位小于负极电位，输出低电平。通过比较分析器输出电平的高低，从而实现了检测黑色的目的。（下图收光器直接接收发光器发出的不同强度的光，模拟光线经物体表面反射到收光器，检测电路输出不同信号的情况。实际上红外光是要经过反射面反射到收光器的。） 图五 黑白颜色检测电路图2.2 智能车系统及各部分工作原理 该系统由电源模块、主控制器
12、模块、路基识别模块、车速检测模块、舵机控制模块、直流驱动电机模块组成，具体控制原理简图如下4： 图六 智能车系统原理简图 2.1.1 路径识别模块智能车控制的设计中，光电传感器对称阵列分布来进行路径识别。智能控制与算法原理：工作时首先通过光电传感器阵列检测轨迹黑线的当前位置，然后根据检测结果判断智能车与轨迹偏离的情况，若中间的光电传感器检测到黑线，则表明智能车未偏离轨迹，控制舵机使转向轮不偏转。若左（右）边的光电传感器检测到黑线，则表示智能车向右（左）偏离轨迹，越靠左（右）的传感器检测到黑线，表示智能车向右（左）偏离轨迹的程度越大，控制舵机使转向轮向左（右）偏转，偏离程度越大，则偏转角度越大。
13、若光电传感器没有检测到黑线或是其他的检测结果，则表示智能车已脱离轨迹，则控制舵机使转向轮保持偏转原有角度不变，同时控制直流驱动电机使速度下降到速度最小设定值。 由于传感器对黑色和白色的反射率大小不同，MCU把各个传感器输出的最大、最小值间分为n个index区间，通过对各个传感器index值的组合来获得车身相对路径标志线的位置，从而对位置和行驶方向都能做较精确的控制。小车的偏出黑线的距离与传感器输出电位的关系如图七5： 图七 沿黑色标志线分布的阵列光电传感器输出 2.2.2 车速检测模块 车速检测模块采用旋转编码器作为车速检测器件，检测到的运动速度反馈到控制模块中，辅助控制直流驱动输出值的大小，
14、达到合理控制运动速度的目的。旋转编码器硬件电路简单、信号采集速度快,通过与直流驱动轴的齿轮啮合，当直流驱动机轴转过一定角度即可获得一个脉冲，一定时间内单片机累加器获得的脉冲数值可以用来表示车速, 并可直接作为控制器参数。图为车速检测模块硬件电路图。 图八 车速检测模块3.结束语 光电测试技术的应用除了作为单纯的测量和采集工具测量温度、粗糙度、采集图像等之外，主要与机械电子结合，通过把光电传感器与控制电路集成，实现智能控制的目的，例如上文介绍的智能小车。传统的机械电子只能提供机械动力，实现简单的机械运动，其效率和灵敏度很低。在现代化的今天，越来越多的工程和领域需要用到机电器械，不同的领域和不同的需求对机械电子工程的要求也有所不同。结合工
