光电传感器测量系统的设计

《光电传感器测量系统的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电传感器测量系统的设计（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、光电传感器测量系统的设计检测技术与应用课程设计报告系别 自动化工程系班级姓名学号指导教师2011 年 1 月光电传感器测量系统的设计一、设计目的1、了解光电式传感技术的基本原理，掌握光敏二极管、 光敏三极管、光敏电阻、光电池传感器等的结构、原理、特 性及使用注意事项。掌握光电效应的概念。2、了解各种光电元件的性能参数指标及一些其他特性。3、掌握数字光照度计的使用方法。4、了解典型传感器的技术指标，重点掌握传感器的设 计要求。5、掌握正确调试电路的方法。6、掌握常用仪器设备的正确使用方法，利用开放式传 感器实验箱更具体的了解光电传感器的工作原理和应用，学 会简单传感器控制电路的实验调试和整机指标

2、测试方法，提 高动手能力。7、掌握基本的传感器设计方法，进一步了解常规敏感元器件的工作原理和特性，二、设计任务及要求1. 测量光照强度与电压的关系并作出正确的曲线及图 表。2. 根据所提供的设备，正确选择传感器、相关元件。计算机、LabVIEW虚拟仪器软件和DRLAB快速可重组综 合实验台为必选设备；传感器的范围已经给定，选择正确传感器并写出选择依 据、其他元件可根据自己需求自行选择；尽量写出其他可以实现测量目的的其他相关传感器。3. 论述基本原理，并画出相关电路图。论述本次设计中所设计到的所有相关知识概念及原理； 电路图参考教材电路自己设计。4. 按照电路原理图在开放式传感器实验箱中搭建电

3、路。在调试电路时注意各元件的性能参数指标，避免损坏。光电传感器在不同的光强不同的温度下所对应的电阻 值均不相同，不同的环境下所得到的结果差别较大，但对结果进行分析得出的特性与光电传感器特性相一致，因所处环境的差别本结果仅作为参考。硬件调试中注意将光电传感器靠近光源，将光照度计靠 近光电传感器，操作的正确性可以有效减小误差。注意遮蔽周围环境的强光，特别是在日光灯下进行操作 时要小心谨慎。5. 参考已完成的脚本，使用LabVIEW来设计光电传感 器虚拟仪器，包括前后面板。脚本中的控件自己任意选择（注意：不能和已完成的脚 本完全一样）。脚本中应注出自己与合作者的姓名、班级等 信息。6. 软硬件结合验

4、证，并调试，直到测试正确。 给出测量的结果和分析，包括数据数据表格和曲线关系等。三、选择的仪器和设备1. 计算机 。2. LabVIEW虚拟仪器软件，使用的是LabVIEW 8.2.1。LabVIEW虚拟仪器软件：（1）它是一种图形化的编程语 言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为 一个标准的数据采集和仪器控制软件。（2） LabVIEW集成了 与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采 集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利 用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界

5、面使得 编程及使用过程都生动有趣。（3） LabVIEW是NI推出的虚拟 仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、众 多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支 持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统 创造了基础条件。（4） LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI）， 它包括前面板（fron t panel）、流程图（block diagram） 以及图标/连结器（icon/connector）三部分。（5） LabVIEW程 序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪 器；但LabVIEW程序很容易改变设置和功能。因此，LabVIEW 特别适用于实

6、验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变 仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、 传输等场合。3. DRLAB快速可重组综合实验台。4. 开放式传感器实验箱。采用开放式系统结构。5. 光敏三极管。光敏三极管又称为光电三极管、光电晶体管，其结构与 普通三极管相似，都具有电流放大作用，只是基极电流不仅 受基极电压控制，还受光照的控制。光敏三极管工作时各极 所加电压与普通三极管相同，集电结反向偏置，发射结正向 偏置，及集电极接正电压，其发射极接负电压。光照射发射 结产生的光电流，相当于基极电流，因此集电极电流是光电 流的B倍。当光照射时，在集电结附近产生光生电子一一 空穴对，载流子在内

7、建电场作用下，电子流向集电极，空穴 流向基极，相当于外界向基极注入了控制电流。而基极、集 电极、发射极又构成一个具有放大作用的三极管，完成光电 流的放大。光敏三极管的基本特性包括光谱特性、伏安特性、 光照特性、温度特性和响应特性等。光谱特性是指在入射光 照度一定时，输出的光电流随光波波长的变化而变化；伏安 特性显示出光敏管的光电效应性质，因为在无偏压时，光敏 三极管仍有光电流输出，它在不同照度下的输出特性和普通 三极管在不同基极电流时的输出特性一样；光照特性显示了 光敏三极管的光电流与照度的关系；温度特性对其输出电流 影响较小，但对暗电流影响却十分明显；响应速度比光敏二 极管慢得多。6. 电阻

8、、光源、跳线等。四、总体设计（一）设计方案1. 传感器的选择：光敏三极管（光电传感器），如图1-11-2、1-3所示。图 1-1 光敏三极管图 1-2 光敏三极管简单等效电路图 图 1-3 光敏三极 管电路图光敏三极管是光电转化半导体器件，具有NPN或PNP结 构的半导体管。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得 较大，发射区面积做的较小，入射光主要被基区吸收。和光 敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳 内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。它的发 射结与光敏二极管一样具有光敏特性。它的集电结与普通晶 体管一样，可以获得电流增益。光照射发射结产生的光电流 相当于基极电流，

9、因此集电极电流是光电流的ß倍， 所以光敏三极管比光敏二极管有更高的灵敏度，但噪声也比 光敏二极管大。在结构上，为了保证入射光可靠地作用于发 射结，基区面积做得较大，发射区面积做的较小。将光敏三 极管接在电路中时，它的集电极接正电压，发射机接负电压。 光敏三极管与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好、 可靠性好、体积小、使用方便等优点。2. 硬件实现：光敏三极管有一个对光敏感的PN结作为 感光面，一般用集电结作为受光结，因此通过给光敏三极管 不同的光照强度体现出其和电压的关系。3. 软件实现：应用 LabVIEW 编写实验脚本。4. 设计整体验证：通过新编写的软件与硬件及电路元 件

10、等相结合，测试验证是否可运行、是否出正确的波形、正 确显示光照强度和电压的关系。（二）基本原理光敏三极管的等效电路如图 1-4，当有光照射到基区时， 激发产生的电子-空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电 结反向饱和电流大大增加，这就是光敏三极管集电结的光生 电流。该电流注入发射结进行放大，成为光敏三极管集电极 与发射极间电流，它就是光敏三极管的光电流。光敏三极管 使用时，其基极通常开路，基极集电极产生的光感生电流 直接馈入基极，并被三极管放大，因此光敏三极管比光敏二 极管具有更高的灵敏度。一般光敏三极管只引出 E、C 俩个 电极，其光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制领 域。图 1-4

11、光敏三极管等效电路图五、具体步骤（一）硬件实现步骤1、准备相应的硬件设备，包括传感器和其它元器件。在实验电路板上搭建好电路，按图1-5的电路图，并仔 细检查接线；可参考接线图1-6；在硬件实现过程中，需要注意如下：实验时连接电路前 必须正确辨认出三极管的三个引脚（电源、地、信号），光 敏三极管如果引脚连接错误极易烧坏。实验中注意遮蔽周围 坏境的强光，特别是在日光灯下进行实验时要小心谨慎。图 1-5 光敏三极管的光测量实验原理图图 1-6 电路连接图（二）软件实现步骤1、在桌面上运行LabVIEW主程序图标，或在“开始”程 序中运行快捷方式进入LabVIEW工作平面，如图1-7所示。图1-7 L

12、abVIEW工作平面2、点击选项，或者点击文件一*VI，如图1 -8所示。图 1-8 *VI3、弹出前面板和程序框图，如图 1-9、1-10所示.图 1-9 前面板图1-10 程序框图4、在设计虚拟仪器界面前，需要对所设计的系统有完 整的了解，知道其需要用到的VI,针对此个光敏三极管测电 压系统的设计，需要两个数值输入控件分别控制采集芯片 的采样频率和采样长度，需要一个数值显示控件显示测出的 电压值，需要一个布尔开关来控制界面脚本的运行与停止， 需要一个波形图显示控件来实时显示信号波形，最后需要找 个一个*运行；找到需要的所有控件，并将其置于前面板上， 右键点击前面板弹出控件选板，点击数值控件

13、-点击数值输 入控件，如图1-11所示。图 1-11 选择数值输入控件5、选择数值输入控件后，界面如图1-12。图 1-12 添加有数值输入控件的界面6、如步骤5所示再次添加一个数值输入控件（另一个类 型的），如图 1-13 所示。图 1-13 再次添加有数值输入控件的界面这俩个数值输入控件用于表示此程序中规定的数值， 是固定值。7、将这两个数值输入控件的标签分别改成其对应控制 的内容，以方便系统设计和原理程序框图的连接，双击“数 值”和“数值2”，分别将其更改为“采样频率”和“采样 长度”，如图1-14所示。图 1-14 更改标签后的界面8、右键点击前面板弹出控制面板，点击数值控件中的 数值

14、显示控件，同上几步添加控件，如图1-15，并将标签更 改为电压值。图 1-15 添加数值显示控件后的界面该数值显示控件用于显示当前状态下所需要的值，是测量值。9、右键点击前面板弹出控件选板，点击布尔控件，点 击开关按钮，如图 1-16所示。图 1-16 点击布尔控件10、（布尔控件中各控件的作用基本一致，可依据个人 喜好来选择）选择开关按钮后，将其置于合适的位置，如图 1-17所示。图 1-17 选择开关按钮开关按钮用于控制程序。开是程序运行，关时程序停 止。11、右键点击前面板弹出控件选板，点击图形控件-点 击波形图，如图1-18所示。图 1-18所示 波形图选择12、选择波形图后（波形图根

15、据实际需要来选择），将 其置于合适的位置，如图1-19所示。图1-19 添加波形图控件后的界面波形图控件用于显示程序运行状态下当前波形的显示。13、修改波形图控件的名字及属性等，如图 1-20所示。图 1-20 修改属性等后的界面14、右键点击前面板弹出控制面板，点击数组、矩阵中 的数组，如图1-21。图 1-21 选择数组控件15、选择数组控件放在合适的位置,修改属性后界面如 图1-22所示；图 1-22所示 添加数组控件后的界面数组控件用于存放程序中的*。16、在数组控件上添加一个开关，起到*选择的作用， 在本实验中我们采用3*信号采集，如图1-23所示。图 1-23 添加*后的界面添加一个开关后。整个可用于*选择。如多个*需在 运行时打开*。17、最后整理初步完成的前面板，发现可以让这个程序 测量更多值，所以再在前面板上添加一个数值控件中的时间 标识显示，选择数值控件中的时间标识显示控件，如图1-24 所示图 1-24 选择时间标识显示18、将时间标识显示控件放置在前面板上，如图 1-25 所示图 1-25 放置时间标识显示控件该时间标识显示控件用于显示当前时间，和表功能一 样。19、在前面板再添加一个指示灯，如图1-26所示图 1-26 选择指示灯控件20、将指示灯放置在前面板，初步完成前