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

201*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、LabVIEwww.bsmz.netz.netv。

图 1-45实验运行情况

5、通过长时间光照，改变电压值及光照值，再次观察实验运行情况，如图1-46所示，此时时间为16：51：45电压值为12mv，光照强度为0.285

图 1-46 实验运行情况

6、再次观察运行情况，如图 1-47 所示，此时时间值为16：52：20，电压值为13mv，光照强度为0.321

图 1-47 运行情况

7、根据长时间光照，电压值和光强度变化，测的数据填入表中如图2-1所示，并作曲线图如图2-2所示

光强（lux）

0.285

0.321

15

17

54

85

124

电压（mv）

12

13

540

630

900

1450

2030

图 2-1 表格

图 2-2 光敏三极管光照特性曲线图

（四）小结

通过本次课设时间使我深刻的体会到检测技术与各种仪器的重要性。在工农业生产、科学研究、国防建设和日常生活中，人们需要测量外部世界的一些非电量，例如，位移、速度、加速度、力、力矩、温度、压力、流量和成分等，以便及时、准确地获得信息，这就必须合理选择和善于应用各种传感器和检测仪表。这次的课程设计实验不仅培养了我们动手能力更重要的是培养了我们动脑的能力，自己设计、自己创新，重在自学的过程。做过制作检测程序后使我收获很多，不仅学会了很多知识，而且收获了快乐、感到成功的喜悦，同时认识到自己的很多不足，在今后的学习过程中可以更好的学习。

六、相关问题

1．什么是传感器？（传感器定义）

答：传感器是一种以一定精确度把被测量（主要是非电量）转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置。
2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？

答：传感器由敏感元件、转换元件、转换电路组成。

①　敏感元件，它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

②　转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。

③　转换电路：将上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

3.传感器按能量的传递方式可分为哪几类

答：传感器按能量的传递方式分类。将非电量转换成电量的转换元件均可分为两类：有源元件和无源元件。

①　有源元件是一种能量转换器，可将非电能量转换成电能量。这类传感器有些是可逆的。

②　无源元件本身不是一个转换器。被测量直接或间接的作用引起该元件的某一电参数的变化，要想获得电压和电流的变化值，必须匹配测量电路和辅助电源。由于它不进行能量的转化，因此一般是不可逆的。

4.传感器分类

答：传感器按其工作原理，可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。

5.什么是光电效应？有哪几种分类？

答：光电元件的理论基础是光电效应。光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子（称为光子）所构成，每个光子具有的能量γ正比于光的频率ν。所以，用光照射某个物体，就可以看做这物体受到一连串能量为γ的光子所轰击，而光电效应就是由于这物体吸收到光子能量为γ的光后产生的电效应。

通常把光线照射到物体后产生的光电效应分为两类，即外光电效应和内光电效应。

1) 外光电效应：在光线作用下，电子获得光子的能量从而脱离正电荷的束缚，使电子逸出物体表面的现象。

2) 内光电效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态而使物体电阻率改变的现象。

3) 光生伏特效应：在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。

6.传感器的基本特性

答：根据被测量的变化状态，可以把传感器的输入量分为静态量和动态量俩类。

①　静态量是指传感器的输入量为稳定状态信号或变化极其缓慢的准静态信号；动态量指传感器的输入量为周期信号、瞬变信号或随机信号等随时间变化的信号。

②　传感器的静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态下的输出输入关系。传感器的静态特性是在静态标准工作条件下测定的。

③　传感器的动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。

7.传感器的性能指标

答：由于使用传感器的条件和环境等的差异，对传感器其他性能指标的要求也不同，通常还应考虑的性能指标有：

①　稳定性，表示传感器维持其性能参数长时间不变化的能力；

②　零漂，表示在零输入状态下传感器的输出漂移，又可分为时间零漂和温漂；

③　输入特性，在测量过程中，传感器成为被测对象的负载时，将产生“载荷”效应。

④　输出特性，传感器的输出端都要与一些后续的处理电路、传输电路或仪表等相连接。

⑤　可靠性，可靠性指规定的工作条件和工作时间内传感器保持原有性能指标的能力。

⑥　对环境的要求，由于传感器的工作原理及结构等的不同，受外界因素（温度、湿度、磁场震动、化学腐蚀、防爆、防火等）的影响不同。

⑦　安装要求，选用的传感器应易于安装、维护和更换。

8.光电三极管的基本特性

答：包括光谱特性、光照特性、伏安特性、频率响应和温度特性。

9.光电式传感器的类型，简述原理

答：光电式传感器在检测技术领域内的应用，按其输出量性质基本上可分为模拟光电传感器和开关式光电传感器俩类。

①　模拟光电传感器的工作原理是基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数。

②　开关式光电传感器的工作原理是光电器件的输出仅有两个稳定状态，即“通”与“断”的开关状态，当光电器件受光照时有电信号输出，光电器件不受光照时无电信号输出。

10.新型传感器的发展方向

答：微型化；集成化；智能化、数字化与多功能化；标准化；新型；性能更好

11.光电传感器的特点是什么？

答：光电传感器的特点：响应快、结构简单、可靠性高等优点。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

12.采用光电传感器可能测量的物理量有哪些？

答：（1）光敏电阻：特点是价格低廉、输出电流大、受温度的影响小、抗干扰能力强、可靠性号器件本身不容易发生故障。它的缺点是响应时间慢。

（2）光电二极管和光电三极管：特点是灵敏度高、响应时间快、但它受温度影响比较大、受光面小、而且有非常强的方向性、抗干扰能力弱、它的另一个特点是不同型号的管子对光谱响应有很大不同。

（3）光电池：特点是受光面积大、输出电流小、灵敏度高、响应速度快、光谱比较宽、受温度影响小、抗干扰能力

采用光电式传感器可以测量的物理量：位移、速度、加速度、震动、质量、变面轮廓、磁、声、压力、温度、陀螺、液面、转矩、光、电流和应变等。

13.光电传感器使用的光源类型

答：光源的选择与光电传感器的频率特性有着密切的关系，这里介绍几种常用的光源。

1) 钨丝灯。其发光机理为：钨丝通电后将电能转换成热能，炽热的钨丝便产生光辐射。

2) 弧光灯。它以电弧放电激发易电离的惰性气体产生光。

3) 发光二极管（LED）。它是半导体PN结辐射光源，当过剩的导带电子跳回到价带与空穴复合时释放出光子。

4) 激光光源。是根据受激发射原理工作的光源，当电子受激发从高能级跳回到低能级时，发射出光子。

七、参考文献

[1] 陈裕泉、葛文勋编著。现代传感器原理及应用，科学出版社

[2] 张洪润、孙悦、张亚凡编著。传感技术与应用教程。清华大学出版社，2009

[3] 施湧潮、梁福平、牛春晖编著。传感器检测技术。国防工业出版社，2007

[4] 索雪松、纪建伟编著。传感器与信号处理电路，2008

[5] 常健生编著。检测与转换技术。**：机械工业出版社，2001

[6] 王俊杰编著。检测技术与仪表。**：**理工大学出版社，2002

[7] 杜维编著。过程检测技术及仪表。**：化学工业出版社，2001

[8] 张宏建、蒙建波。自动检测技术与装置。**：化学工业出版社，2004

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