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（front 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β倍。当光照射时，在集电结附近产生光生电子——空穴对，载流子在内建电场作用下，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、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1-1、1-2、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，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 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       LabVIEW工作平面

 

2、点击选项，或者点击文件—>**VI，如图1-8所示。

图 1-8   **VI

3、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->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，初步完成前面板，如图1-27所示

图 1-27 初步完成的前面板

 

    该指示灯用于显示当前运行情况，若运行则亮显示开，若关断则不亮显示关。

21、在前面板上按住CTRL+E或者点击窗口->选择显示程序框图激活程序框图界面，     如图1-28所示

图 1-28 程序框图界面

22、右击程序框图界面弹出函数选板，点击选择VI,如图1-29所示。

图 1-29 函数选板

 

23、选择下拉菜单中，选择 VI 选项，如图1-30所示。

图 1-30 选择子VI

24、在对话框中选择“getUSBAdwave111”，如图1-31所示。

图 1-31 选择虚拟采集芯片

 

25、点击确定，将虚拟采集芯片放置到程序框图上，如图1-32所示。

图  1-32 放置虚拟采集芯片

 

    虚拟采集芯片用于和其他器件相连，包括**、采样频率、采样长度和返回值等。

26、右击程序框图界面弹出函数选板，点击express-信息分析中的统计选项，并将该器件放置于程序框图中，如图 1-33所示。

图 1-33  放置统计控件

 

    该统计控件用于返回波形中第一个信号的选中参数。

27、右击程序框图界面弹出函数选板，点击express-信号操作的选择信号，并将该器件放置于程序框图中，如图 1-34所示。

图 1-34  放置选择信号控件

 

     选择信号用于接受多个信号作为输入，只返回用户选中的信号。用户可指定输出中包含的信号，也可改变输入信号的顺序。

28、右击程序框图界面弹出函数选板，点击express-信号操作的合并信号，并将该器件放置于程序框图中，如图 1-35所示。

图 1-35  放置合并信号

 

    合并信号用于将两个或多个信号合并到一个信号输入端。

29、右击程序框图界面弹出函数选板，点击express-信号操作的转换至动态，并修改属性，将该器件放置于程序框图中，如图1-36所示。

 

图 1-36 放置转换至动态

 

     转换至动态控件用于连接数组与动态数据类型。

30、调整各控件的布局以方便连线，将输入数值控件和布尔开关分别连接到虚拟采集芯片对应的连接处，将虚拟采集芯片的三**输出连接到波形图（默认下通过三**来采集实际的信号），如图1-37所示。

图 1-37 布局连线

 

31、右击程序框图界面弹出函数选板，点击布尔控件->选择真常量，如图1-38所示。

图 1-38   选择布尔控件——真常量

32、将真常量控件置于合适位置并将其连接到虚拟采集芯片的三**输入上，以激活虚拟采集芯片的三**数据采集功能，如图1-39所示。

图 1-39 连接真常量控件

 

33、右键点击时间标识，选择定时选板中的获取时间/日期，如图1-40所示。

   图 1-40 选取获取时间/日期选项界面

34、将获取时间/日期控件放置，并将其和时间标识连线，如图 1-41所示。

图 1-41  放置获取时间/日期控件

 

    获取时间/日期控件用于显示当前时间。

32、最终前面板和流程图框, 如图1-42、1-43。

图 1-42 最终前面板

 

图 1-43  最终程序框图

 

33、至此，实际信号的采集、波形显示全部完成，为测量出光照对光敏三极管的电压影响需要对采集到的信号进行分析计算。

（三）设计整体验证

1、安装好灯泡，打开光照度计，把照度计探头放在光敏电阻附近，调整光源、光敏三极管和照度计探头位置；

2、依次打开试验箱电源开关、电路板电源开关；

3、本实验创意在于添加了一个指示灯，用于提示次程序是否处于运行中，当程序运行时该控件为亮绿色显示开，当程序不运行时为墨绿色显示关，可以很好的辨识程序的运行情况；另一个创意在于添加了一个日期/时间显示装置，程序框图面板需要一个当前时间和该控件相连才能体现作用，当该程序连接好后，程序开始运行时此控件显示当前时间并一直运行，和钟表功能一样，如图1-44所示为程序未运行时，日期/时间的显示，显示自己设定的时间，自己设定的时间是2010年1月15的上午8：00：00.000在此控件的设置属性中有默认时间和群定时间范围等选项需要自行修改。

图 1-44  显示未运行时设定的时间标识

 

4、在脚本界面中，点击连续运行按钮，点击开关按钮。此时，观察实验运行情况，如图1-45所示，此时时间显示为16：46：45，电压值为-39.857mv。

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