光敏传感器及应用本科毕业论文.doc

本科毕业论文本科毕业论文 设计设计 题目 光敏传感器及应用 学院 班级 姓名 指导教师 王振义 职称 副教授 完成日期 2015 年 5 月 15 日 2 光敏光敏传感器及应用传感器及应用 摘摘 要要 在现代生活和工业生产中 机器设备和产品需要完整的监视和控制 因此 传感器得到广泛应用 要使设备能够正常工作并能够及时发现问题 做出最好的产品 传感器的发展前途无限 任何工业变革 都改变不了传感器在现代化工业中的不可替代 地位 传感器的种类繁多 最常用的有光敏电阻 光敏电阻能够将光信号转化为电信号 因此在实际生活中得到广泛应用 常用于照明自动控制控制 光电信号传送等领域 本文主要介绍了对传感器机理做一概述 对光敏传感器的工作原理进行了分析 和描绘 并光敏传感器在实际中应用做一介绍 关键词关键词 传感器 光敏传感器 应用 Photosensitive Sensor And Application Abstract In the modern life and industrial production machinery and equipment and products need to complete the monitoring and control so the sensor has been widely used To make the equipment can work normally and can find problems in time make the best products Sensor development prospect is infinite any changes in the industry change sensor in modern industry can not replace the position Photosensitive sensor as will convert the optical signal for the signal of a sensor in daily life become the most commonly used sensors Plays a very important role in automatic control lighting circuit technology Are introduced in this paper analysis and understanding of the sensor is simple the working principle of the photosensitive sensor are briefly and a photosensitive sensor in practical application are introduced Keywords sensor light sensor application 3 目目 录录 1 1 引言引言 1 1 2 2 传感器的概述传感器的概述 1 1 2 12 1 传感器的定义传感器的定义 1 1 2 22 2 传感器的组成传感器的组成 2 2 2 32 3 光敏传感器光敏传感器 2 2 3 3 光敏传感器的工作原理光敏传感器的工作原理 3 3 3 13 1 光敏电阻光敏电阻 3 3 3 23 2 光敏二极管光敏二极管 4 4 3 33 3 光敏三极管光敏三极管 5 5 4 4 影响光敏传感器的主要因素影响光敏传感器的主要因素 6 6 4 14 1 温度对光敏电阻的影响温度对光敏电阻的影响 6 6 5 5 光敏传感器的应用光敏传感器的应用 7 7 5 15 1 光敏传感器在智能手机上的应用光敏传感器在智能手机上的应用 7 7 5 1 15 1 1 自动感光自动感光 7 7 5 1 25 1 2 应用电路应用电路 7 7 5 25 2 光敏传感器在声光控开关电路中的应用光敏传感器在声光控开关电路中的应用 8 8 5 35 3 在汽车中的应用在汽车中的应用 9 9 5 3 15 3 1 测速测速 9 9 5 3 25 3 2 照明控制照明控制 1111 6 6 总结总结 1111 参考文献参考文献 1313 1 光敏光敏传感器及应用传感器及应用 1 引言引言 随着科学技术的不断发展和工业技术不断的革新 而人们对未知领域的探测的 不断拓展 使的人们对信息的需求多样化 推动了电子信息的多样化 对信息的的 获得能力的要求更加严格 信息快速的获取 输出精确成为必要要求 对应是的信 息获取 传感技术 传感器是传感技术的必要设备 因此 传感器在各种电路中 得到广泛的应用 传感器是一种信号检测装置 能够对相应的各种检测量进行检测 并将检测到的信息按某种方式转变为电信号或其他所需要形式的信号输出 以满足 信息便于传递和处理 在传感控制电路中 传感器是首要用到的元件 其作用是探测信息 能够把其 他信息转化为人们想要的信息 也就是一个信息转化的过程 所以快速 精确是是 获取信息的必要前提 是机电自动化的必要保证 系统的信息处理 电路的逻辑控 制和自动检测 都需要传感器来实现 在现代化的工业设备和工业生产中 许多设 备和产品都需要动态监视 这就需要借助传感器来实现 因此 传感器显得尤为重 要 所以可以说 没有传感器 现带工业就失去了意义 光敏传感器是把光信号装换为电信号的传感器 可以对不同波长的光进行检测 正是基于它对光的特殊的敏感性 广泛用于对光的检测 有着大量工业生产应用实 例 如光控电路 自动控制 信号传送的领域 本文对传感器进行了概述 对主要几种光敏传感器做了一一介绍 并对光敏电 阻在电路中应用做了举例 2 传感器的概述传感器的概述 2 1 传感器的定义传感器的定义 首先是一种检测装置 能够对外界信息进行检测 相当于动物的感觉器官 动 物可以眼 耳 鼻 口 躯体来感觉外界的各种信息 随着通过大脑做出应激反应 然后做出一定的反应 传感器有着相同的原理 它能感测外界信息 并把所获得信 息通过电路处理系统进行处理判断 并控制其它的设备做出反应 传感器的测定量与被测定量有着确切的对应关系 相对量保持在一定的精确范 围 测定量输出一般是电量 并且方便统计和利用 这种对应具体关系主要包括以 2 下几个方面 1 传感器基本任务是探测和检测 2 它的功能对应一般是单一的 如光敏对应光 热敏对应热 3 它的探测范围具有多样性 不同的传感器对应不同的探测量 传感器的多 样性决定了被测量的多样性 4 检测量与信号的输出有着确切的对应关系 5 传感器的输出量通常是电量 但也可以以光 热 电磁波 磁场等多种方 式 6 检测范围有一定的区限 在某个范围内敏感 超出这个范围就会容易出现 输出信号变化缓慢的情况 7 信号的检测具有不可逆转性 检测转换是单向的 2 2 传感器的组成传感器的组成 传感器的待测量具有多样性 不同的检测要求对应不同传感器 传感器通常把 检测结果以电量大小的方式表现出来 以电压 电流 电阻 电容等形式存在 信 号转换的形式是由传感器本身决定 而不是由其他因素影响的电路 传感器组成部 分会根据不同电路进行制作 为了做到与电路相匹配的 一般需要辅助器件和转换 器件 也有直接由感敏元件构成的传感器 感敏是检测元件直接检测部分 转换器 件由传感器检测到的信息转换成适合于传输的电信号 通常感敏输出信号非常微弱 因此需要放大和减少噪声调制 保证输出的正确性和完整性 随着集成电路技术的 发展 传感器信号调理电路和传感器转换电路可以在一起 达到了简单的目的 和 小型化的集成 传感器与信号的放大与调制电路能够正常工作 必须要介入电源才行 传感器 系统具体含义有以下几个方面 1 敏感元件 它是传感器的核心 能够直接探测到受探测量 并将探测到的 非电量 热 光 气 音 转换成一定的物理量 并有确切的对应关系 2 转换器件 它是辅助部件 将敏感元件输出的信号进行物理转换 转换成 电量 3 信号的降噪和放大 从转换电路出来的信号比较微弱 在其他因素的影响 下 会出现噪声 所以需要放大和降噪过程 形成容易识别的信号 4 辅助电源 它的作用是提供能源 大部分传感器需要在有接入电源才能正 常工作 也有不需要外部供电 例如光伏器件 2 3 光敏传感器光敏传感器 3 光敏传感器是一种使用广泛的传感器 大量用于电路控制中 它的探测范围即 敏感波长范围比较宽广 可见光 人眼看不见的红外线和紫外线 根据探测范围分 为红外传感器 可见光传感器 紫外线传感器 光敏传感器种类颇多 生活常见的 光敏传感器有 光敏电阻 光敏二极管 光敏三级管 光电管 还有用于照相机图 像处理比较复杂的 CCD 和 COMS 传感器 图 1 光敏电阻传感器结构图 普通意义上光敏传感器只是对光的检测 但在工业应用中它还可以与其他探测 元件组成新的传感器 可以进行其他非电量进行检测 犹如光电耦合器件 就是让 发光器件和光敏器件一起 对传导的光进行放大处理 然后进行传导 在光通讯 光电信息的的处理中 光敏传感器成为重要的组成部分 成为当前 应用最广泛的传感器 最简单的光敏传感器就是光敏电阻 他的结构示意图如图 1 当光子照射在两个电极蛇形结合处时会产生光生载流子 阻值随光照变化 3 光敏传感器的工作原理光敏传感器的工作原理 在众多光敏传感器中 要完成光和电转换 必然有光电效应的发生 光电效应 有两种 内光电效应与外光电效应 光敏传感器采用后者 即在有光照的发生时 光敏传感器的导电性发生了变化 光敏三极管和二极管是基于半导体 PN 结的原则 进行 光敏电阻基于半导体在光照时产生光生载流子的感光原理 随着入射光强度 的变化 电阻阻值也发生变化 是一个光控变阻器 3 1 光敏电阻光敏电阻 原理 光敏电阻是利用内光电效应开发的一种光敏传感器 一般采用增加受光 面积的方法来提高灵敏度 中间做成蛇形分界线 表面用塑胶做成保护层 底部采 用陶瓷基板作为绝缘体 常用于做光敏电阻的材料主要是硫 S 化物 碲 Td 化物 硒 Sd 化物等半导体 光敏电阻的感光波长在 380 780nm 之间 与人的 4 视力频谱约吻合 工作原理是由光子激发半导体材料产生电子 空穴对 即光生载流子 在外加电 压的情况下做定向移动 光敏电阻的阻值大小取决于光生载流子的数目 光敏电阻 级性和普通电阻一样 不分正负极 相当于一个由光控制阻值大小的滑动变阻器 所以可在直流电压环境工作也可以在交流电压环境工作 图 2 光敏电阻的工作原理 光谱范围 包括可见光 对红外线和紫外线不敏感 优点 响应时间快 体积小 性能稳定 价格较低 工作特性 阻值大小与光照强度成反比 光敏电阻的性能参数 光敏电阻也有一定的阻值范围 不同型号的光敏电阻阻值范围受制作材料 受 光面积等因素的影响 在通常情况下 光敏电阻最大值在兆欧级 最小值在千欧以 内 光敏电阻的伏安特性 图 3 伏安特性曲线 1 在同等光照条件下 电压与电流成正比关系 I U R 2 在同等光照下 U 曲线是一条直线 说明电阻值是恒定的 即只与光照 5 强度有关 3 在电压一定上网条件下 开始光照从无到逐渐增强的过程中 电流的随之变 大 当光强达到某个数值时 电流不再增加 既达到饱和 3 2 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管是最常用的红外光敏二极管 是红外光线极为敏感 在结构的光敏 二极管和普通二极管相似 PN 结光敏感的特性 因此 受光照影响电导率 光敏二 极管具有单向导 所以反向电压可用于正常运行 在光照条件下光敏二极管 也是反向电流很小的饱和 称为暗电流 此时二极 管截止 当光辐射 饱和反向电流急剧增加 形成光电流 其大小由光强和光的强 度变化控制 光电特性曲线如图 4 50 40 30 20 10 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 v 光电流 ma 温度 25C 2000lx 3000lx 4000lx 6000lx 图 4 光敏二极管光电特性曲线 二极管的 PN 结对光特别敏感 当光的 PN 结 由于光子对电子的影响 PN 结 产生电子空穴对 使载流子数量增加 这些载流子在电场力的作用下做定向漂移运 动 产生一个反向电流 因此 光照强度影响电路中的电流变化 无光时截止 有 光时导通 3 3 光敏三极管光敏三极管 光敏三极管根据内部构造不同分为 PNP 和 NPN 两种 但实际应用比较少 工 作原理和普通三极管相类似 有着对电流的放大作用 它对电流放大受两个变量的 控制 一个控制变量是基极路 一个控制变量是外界光照辐射 在一般情况下基级 1000lx 6 电极不做引出 但也有特殊的情况下引出作为其他控制量 由于光敏三极管特殊光电特性 光照强度与器件的电流电阻之间的关系也不同 它的光电特性曲线比较变化明显 即随光照强度的变化电阻电流变化迅速 光电特 性曲线如图 5 和图 6 所示 图 5 三极管光电阻特性曲线 图 6 三极管光电流特性曲线 4 影响光敏传感器的主要因素影响光敏传感器的主要因素 电子元件的运行 都受外界环境和工作环境的影响 如外界环境的温度 湿度 压强 光照 辐射 内部工作环境的电流 电压 磁场 电路的稳定性 影响光敏 传感器的主要因子有温度 湿度等 4 1 温度对光敏电阻的影响温度对光敏电阻的影响 温度是影响光敏传感器准确性的第一要素 对于普通电阻 温度的升高会使电 阻阻值变大 这与温度升高使得电子的无序运动剧烈有关 同样 作为光敏传感中 电流产生的载体载流子 在同等光照条件下 载流子的无序运动强烈程度直接关系 着光敏传感器的阻值 即通过光敏的电流大小 温度越高 光敏传感器中的载流子 的无序运动越剧烈 所以电阻也相应变大 图 7 和图 8 为不同照度 CdS 光敏电阻在 相同光照下不同温度对光敏电阻阻值的影响 7 图 7 温度对暗电阻的特性影响 图 8 温度对亮电阻特性影响 从上图可以看出 温度对光敏的准确性影响是很大的 为了降低温度对光敏准 确性的影响 需要在一个温度相对恒定的环境中工作 也可以把温度传感器和光敏 传感器组合在一起得出比较精确的结果 5 光敏传感器的应用光敏传感器的应用 光敏传感器实用好 在生活中也很常见 主要应用在家用电器和自动控制中十 分广泛 根据光敏传感器在电路中的不同用途可以分为以下几类 自动开关 可变 电阻器 信号接收器 例如在光控路灯 光控报警器 声光控开关中起的就是自动 开关的作用 在智能手机屏幕亮度调节 自动避障或循迹的儿童玩具车 照相机的 对焦曝光 起的作用就是可变电阻器 在电视机的遥控 光纤接口转换器中就是信 号接收器 对于高电压电流电流 光敏传感器不直接控制电路通断 以免损坏 而 是通过继电器来完成 5 1 光敏传感器在智能手机上的应用光敏传感器在智能手机上的应用 在智能机普及的今天 手机的超长待机尤为重要 因此 节电是必要的一种选 择 手机从过去单一的芯片节能到现在传感器自动节能 使用诸如 LXD GB5 A1DPZ 等线性光敏传感器来实现许多功能 从而达到节能 舒适的目的 5 1 1 自动感光自动感光 1 节能 键盘感应 在手机的使用过程中 白天可以关掉呼吸灯 按键的背光灯 在晚上根据感光 自动关闭 这样既方便操作 又能起到省电效果 2 智能感光 LCD 屏感应 手机屏幕亮度是耗电的一大因素 因此 随着外界光线强弱感应 自动调节屏 幕背光强弱 色彩的饱和度 实现在强光下看得清晰的屏幕图像 在弱光条件下舒 8 适 不刺眼 自动调节亮度 在保护眼睛同时也节省了电池电量 3 拍摄自动补光感应 在大多有补光灯手机相机中 都有自动选择开补光灯的功能 在什么时候开或 者关闭补光灯 这里需要一个光感电路了 常用的光感芯片有 LXD GB5 A1DPZ 5 1 2 应用电路应用电路 LXD GB5 A1DPZ SMD1206 是一款可见光传感器 用于数码产品的光照控制 一般采用国标 LED1206 的 2 脚贴片封装 在实际电路中 通常采用串联输出的方式 串联电流信号输出 串联一个电阻就是电压信号输出 LXD GB5 A1DPZ SMD1206 的输出信号是线性的 所以非常适合带 ADC 数模转换接口的芯片 通常采用增加一 个保护电阻的方式接入 ADC 芯片就可以组成一个完整的光电转换系统 中央数据处 理器 CPU 就可以从 ADC 接口读到一个数字 该数字的大小就更随 LXD GB5 A1DPZ SMD1206 所在环境感应光强的变化而变化 通常采用正线性规律接入 那 么 光照强度越大读到的数字越大 反之数字越小 这样系统软件师在设计软件时 就可以非常方便的利用这个变量数字 在接口芯片越精确的情况下 这个数字可以 更多 如 0 1000 因此可以把这些数字分成多组 每组的范围对应一个屏幕亮度的 等级 从而达到调节亮度的目的 在现在众多手机的设计中 许多手 机设计都有 自动感光的功能 而感光 的用途不仅仅是在调节屏幕 按键亮度 等基本的要求 而且有很多很有趣的创 意 这些创意不只有厂家来完成 任何 一个软件编写人员都可以 通过调用感 光功能 用户只需要下载相应的软件就 可以实现相应的功能 比如光控震动的功能 就是利用手机外界环境光照强弱 来 控制手机震动强弱 当手机在口袋里时 就需要震动强烈 这样就最大的避免误接 电话 又避免影响他人 5 2 光敏传感器在声光控开关电路中的应光敏传感器在声光控开关电路中的应用用 声光控电路是由声音和光控制的电路 其系统结构原理如下图 图 9 应用电路 图 5 1 应用电 路 9 声 音 信 号 MI C 电 子 开 关 与 非 门 控 制 电 路 光 敏 电 阻 整 流 电 路 延 时 电 路 图 10 声光控开关节能灯控制电路 光敏传感器是声光控电路的必要设备 和声音信号芯片有着一样的地位 在声 光控电路中 通常选用光敏电阻作为光敏传感器 光敏传感器感光范围从可见光到 红外光不等 通过光敏器件的电流一般很小 一般都要经过放大电路 或通过继电 器 自动开关来控制大电流部件 而光敏电阻的感光特性最与人眼接近 而且结构简单 造价便宜 耐用使用寿 命长 电压阈值宽广 所以是做光控电路 光照强度测量电路的最佳选择 在声光系统电路中 光敏电阻决定开关的闭合 随着光照强弱的发生电阻阻值 因而使通过电阻的电流发生变化 在光照强度较低时 光敏电阻阻值很大 在光 照强度较强时 光敏电阻阻值变小 光敏电阻在经过放大电路时通常都是直流低频 的工作状态 达到一定阀值时来决定开关的闭合 声光控电路常用的是与非门电路 一个接光控电路 一个接声控电路 我们知 道与非门逻辑关系是输入一个或两个低电平时输出为高电平 只有两个都为高电平 时输出为低电平 常用于声光控电路的芯片是 CD4011 它是由四个与非门组成电 路 可以控制多组电路 图 11 CD4011 内部结构 灯 10 声光控电路是生活中应用最广泛的的一种结构简单自动控制电路 但不只是作 为开关而被我们认知 而我们更应该认识到自动控制给我们生活带来的便利 在提倡可持续发展的今天 节能环保是时代的要求 而声光控电路研究正是基 于这种理念 有着良好发展前景 5 3 在汽车中的应用在汽车中的应用 汽车作为现代工业产品的代表 光敏传感器也因此广泛应用 光敏传感器主要 应用于汽车的自动控制 信息传送等方面 5 3 1 测速测速 汽车行驶过程中要对速度进行实时监测 以便更好控制方向 避免超速 在过 去通常采用的设备主要是机械测速 是通过汽车转轴带动齿轮的转动 最后通过转 动数字转盘的方式显示速度和里程数 此类测速设备比较笨重 而且容易损坏 相 对而言 采用光敏传感器的测速设备有着无可比拟的优点 其结构简单 使用寿命 长 所测数据快速精准 而且容易被电子设备记录和显示 具体作用就是在车的轮 轴上安装发光器件和光敏器件 在车轮相对应的点安装一个或多个反光片 车轮旋 转到一个反光片时由发光器件发出的光经反光片反射被光敏传感器接收 电路产生 一个脉冲信号 经过信号处理系统 根据车轮半径参数就能准确计算出车速 发光器件 发光器件通常采用红外线发光二极管 持续发出波长 830 950nm 的 光波 光敏传感器 与发光器件匹配 采用红外线光敏传感器 该器件一般是接受 放大 解调做成一体化 红外二极管发出的光经镜面反射以后被接头解调后 数据 0 显示设备 计数器 信号处理器 脉冲信号 反光镜 图 12 测速装置示意图 和 1 在单片机的读取不同 容易被识别 计数器 通常采用 51 单片机可以实现计数功能 并以其定时和计数产生的结果 发光器件 光敏传感器 11 作用在处理系统上 定时是是用来确定各个时间段的 可以当用作计数器用 并且 在脉冲上进行计数的操作 并行通信接口 51 单片机用于数据的输入和输出功能的接口 串行通信接口 51 单片机有一个能够编程的插口 这个插口必须接外部设备或 电脑 我们可以看到单片机和其它设备在数据传送的时候必须用到 这个插口是双 排的 它的功能第一可以用作接收信号 第二可以作为移位器用 RXD P3 0 脚 为接收端口 TXD P3 1 脚为发送端口 中断系统 51 单片机有中断系统 我们可以用他中断程序 51 系列是有 5 个 中断源 分别是外中断 2 个 定时中断 2 个 串行中断 1 个 所有的中 断从不同的顺序开始执行 时钟电路 单片机的芯片的内部是有时钟电路的 时钟电路可以生产我们可以 看到的时钟脉冲序列 系统默许的晶振频率肯定是 6 MHz 到 12 MHz 图 13 单片机引脚 显示设备 通常采用的有由 LED 发光二极管组成八段字符显示器 经过处理的 信号由单片机处理后直接显示出来 通过单片机输出的信号显示 5 3 2 照明控制照明控制 汽车的供电系统来自引擎带动的发电机 根据能量的转换 带动发电机就需要 发动机做额外的功 用电越多就需要发动机做越多的功 消耗更多的燃料 在出租 车的顶部 都有广告牌 里面就有车灯 在白天亮灯显然是不需要的 而夜晚就需 要点亮 因此 设计为用光敏电阻控制闭合的电路 就能自动控制灯管的亮灭 因 12 此起到节能减排的作用 6 总结总结 随着信息时代的到来 电子产品日益丰富着我们的生活 传感器更是在生活中 屡见不鲜 自动化 规范化 智能化是信息时代电子产品的发展要求 随之而来的 是传感器飞快的更新速度 传感器作为一种探测工具 其探测过程是一个是一个信息转换的过程 能够把 人类观测不到或观测到的信息通过模电途径转化成直观可靠地信息 也就是我们所 说的将非电量转化为电量的并能够直观数据或其他形式规范的一