传感器课程设计.doc

东北石油大学 课 程 设 计 2012 年 6 月 25 课 程 传感器课程设计 题 目 紫外线传感器应用电路设计 院 系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 任务书 课程课程 传感器课程设计传感器课程设计 题目题目 紫外线传感器应用电路设计紫外线传感器应用电路设计 专业 姓名 学号 主要内容 主要内容 我要设计紫外线火焰监测系统 紫外线是一种不可见光 波长范围 0 01 0 40 微 米 光子能量大 当火焰燃烧到预定程度时会释放出一定量的紫外线 光敏二极管 导通 从而发出预警信号 采用紫外线探测有反应速度快 避免可见光及炉壁红外 辐射的干扰等优点 基本要求 基本要求 1 按照技术要求 提出自己的设计方案 多种 并进行比较 2 利用光电效应设计一种紫外线自动控制电路 3 说明所用传感器的基本工作原理 画出应用电路电路图 写明电路工作原理 注明元器件选取参数 进行方案比较 主要参考资料 主要参考资料 1 黄贤武 郑筱霞 传感器原理与应用 M 电子科技大学出版社 2004 2 陈章其 用于火焰探测的紫外光敏光敏管 J 传感器学报 1996 01 期 3 崔景俊 紫外火灾探测系统的设计与实现 D 电子科技大学出版社 2007 4 李青文 紫外脉冲法在特高压放电检测中的应用 J 高电压技术 2006 12 期 完成期限 2012 6 25 2012 6 29 指导教师 专业负责人 2012 年 6 月 25 日 传感器课程设计 摘 要 在我国城市燃烧气体化的过程中 灵敏的监测系统得到了广泛的应用 煤气 天然气 酒精这类物质 其火焰能见度低 点燃快 有爆炸危险 在燃烧时必须 有熄火保护 本课题针对日益巨大的监测系统市场 设计出一种简单可行的紫外 线自动控制电路 采用紫外线控制电路 当燃烧时 利用紫外线接受器直接接受 火焰信号 经过电路处理 发出预警信号 采用紫外线探测有反应速度快 避免 可见光及炉壁红外辐射的干扰等优点 关键词 传感器 紫外线 熄火保护 传感器课程设计 目 录 一 设计要求 1 二 设计方案及其特点 1 1 方案一 1 2 方案二 2 3 方案三 2 三 传感器工作原理 3 四 电路的工作原理 4 五 单元电路设计 参数计算和器件选择 4 1 单元电路设计 4 2 参数计算 6 3 元器件清单 6 六 总结 6 传感器课程设计 1 紫外线传感器应用电路设计 一 设计要求 电路设有预定的火焰预警范围 当火焰超过给定的紫外线辐射最 低量量时 电路会在毫秒级的数量级上报警 并切断燃料供应 火焰的紫外线辐射量低于给定个范围 对电路没有影响 可见光 红外线的辐射不会对电路造成影响 二 设计方案及其特点 紫外线是一种不可见光 光子能量大 利用光电效应有光敏电阻 光敏二极 管 光敏三极管三种方案 方案如下 1 方案一 图 1 光电流与光照强度之间的关系 0 05 0 10 0 15 0 20 0 25 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 光通量 lm 光电流 mA 传感器课程设计 2 采用光敏电阻 光敏电阻又称光导管 为纯电阻原件 其工作原理是基 于光电导效应 其阻值随光照增强而减小 其设计简单 造价低廉 但舍弃 这个方案的主要原因是光敏电阻多数是非线性的 不宜做定量监测 如图 1 其次光敏电阻具有延时性的特点 而且时间常数都很大 再次光敏电阻 具有温度特性 随着温度升高 其暗电流和灵敏度下降 2 方案二 光敏三极管的光照特性近似线性关系 故可以做定量测量 而且 温度 变化对光电流的影响很小 对暗电流的影响很大 但电子线路中应对电流进 行温度补偿 舍弃方案二的主要原因是无论是硅管还是锗管都对紫外线不敏 感 从图 2 的光谱特性可以看出 20 40 60 80 100 硒硒 硒硒 硅硅 入射光波长 nm 0 400 600 800 1000 1200 相对灵敏度 图 2 光敏三级管的光谱特性 3 方案三方案三 综合以上考虑 采用光电管作为敏感元件 采用锑铯阴极和镁镉阴极作 为光电阴极 对紫外线敏感 光强影响其光电流的大小 而且温度变化对其 传感器课程设计 3 图 3 光电管工作原理图 影响很小 三 传感器工作原理 天然气 煤气 石油液化气 汽油 柴油 酒精等类物质 其火焰 能见度低 点燃快 有爆炸危险 在燃烧时必须有熄火保护 在火情预 报时没有引燃阶段 采用紫外探测比其他形式的探测有明显的优势能在 毫秒级时间内快速反应 可以避免可见光及炉壁红外辐射的干扰 在本 文中我们利用紫外线能量强的原理 当有一定量的紫外线照射在阴极上 时 光电流迅速增大 在光照射下 电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应 亦 称光电子发射效应 m 电子质量 电子逸出速度 Av mhv 0 2 0 2 1 v0 根据爱因斯坦方程我们得出以下三点 1 入光成分不变 产生的 光电流与光强成正比 2 光电子能否产生 取决于光电子的能量是否 传感器课程设计 4 大于该物体的表面电子逸出功 光电表面具有初始动能子逸出物体 A0 表 v m 2 0 2 1 当光照射在阴极上时 中央阳极可以收集从阴极上溢出的电子 在 外电场作用下形成电流 I 四 电路的工作原理 图 4 紫外线火焰报警系统电路 火焰燃烧会辐射各种各样的光 经过滤光 放大处理后 若火焰紫外线辐射 超过最低阈值 光电管会很快导通 VT1 VT2 导通 K1 报警装置发出警报 火 焰强度得到控制时 光电管截止 当火焰紫外线辐射达不到最低阈值时 滤光片会滤除可见光 红外辐射对光 电管得影响 从而延长其寿命 调节 RP1 可以控制紫外线辐射的最低强度 从而提高电路的灵敏度和实用性 五 单元电路设计 参数计算和器件选择 1 单元电路设计 传感器课程设计 5 1 声光报警器 图 5 声光报警系统 在警戒状态下 Vl 的基极电压经警戒线 W 对地短路 Vl 和 VT 均处于截止 状态 VL 不发光 BL 不发声 若遇盗情 W 被断开 则 Vl 立即饱和导通 其发射极的输出电压经 R2 加 至 VT 的门极 使 VT 受触发而导通 IC 和 V2 V3 获得工作电源而工作 IC 输出的音效电信号经 V2 V3 放大后 驱动 BL 发出报警声 同时 VL 点亮 2 光电管 传感器课程设计 6 图 6 光电管原理图 光电管原理是光电效应 它一种是半导体材料类型的光电管 它的工作原理 光电二极管又叫光敏二极管 是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件 当光 照强度增加时 pn 结两侧的 p 区和 n 区因本征激发产生的少数载流子浓度增多 如果二极管反偏 则反向电流增大 因此 光电二极管的反向电流随光照的增加 而上升 光电二极管是一种特殊的二极管 它工作在反向偏置状态下 2 参数计算 触发控制电路由警戒线 W 晶体管 Vl 电阻器 Rl R2 电容器 C 和晶闸管 VT 组成 声光报警电路由电阻器 R3 R4 晶体管 V2 V3 发光二极管 VL 音效集 成电路 IC 和扬声器 BL 组成 Rl R4 选用 1 4W 碳膜电阻器或金属膜电阻器 C 选用独石电容器或涤纶电容器 3 元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 R1 电阻 51K2 RP1 微调电阻 10K1 VT1 P 型三极管 3AX312 K1 声光报警器 1 T 光电管 GD 71 六 总结 本文设计的紫外线火焰预警传感器利用光电效应 经过滤 放大处理 当火 焰紫外线辐射量超过最低阈值时 系统发出火警预报 光电管光电流与光通量符 合线性关系 可以对系统设定预定值 其次 紫外线光谱在其灵敏度范围内 可 以对紫外线辐射量迅速作出反应 再者 温度变化对光电管的灵敏度影响很小 增强其实用性 紫外线火焰预警系统不仅是对光电效应的深刻了解 更是对电路设计的灵活 应用 该设计有反应速度快 无延迟 功耗小等优点 随着城市气化工程的进一 传感器课程设计 7 步拓展 火焰预警系统有着很好的市