傳感器原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)光敏開關(guān)傳感器檢測(cè)電路

1、傳感器原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 設(shè)計(jì)題目： 光控手電筒 班級(jí)：1242 學(xué)生姓名：楊儻月 學(xué)號(hào)： 06 指導(dǎo)教師： 分院院長(zhǎng)： 教研室主任： 電氣工程學(xué)院目錄第一章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求11.1課程設(shè)計(jì)題目11.2 設(shè)計(jì)目的11.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容1第二章 設(shè)計(jì)計(jì)劃與方案論證22.1 設(shè)計(jì)思路來源22.2 設(shè)計(jì)電路思路22.3 方案論證（電路原理）4第三章 設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)53.1 元件清單53.2 相關(guān)元器件的說明和介紹 53.3課設(shè)步驟10第四章 課程設(shè)計(jì)心得11附錄：實(shí)物圖12參考文獻(xiàn)13第一章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.1課程設(shè)計(jì)題目光敏開關(guān)傳感器檢測(cè)電路1.2 設(shè)計(jì)目的（1）培養(yǎng)學(xué)

2、生測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。（2）系統(tǒng)訓(xùn)練典型傳感器的應(yīng)用能力。（3）提高傳感器及其應(yīng)用電路的調(diào)試能力。（4）重點(diǎn)掌握典型傳感器的應(yīng)用方法、測(cè)量范圍、應(yīng)用電路以及檢測(cè)精度與誤 差等解決實(shí)際工程問題的方案和操作方法。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）提出總體設(shè)計(jì)方案；（2）應(yīng)用傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備與自制電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；（3）系統(tǒng)硬件電路調(diào)試；（4）撰寫課程設(shè)計(jì)論文；（5）完成課程設(shè)計(jì)答辯。（6）以下題目由學(xué)生任選其一完成。設(shè)計(jì)題目a類1）直流電壓傳感器檢測(cè)電路；2）交流電壓傳感器檢測(cè)電路；3）直流電流傳感器檢測(cè)電路；4）交流電流傳感器檢測(cè)電路；5）電阻傳感器檢測(cè)電路；6）電容傳感器檢測(cè)電路；7）電感傳感器檢測(cè)電路。

3、主要參數(shù)：供電電源、測(cè)量范圍、測(cè)量精度、線性度、輸出類型（電壓/電流）等。設(shè)計(jì)題目b類1）光電開關(guān)傳感器檢測(cè)電路；2）接近開關(guān)傳感器檢測(cè)電路；3）光敏開關(guān)傳感器檢測(cè)電路；4）濕敏開關(guān)傳感器檢測(cè)電路；5）氣敏開關(guān)傳感器檢測(cè)電路； 主要參數(shù)：供電電源、測(cè)量范圍、測(cè)量精度、輸出類型（電平/觸點(diǎn)）等。設(shè)計(jì)題目c類1）溫度變送器；2）壓力變送器；3）位移變送器；4）液位變送器；5）稱重變送器。 主要參數(shù)：供電電源、測(cè)量范圍、測(cè)量精度、輸出類型（dc0-2v,0-20ma）等。第2章 設(shè)計(jì)計(jì)劃與方案論證2.1 設(shè)計(jì)思路來源隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多高端技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)與控制。同時(shí)傳感器的應(yīng)用也逐漸增多

4、，遍及人們生活的各個(gè)方面，給人們的生產(chǎn)和生活帶來極大的方便。 本設(shè)計(jì)選用光敏傳感器，對(duì)特殊場(chǎng)合的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)與報(bào)警。主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚、城市照明等對(duì)光照強(qiáng)度有要求的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)用發(fā)光二極管作為警示燈，當(dāng)光照強(qiáng)度不滿足要求時(shí)就會(huì)發(fā)光起到警示的作用。2.2 設(shè)計(jì)電路思路要設(shè)計(jì)光控?zé)?，首先要掌握光敏電阻的特性，光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器,常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下（光敏電阻器對(duì)光的敏感性（即光譜特性）與人眼對(duì)可見光（0.40.76）m的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受

5、的光，都會(huì)引起它的阻值變化），其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。經(jīng)測(cè)量隨著外部環(huán)境的改變，本次所用光敏電阻阻值的變化范圍為2k-3m,即在有光照射時(shí)電阻阻值下降，無光照時(shí)阻值上升，根據(jù)這一特性可以控制三極管工作狀態(tài)進(jìn)而控制燈的亮滅的電路。 三極管工作狀態(tài)分為放大、截止和飽和。當(dāng)工作在放大區(qū)時(shí)，發(fā)射極正偏，集電極反偏；當(dāng)工作在截止區(qū)時(shí)，發(fā)射極和集電極均反偏；當(dāng)工作在飽和狀態(tài)時(shí)，發(fā)射極和集電極均正偏

6、。同時(shí)三級(jí)管有兩種材料做成，一種為硅管，其正偏發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.7v；一種為鍺管，其正偏發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.3v。三極管種類有npn和pnp兩種，本次課設(shè)用到的三極管為npn型硅管9014和pnp型硅管9012。2.3 方案論證（電路原理） 由2.2設(shè)計(jì)電路思路設(shè)計(jì)出如圖2.3的電路圖。圖 2.3 如圖2.3所示，光敏電阻r1和可調(diào)電阻rp組成串聯(lián)電路，當(dāng)光線變暗時(shí)，光敏電阻阻值升高，rp兩端電壓下降，使vt1晶體管c、e之間阻值變大，導(dǎo)致vt2、ub升高c、e之間電阻迅速減小，發(fā)光二極管導(dǎo)通。反之不亮。電子光控開關(guān)，將發(fā)光管改接繼電器，可控制各種電器設(shè)備，可作為機(jī)器人光控探頭。通電后，調(diào)節(jié)

7、rp可以改變控制要求。第3章 設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)3.1 元件清單vt1 9014 1個(gè)vt2 9014 1個(gè)光敏電阻r1 1支滑動(dòng)變阻器rp 10k 1支電阻r2 4.7k 1支發(fā)光二極管vd 一個(gè)3.2 相關(guān)元器件的說明和介紹 3.2.1光敏電阻 圖3.2.13.2.1.1介紹及應(yīng)用 光敏電阻又稱光阿導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速 6 減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。 光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件

8、，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)，太陽能庭院燈，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關(guān)，路燈自動(dòng)開關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸?，燈具等光自?dòng)開關(guān)控制領(lǐng)域。 3.2.1.2 光敏電阻的分類圖3.2.1.2根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器： （1）紫外光敏電阻器：對(duì)紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測(cè)紫外線。 （2）紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測(cè)、非接觸測(cè)量、人體病變探測(cè)、紅外光譜，

9、紅外通信等國(guó)防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 （3）可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動(dòng)亮滅，自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝置和“位置檢測(cè)器”，極薄零件的厚度檢測(cè)器，照相機(jī)自動(dòng)曝光裝置，光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。（本設(shè)計(jì)采用的就是）3.2.1.3 主要參數(shù)特性 （1）光電流、亮電阻。 光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時(shí)，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100lx”表示。（2）暗電流、暗電阻。 光敏電阻在一定

10、的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時(shí)候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0lx”表示。 （3）靈敏度。 靈敏度是指光敏電阻不受光照射時(shí)的電阻值（暗電阻）與受光照射時(shí)的電阻值（亮電阻）的相對(duì)變化值。（4）光照特性。 光照特性指光敏電阻輸出的電信號(hào)隨光照度而變化的特性。從光敏電阻的光照特性曲線可以看出，隨著的光照強(qiáng)度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降。若進(jìn)一步增大光照強(qiáng)度，則電阻值變化減小，然后逐漸趨向平緩。在大多數(shù)情況下，該特性為非線性。（5）伏安特性曲線。伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對(duì)于光敏器件來說，其光電流隨外加電壓的增大而增大。（6） 溫度系

11、數(shù)光敏電阻的光電效應(yīng)受溫度影響較大，部分光敏電阻在低溫下的光電靈敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。 （7） 額定功率額定功率是指光敏電阻用于某種線路中所允許消耗的功率，當(dāng)溫度升高時(shí)，其消耗的功率就降低。3.2.1.4 工作原理 3.2.1.4 光敏電阻原理圖 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮

12、影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子

13、數(shù)目的多少。3.2.2 發(fā)光二極管 圖3.3 發(fā)光二極管（led）是一種由磷化鎵（gap）等半導(dǎo)體材料制成的、能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件。當(dāng)其內(nèi)部有一定電流通過時(shí)，它就會(huì)發(fā)光。它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)pn結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從p區(qū)注入到n區(qū)的空穴和由n區(qū)注入到p區(qū)的電子，在pn結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與n區(qū)的電子和p區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃

14、光的二極管。 它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以led的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為pn結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的pn結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。pn結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱led。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從led陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外

15、不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。3.2.3 三極管 三極管，全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管,晶體三極管，是一種電流控制電流的半導(dǎo)體器件其作用是把微弱信號(hào)放大成輻值較大的電信號(hào)， 也用作無觸點(diǎn)開關(guān)。 三極管在我們的日常生活中非常常用，90三極管在電子制作中也是一個(gè)不可缺少的重要部分。9014則為npn型、45v 100ma、功率為450mw、頻率為150mhz 、放大倍數(shù)為20-90。3.3課設(shè)步驟 1.確定課題設(shè)計(jì)電路并計(jì)算出所需元件的大小 2.采購元器件 3.焊接電路 除電池外，全部元器件都可焊裝在印刷電路板上。安裝順序?yàn)閞2、r1，再裝rp可調(diào)電阻、兩支三極管和發(fā)光管。通電后，

16、調(diào)節(jié)rp可以改變控制要求。 4.檢查實(shí)際所焊電路并調(diào)試 (1)觀察電路是否有虛焊點(diǎn)或是短路的地方，并檢查實(shí)際所焊電路是否與電路圖一致并調(diào)試錯(cuò)誤。 (2) 檢查發(fā)光二極管是否損壞：將萬用表至于測(cè)二極管的檔位，將紅黑表筆分別接在發(fā)光二極管的兩端，查看發(fā)光二極管是否發(fā)光，若有一次測(cè)量發(fā)光則說明二極管正常。 （3）檢查光敏電阻是否正常。將萬用表至于測(cè)電阻的檔位，分別測(cè)量在有光照和無光照時(shí)光敏電阻的電阻。若電阻為0或是無窮大，則說明此光敏電阻損壞。第四章 課程設(shè)計(jì)心得 通過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)傳感器書上的知識(shí)又復(fù)習(xí)了一遍，而且更重要的是電容式傳感器的新的認(rèn)識(shí)，獲得了更多的經(jīng)驗(yàn)。我從中學(xué)會(huì)了如何根據(jù)具體的數(shù)據(jù)來進(jìn)行查表，從而進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，從了解課程設(shè)計(jì)的要求內(nèi)容任務(wù)到電容是傳感器的原理，電容式傳感器的分類結(jié)構(gòu)和電容式傳感器的測(cè)量電路調(diào)試都經(jīng)過了查找資料進(jìn)行整理等過程。不在本次實(shí)訓(xùn)中，我受益匪淺，在這不斷的發(fā)現(xiàn)問題，解決問題中，我對(duì)這門課程有了更深入的了解，也在這過程中，提高了自己動(dòng)手能力。 課程設(shè)計(jì)要求我們立足實(shí)際，觀點(diǎn)新穎，多些創(chuàng)新，盡量滿足現(xiàn)實(shí)情況的前提下開動(dòng)腦筋，大膽別致的作出更好的作品。經(jīng)過幾個(gè)星期的研究與學(xué)習(xí)終于作出了自己的設(shè)計(jì)，在完成設(shè)計(jì)的過程中查閱了很多資料，把課本的