光電檢測(cè)論文

1、 光電技術(shù)論文 學(xué) 院： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 班 級(jí)： 機(jī) 自 114 學(xué) 號(hào)： 光電檢測(cè)技術(shù)論文摘要：光電檢測(cè)技術(shù)主要依賴于光電檢測(cè)元件，屬于光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一。因其測(cè)量靈敏度高，可靠性好，體積小，非接觸，信息容量巨大，信息效率高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域，通常與機(jī)電專業(yè)知識(shí)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了機(jī)械精確的智能控制，在實(shí)際生活中有著廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光電檢測(cè)；紅外光電傳感器；智能車系統(tǒng)；光機(jī)電一體化1.光電檢測(cè)技術(shù)概述1.1 光電檢測(cè)的基本原理光電檢測(cè)涉及光學(xué)、電子學(xué)、光與物質(zhì)相互作用等領(lǐng)域。它是以不同種的光電傳感器為基礎(chǔ)，通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物體的光輻射并換為電信號(hào)，

2、再通過(guò)輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用信息，經(jīng)模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，最后儲(chǔ)存、顯示、控制輸出所需要的檢測(cè)物理量等參數(shù)。光電檢測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖一所示。 圖一 光電檢測(cè)系統(tǒng)工作原理圖光電傳感器是以光電元件作為檢測(cè)元件，以光電效應(yīng)原理為基礎(chǔ)。光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。通常根據(jù)這一原理，光電傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由光源、光學(xué)通路和光電元件三個(gè)部分；亦可以分成它們分為發(fā)送器、接收

3、器和檢測(cè)電路三個(gè)部分。三者間的關(guān)系通過(guò)應(yīng)用實(shí)例中的紅外光電傳感器加以具體介紹1。1.2 光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn) 光電檢測(cè)技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種量的測(cè)量，它具有如下特點(diǎn)：1） 高精度。光電測(cè)量的精度是各種測(cè)量技術(shù)中精度最高的一種。例如用激光干涉法測(cè)量長(zhǎng)度的精度可達(dá)0.05um/m；用激光測(cè)距法測(cè)量地球與月球之間距離的分辨力可達(dá)到1m。2） 高速度。光電測(cè)量以光為媒介，而光是各種物質(zhì)中傳播速度最快的，所以用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。3） 遠(yuǎn)距離、大量程。光有可以遠(yuǎn)距離傳播的特性，適用于遙控和遙測(cè)，如武器制導(dǎo)、衛(wèi)星測(cè)繪、電視遙控等。4） 非接觸測(cè)量。光照到被測(cè)物體上的力是可以忽

4、略不計(jì)的，對(duì)被測(cè)物體毫無(wú)干擾，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，是各種測(cè)量方法中效率最高的一種。此外，光電檢測(cè)技術(shù)還具有測(cè)量精度高、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息率極高、以及自動(dòng)化程度高等突出特點(diǎn)，令其發(fā)展十分迅速，并推動(dòng)著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。它將光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域2。1.3 光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展情況和趨勢(shì) 在光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用過(guò)程中，直接受光電傳感器的影響和制約，所以，光電傳感器水平能代表光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展水平。光電傳感器的應(yīng)用涉及的領(lǐng)域非常廣泛，而且與我們的生活息息相關(guān)，應(yīng)該說(shuō)現(xiàn)代化的生活離不開(kāi)光電傳感器的參與，如傳真機(jī)、復(fù)

5、印機(jī)、掃描儀、打印機(jī)、車庫(kù)開(kāi)門器、液晶顯示器、色度計(jì)、分光計(jì)、汽車和醫(yī)療診斷儀器等等不勝枚舉。美國(guó)是研究光電傳感器起步最早、水平最高的國(guó)家之一，在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展得十分迅速。在軍事應(yīng)用方面，研究和開(kāi)發(fā)主要包括：水下探測(cè)、航空監(jiān)測(cè)、核輻射檢測(cè)等。民用領(lǐng)域方面，光電傳感器被運(yùn)用在監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的電流、溫度等重要參數(shù)，檢測(cè)肉類和食品的細(xì)菌和病毒等。20世紀(jì)90年代，由東芝、日本電氣等15 家公司和研究機(jī)構(gòu)，研究開(kāi)發(fā)出多種具有一流水平的民用光電傳感器并以價(jià)格適中質(zhì)量好而響譽(yù)全球。我國(guó)對(duì)光電傳感器研究的起步時(shí)間與國(guó)際相差不遠(yuǎn)，目前主要是在光電溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大

6、量的研究，取得了上百項(xiàng)科研成果，有的達(dá)到世界先進(jìn)水平。但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的研究水平還有不小的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè)化方面，大多數(shù)品種仍處于實(shí)驗(yàn)研制階段，還無(wú)法投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用。光電傳感器的發(fā)展趨勢(shì)如下2：1）高精度：檢測(cè)精度向高精度方向發(fā)展，納米、亞納米級(jí)精度的光電測(cè)量新技術(shù)是今后的發(fā)展熱點(diǎn)；2）智能化：檢測(cè)系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展，如光電跟蹤與光電掃描測(cè)量技術(shù)；3）數(shù)字化：檢測(cè)結(jié)果向數(shù)字化、光電測(cè)量與光機(jī)電控制一體化方向發(fā)展；4）多元化：光電檢測(cè)儀器的檢測(cè)功能向綜合性、多參數(shù)、多維測(cè)量等多元化方向發(fā)展，如微空間三維測(cè)量技術(shù)和大空間三維測(cè)量技術(shù)等；5）微型化：光電檢測(cè)儀器所用電子

7、元件及電路向集成化方向發(fā)展；光電檢測(cè)系統(tǒng)朝著小型、快速的微型光機(jī)電檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展；6）檢測(cè)動(dòng)態(tài)化：檢測(cè)技術(shù)向自動(dòng)化，非接觸、快速在線測(cè)量方向發(fā)展，檢測(cè)狀態(tài)向動(dòng)態(tài)測(cè)量方向發(fā)展；7）多功能化：即一種光電傳感器不僅能針對(duì)一種物理量，而且能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測(cè)量；8）新型傳感材料、傳感技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)與利用；9）品類更加齊全，價(jià)格低廉，能在多種環(huán)境中工作（如高溫高壓或者低溫低壓）。2.應(yīng)用實(shí)例一種基于紅外光電傳感器尋跡的智能車系統(tǒng)2.1 紅外光電傳感器工作原理紅外光電傳感器又稱光電開(kāi)關(guān)，分為直射式與反射式兩大類。直射式紅外光電傳感器又稱光遮斷器，其基本工作原理是：發(fā)光管發(fā)出的紅外光直接由光敏管接收，

8、當(dāng)有物體遮斷光路時(shí)可以檢測(cè)到輸出信號(hào)的變化，如圖二所示,左邊是紅外發(fā)光器，右邊是紅外接收器。反射式光電傳感器發(fā)出的紅外光信號(hào)需要由目標(biāo)物體反射回來(lái)，再由光敏管接收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)，其原理如圖三所示3。 圖二 直射式紅外光線傳感器 圖三 反射式紅外光線傳感器 直射型紅外光線傳感器把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè)，檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。反射式紅外光線傳感器的發(fā)光器和收光器被裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到，一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信

9、號(hào)。這種傳感器的檢測(cè)效果與傳感器本身的特性、目標(biāo)物體的特性以及檢測(cè)距離也都有很大關(guān)系。智能車中的光電傳感器是用來(lái)判別方向的，直射式紅外光電傳感器很明顯不能滿足控制要求，故在智能車中使用的都是反射式紅外光電傳感器。 反射式紅外光電傳感器的收光器接收的光源一般是由紅外發(fā)光二極管、普通發(fā)光二極管和激光二極管發(fā)出，前兩種光源易受外界光源的干擾，而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號(hào)，不易被干擾，但價(jià)格高。紅外反射式光電傳感器工作時(shí)會(huì)受多種不確定因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光等，因此，為提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，通常是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，再由光敏管

10、接收調(diào)制的紅外信號(hào)。對(duì)于反射式紅外光線傳感器來(lái)講，接收的反射光強(qiáng)度經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換得到的輸出信號(hào)電壓是反射面與傳感器間距的函數(shù)，當(dāng)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時(shí)，與的響應(yīng)曲線是非線性的，如圖四所示，在一定區(qū)間內(nèi)，輸出信號(hào)的強(qiáng)度隨光強(qiáng)距離的增大而迅速增大，達(dá)到峰值之后，隨距離的增加而減弱4。 圖四 光強(qiáng)距離曲線另外，紅外接收器接收到的反射光強(qiáng)度與反射面的特性有關(guān)，當(dāng)一定時(shí)，光電傳感器輸出信號(hào)會(huì)因反射面顏色的不同而不一樣。黑色材料對(duì)光的吸收能力較強(qiáng)，反射光強(qiáng)度弱，測(cè)量靈敏度低，且有效測(cè)量距離范圍小。如果紅外線照射到黑色標(biāo)志線，黑色標(biāo)志線會(huì)吸收大部分紅外光，接收器接收到紅外線強(qiáng)度就很弱。當(dāng)紅外線照射到白色地面

11、時(shí)有較大反射，如果取值合適，紅外接收管接收到反射回的紅外線強(qiáng)度較大。 如圖五所示的電路中，當(dāng)檢測(cè)到黑色時(shí)，由于反射率不高，光電二極管（收光器）電流太小，比較電路的正極電位大于負(fù)極電位，輸出高電平。當(dāng)檢測(cè)到白色時(shí)，由于反射率較高，光電二極管產(chǎn)生電流較大，比較電路的正極電位小于負(fù)極電位，輸出低電平。通過(guò)比較分析器輸出電平的高低，從而實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)黑色的目的。（下圖收光器直接接收發(fā)光器發(fā)出的不同強(qiáng)度的光，模擬光線經(jīng)物體表面反射到收光器，檢測(cè)電路輸出不同信號(hào)的情況。實(shí)際上紅外光是要經(jīng)過(guò)反射面反射到收光器的。） 圖五 黑白顏色檢測(cè)電路圖2.2 智能車系統(tǒng)及各部分工作原理 該系統(tǒng)由電源模塊、主控制器模塊、路基

12、識(shí)別模塊、車速檢測(cè)模塊、舵機(jī)控制模塊、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊組成，具體控制原理簡(jiǎn)圖如下4： 圖六 智能車系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖 2.1.1 路徑識(shí)別模塊智能車控制的設(shè)計(jì)中，光電傳感器對(duì)稱陣列分布來(lái)進(jìn)行路徑識(shí)別。智能控制與算法原理：工作時(shí)首先通過(guò)光電傳感器陣列檢測(cè)軌跡黑線的當(dāng)前位置，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷智能車與軌跡偏離的情況，若中間的光電傳感器檢測(cè)到黑線，則表明智能車未偏離軌跡，控制舵機(jī)使轉(zhuǎn)向輪不偏轉(zhuǎn)。若左（右）邊的光電傳感器檢測(cè)到黑線，則表示智能車向右（左）偏離軌跡，越靠左（右）的傳感器檢測(cè)到黑線，表示智能車向右（左）偏離軌跡的程度越大，控制舵機(jī)使轉(zhuǎn)向輪向左（右）偏轉(zhuǎn)，偏離程度越大，則偏轉(zhuǎn)角度越大。若光電傳感

13、器沒(méi)有檢測(cè)到黑線或是其他的檢測(cè)結(jié)果，則表示智能車已脫離軌跡，則控制舵機(jī)使轉(zhuǎn)向輪保持偏轉(zhuǎn)原有角度不變，同時(shí)控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)使速度下降到速度最小設(shè)定值。 由于傳感器對(duì)黑色和白色的反射率大小不同，MCU把各個(gè)傳感器輸出的最大、最小值間分為n個(gè)index區(qū)間，通過(guò)對(duì)各個(gè)傳感器index值的組合來(lái)獲得車身相對(duì)路徑標(biāo)志線的位置，從而對(duì)位置和行駛方向都能做較精確的控制。小車的偏出黑線的距離與傳感器輸出電位的關(guān)系如圖七5： 圖七 沿黑色標(biāo)志線分布的陣列光電傳感器輸出 2.2.2 車速檢測(cè)模塊 車速檢測(cè)模塊采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測(cè)器件，檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)速度反饋到控制模塊中，輔助控制直流驅(qū)動(dòng)輸出值的大小，達(dá)到合理控

14、制運(yùn)動(dòng)速度的目的。旋轉(zhuǎn)編碼器硬件電路簡(jiǎn)單、信號(hào)采集速度快,通過(guò)與直流驅(qū)動(dòng)軸的齒輪嚙合，當(dāng)直流驅(qū)動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度即可獲得一個(gè)脈沖，一定時(shí)間內(nèi)單片機(jī)累加器獲得的脈沖數(shù)值可以用來(lái)表示車速, 并可直接作為控制器參數(shù)。圖為車速檢測(cè)模塊硬件電路圖。 圖八 車速檢測(cè)模塊3.結(jié)束語(yǔ) 光電測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用除了作為單純的測(cè)量和采集工具測(cè)量溫度、粗糙度、采集圖像等之外，主要與機(jī)械電子結(jié)合，通過(guò)把光電傳感器與控制電路集成，實(shí)現(xiàn)智能控制的目的，例如上文介紹的智能小車。傳統(tǒng)的機(jī)械電子只能提供機(jī)械動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其效率和靈敏度很低。在現(xiàn)代化的今天，越來(lái)越多的工程和領(lǐng)域需要用到機(jī)電器械，不同的領(lǐng)域和不同的需求對(duì)機(jī)械

15、電子工程的要求也有所不同。結(jié)合工程中遇到的問(wèn)題，利用光電檢測(cè)技術(shù)的功能及優(yōu)點(diǎn)，兩者結(jié)合形成光機(jī)電一體化工程學(xué)科。光機(jī)電一體化技術(shù)通過(guò)采用電力電子器件或用電子裝置進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作控制，該技術(shù)可以靈活方便地按需控制和改變生產(chǎn)操作程序，使得人從生產(chǎn)一線被解放出來(lái)，并使生產(chǎn)效率得到了巨大的提高；對(duì)于機(jī)械本身來(lái)講，使得產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，控制更加智能化，功能更加多樣化，精度進(jìn)一步提高。日常的生產(chǎn)生活里離不開(kāi)光機(jī)電一體化技術(shù)，它加速社會(huì)智能化，給人們生活帶來(lái)了便利，在將來(lái)，仍然具有很廣闊的發(fā)展空間。作為機(jī)電專業(yè)的學(xué)生來(lái)講，我們要結(jié)合好機(jī)械、電子兩大學(xué)科的特點(diǎn)，學(xué)好相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，學(xué)以致用，將理論聯(lián)系實(shí)際，為以后本專業(yè)的研究和工作打好基礎(chǔ)。4.參考文獻(xiàn)1彥曉河，董玲嬌，蘇紹興.光電技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用J.電子工業(yè)專用設(shè)備，2006(4).2袁明輝，郭天太.光電檢測(cè)技術(shù)